Оптоэлектроника - это научно-техническое направление, связанное с изучением и применением эффектов взаимодействия оптического излучения (света) с веществом (обычно с твердым телом). Её преимущества заключаются в огромной информационной ёмкости оптических каналов связи, связанной с высокой частотой электромагнитных колебаний (~10¹⁵ Гц) света; другим превосходством служит высокая энергетическая плотность оптического излучения внутри световода, что позволяет минимизировать поперечные размеры оптического волокна.

                Оптоэлектронный прибор - это элемент или узел, применяемый в оптоэлектронике для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и наоборот. Оптоэлектронные приборы делятся на источники оптического излучения и приемники оптического излучения (фотоприемники). Кроме них к оптоэлектронным приборам относят оптические волноводы, оптическую память, функциональные приборы (преобразователи некогерентного излучения в когерентное, оптроны, оптические вентили и др.), оптические и оптоэлектронные интегральные схемы, модуляторы света и отклоняющие системы, а также разного рода дисплеи.

                Основные эффекты оптоэлектроники:

                   -фотопроводимость или внутренний фотоэффект - это увеличение электропроводности полупроводника или изолятора
                            под  действием света. Основной прибор, работающий на изменении фотопроводимости - фоторезистор,
                            быстродействие которого ниже, чем у других оптоэлектронных приборов и зависит от области спектра;

                    -магнитооптический эффект - это изменение оптических свойств (отражение, пропускание, поляризация и др.)
                            вещества в зависимости от его намагниченности или от приложенногок нему магнитного поля. Наиболее известные из
                    магнитооптических эффектов - эффект Фарадея (вращение плоскости поляризации света в среде, которая
                    находится в магнитном поле) ;

                   -электрооптический эффект - эффект Поккельса (изменение коэффициента преломления пропорционально
                            приложенному электрическому полю - нелинейное явление второго порядка) и эффект Керра (изменение
                    коэффициента     преломления, пропорциональное квадрату приложенного электрического поля - нелинейное
                    явление третьего порядка);

                   -акустооптический эффект - это явления преломления, дифракции, отражения или рассеяния света на периодических
                            неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. Акустооптические
                    эффекты бывают двух видов: при низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта ультразвуковой волны
                    возникает дифракция Рамана - Ната. А если частота ультразвука высокая и ширина фронта велика, возникает
                    дифракция Брэгга;

                    -вынужденное излучение света - излучение света может происходить двумя способами. При первом способе
                            электроны в атоме , находящиеся на энергетическом уровне Е2, без постороннего вмешательства переходят
                    на более низкий энергетический уровень Е1, испустив при этом квант света (так называемое споонтанное излучение).
                    При втором способе электроны, находящиеся на уровне Е2 подвергаются воздействию света с определенной
                    длиной волны, пори этом атом испускает свет, по длине волны и фазе полностью соответствующий воздействию.
                    Это и есть вынужденное или индуцированное излучение;

При круговой поляризации вектор Н, распространяясь вдоль оси Z вращается также и вокруг этой же оси, не изменяясь по величине:

            Когерентность - синфазность и синхронность вынужденного оптического излучения, состоящего из большого количества отдельных мод (типов волн электромагнитного излучения). Когерентность присуща только лишь вынужденным колебаниям. Она появляется только лишь при выполнении определённых условий и не является свойством спонтанных (естественных или искусственных) источников излучения. К. есть обязательное условие лазерного излучения и именно она придает ему специфические особенности - направленность и крайне низкую расходимость лазерного пучка.

Преобразователи некогерентного излучения в когерентное - это прибор, преобразующий излучение или изображение, получаемое в естественном свете, в когерентную картину. Он представляет собой оптическую память - для записи изображения и пространственный модулятор - для считывания изорбражения путем облучения записи лазером на основе эффекта Поккельса. Такие преобразователи часто применяются в голографии и в системах, производящих корреляционные вычисления и Фурье-анализ в реальном времени.

            Светоизлучающие диоды
        Основным материалом как для светодиодов (СИД), так и для лазеров является арсенид галлия GaAs. Различие между ними состоит в том, что излучение в светодиодах спонтанное и некогерентное, а в лазерах стимулированное и когерентное. Важной особенностью светодиодов является присущая им деградация – постепенное уменьшение мощности излучения при длительном пропускании через прибор прямого тока. Основными характеристиками светодиодов являются: длина волны излучения, ширина спектра излучения, мощность P, время переключения и диаграмма направленности излучения.  Характерной особенностью светодиодов является практически линейная зависимость мощности излучения от тока накачки: P = f(Iн). Это позволяет использовать аналоговые системы передачи для  модуляции оптического излучения. При использовании СИД  в системах связи применяется только прямая модуляция интенсивности излучения с помощью изменения тока инжекции. СИД являются приборами с низким входным сопротивлением и потребляют большой ток, поэтому для их возбуждения следует использовать низкоомные транзисторы, обеспечивающие большой ток и требуемую линейность. Сравнительно простая конструкция СИД, их высокая надежность и достаточно слабая зависимость характеристик излучения от температуры делают их особенно подходящими для ВОСП (волоконно-оптических систем передачи) на короткие расстояния при невысокой скорости передачи.

            Полупроводниковые лазеры.

        Чтобы светодиод стал генерировать когерентное оптическое излучение, его необходимо поместить в открытый резонатор, обеспечивающий положительную оптическую обратную связь. В полупроводниковых лазерах (LASER – усиление света путем вынужденной эмиссии излучения) зеркалами резонатора служат грани полупроводникового кристалла. Из-за разности показателей преломления на границе «кристалл-воздух» получается достаточно высокий коэффициент отражения и большое усиление. Вообще лазер – это излучатель световых волн, представляющий собой генератор и систему положительной обратной связи. Полупроводниковые лазеры, изготовленные из одного вида полупроводника (чаще всего арсенида галлия – GaAs), называются гомолазерами. В таком лазере очень велики потери в объемном резонаторе. Из-за этого для  превышения порога генерации необходимы значительные токи, которые вызывают сильный нагрев кристалла и быстрое его разрушение. Но лазерный диод, предназначенный для связи должен устойчиво работать при нормальных внешних условиях с любыми модулирующими токами и не требовать при этом внешнего охлаждения. Поэтому гомолазер применяется для генерирования одиночных импульсов большой мощности и для оптической связи не используется (только в измерительных приборах). Значительно более эффективны гетеролазеры (впервые появились в СССР), в которых уменьшение плотности тока и улучшение других характеристик было достигнуто за счет использования многослойных полупроводников. Гетеролазеры – это инжекционные лазеры на основе гетеропереходов, в которых используют два вида полупроводников (обычно это GaAs и AlGaAs – арсенид галлия с примесью алюминия). С помощью таких лазеров удалось получить импульсный режим работы при комнатной температуре, а для некоторых специальных  конструкций оказалась возможной работа и в непрерывном режиме.
Несколько позже появились новые лазеры на основе двойной гетероструктуры – полосковые лазеры (другое название - лазеры с полосковыми контактами или лазер с полосковой геометрией). У этих лазеров активная область была изготовлена в виде узкой полоски, заключенной внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Эти лазеры имеют три важных преимущества перед другими подобными приборами: 1) излучение выходит через площадку малой мощности, что упрощает согласование лазера со световодом; 2) значительно упрощается теплоотвод, так как активная область (в которой выделяется тепло) находится внутри более холодного полупроводника; 3) уменьается рабочий ток лазера.
Для уменьшения количества генерируемых мод (что является необходимым условием увеличения скорости передачи информации) был разработан лазер с распределенной обратной связью (РОС). Системы обратной связи лазеров бывают дискретными – в виде расположенного вне лазерной среды оптического резонатора, состоящего в большинстве случаев из полупрозрачных зеркал, и распределенными – в виде структуры, где отражение создается периодическим изменением показателя преломления вдоль пути света. В лазере с РОС для уменьшения числа мод в резонаторе создается либо периодическая неоднородность показателя преломления, либо периодическое изменение оптической толщины активного слоя, в котором распространяется световая волна. Такие периодические структуры называются дифракционными решетками, имеющими для создания зеркального эффекта несколько сотен штрихов (по-другому - сотен периодов). В результате дифракции на такой решетке останутся только те моды, длина волны которых кратна периоду решетки. При этом расстояние между штрихами l_B (период) должно удовлетворять условию Брэгга:

 l_B = m/\ / 2n_эф ,

где n – порядок дифракции, /\ – длина волны света в материале, n_эф – эффективный показатель преломления волновода.
В лазере с РОС (Рис. 4.1) периодическая структура распределена по всей активной области генерации. Положительная обратная связь создается за счет обратного рассеяния Брэгга.

        Лазер с РОС – это волновод с выступами и впадинами в виде дифракционной решетки. Световая волна, проходящая по такому волноводу, рассеивается всеми точками дифракционной решетки. Во многих точках свет понемногу рассеивается в противоположных направлениях, но в целом получается рассеяние большой интенсивности. Длина волны в таком лазере определяется показателем преломления и от температуры практически не зависит.
        Одно из применений распределенной обратной связи – лазер с распределенным брэгговским отражением (РБО), в котором такая система расположена с двух сторон активного слоя. Лазеры с такой структурой генерируют только одну продольную моду, что делает их удобными для использования в качестве источников излучения при работе по одномодовому волокну и в системах передачи со спектральным уплотнением. Недостатком такого лазера является более высокая плотность рабочего тока.
Полупроводниковые лазеры имеют ограниченный срок службы, обусловленный постепенной и катастрофической деградацией. Постепенная деградация зависит от плотности тока и скважности импульсов, а причиной катастрофической деградации является перегрев лазерного диода, приводящий к разрушению торцов.

            Фотоприемники
        Фотоприемники предназначены для преобразования входного оптического сигнала в электрический. Различают следующие виды фотоприемников:
                                                                1. фотоэлемент;
                                                                2. фотоэлектронный умножитель;
                                                                3. фотодиод p-n-типа;
                                                                4. фотодиод p-i-n-типа;
                                                                5. лавинный фотодиод;
                                                                6. фототранзистор;
                                                                7. фототиристор.
В технике оптической связи нашли применение, в основном, различные типы фотодиодов. В фотодиодах оптическое излучение преобразуется в электрические сигналы за счет явления внутреннего фотоэффекта, при котором в области p-n- перехода полупроводника поглощаемый фотон образует пару новых носителей заряда – электрон и дырку. При отсутствии внешнего поля, в области p-n-перехода существует внутреннее электрическое поле, препятствующее движению носителей. При облучении перехода фотонами света возникают электронно-дырочные пары. Поле p-n-перехода пространственно разделяет электроны и дырки, и создает тем самым фото-ЭДС между смежными областями кристалла. За счет этого образуется ток (фототок), вызванный движением электронов по внешней цепи.

Диод p-n-типа при наличии обратного смещения, созданного внешней электрической цепью создает обедненную область, в которой отсутствуют носители и действует сильное электрическое поле.  Эта область образована неподвижными положительно заряженными атомами донора в n-области и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцептора в p-области. Если теперь осветить фотодиод, то возникшие носители (электроны и дырки) ускоряются в этом поле и движутся в n-слой (электроны) и в p-слой (дырки). Так фотодиод отрабатывает световые сигналы. Ширина обедненной области зависит от концентрации примесей и величины напряжения смещения. Чем меньше примесей, тем шире обедненная область. Положение и ширина поглощающей области зависят от длины волны падающего света и от материала фотодиода. Чем сильнее поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Ширину обедненного слоя можно увеличить, повысив напряжение смещения, но в таком обедненном слое очень слабое по напряженности поле. Для устранения этого недостатка была создана p-i-n-структура фотодиода. В такой структуре между p- и n- слоями помещен слой полупроводника с высоким сопротивлением и толщиной в несколько десятков микрометров. В таком фотодиоде свет падает на i-слой и носители ускоряются сильным полем в этом слое. Это понижает инертность и повышает частоту преобразования до нескольких гигагерц. Для повышения чувствительности увеличивают светопоглощающую поверхность, а для понижения емкости перехода повышают напряжение обратного смещения.
Чаще всего p-i-n-фотодиоды на длину волны 0,85 мкм изготавливают из кремния (Si), а на большие длины волн (1,2 – 1,6 мкм) – из германия (Ge), InGaAs или InGaAsP.
Лавинные фотодиоды (ЛФД или APD-фотодиоды). Рассмотренные типы фотодиодов только отдают во внешнюю цепь электрический ток, вызванный светом, но не усиливают его. Ток на их выходе обычно равен нескольким наноамперам или меньше. В отличие от них ЛФД усиливает фототок.
 
 Основное отличие ЛФД от PIN фотодиодрв заключается в наличии дополнительного p-слоя. Обратное смещение при этом сильно увеличивается и расширяет обедненный слой до размеров i-слоя, а напряженность электрического поля в нем возрастает. Электронно-дырочные пары, рожденные светом, разделяются и ускоряются этим полем в обедненном слое, получая энергию, превышающую энергию ионизации атомов кристалла. Сталкиваясь затем с нейтральными атомами, носители вызывают увеличивающееся в геометрической прогрессии рождение электронов и дырок. При явлении, называемом лавинным эффектом коэффициент усиления возрастает с увеличением обратного смещения и достигает значений порядка 1000 .
ЛФД имеют высокое быстродействие и их пороговая частота достигает нескольких гигагерц. К недостаткам этих приборов можно отнести сильную температурную зависимость коэффициента усиления, нелинейность преобразования и малую площадь рабочей поверхности (0,05 мм2).

        Оптический усилитель.

        Усилители оптического диапазона применяются для того, чтобы компенсировать ослабление сигнала при прохождении ими оптических волокон большой длины. Чаще всего применяются волоконные усилители, легированные эрбием (EDFA). Такие усилители изготавливают из отрезка волокна со специальными примесями, имеющими высокую излучательную способность. Эти усилители работают в окне 1550 мкм (1530…1560 мкм).  На Рис. А показан принцип действия волоконного усилителя, легированного эрбием.
Оптическая мощность накачки лазера с длиной волны 1480 нм  поступает в отрезок волокна длиной 10…20 метров через устройство спектрального мультиплексирования. Это излучение переводит электроны атомов эрбия на более высокий энергетический уровень, т.е. на более высокую орбиту. Если теперь атом подвергается воздействию света с другой длиной волны, электроны переходят на более низкий энергетический уровень (на более низкую орбиту) и при этом испускают свет, по длине волны и фазе полностью соответствующий воздействию.
Усиление при этом может достигать 15…30 дБ, но оно зависит от уровня входного излучения и, незначительно, от длины волны.
  
  Рис.А. Принцип действия оптического усилителя.

 Легированный эрбием волоконный усилитель может использоваться также для систем спектрального мультиплексирования со многими длинами волн в окне 1550 мкм. В этом случае полное усиление разделяется между оптическими сигналами системы спектрального мультиплексирования. Для такого использования равномерность усиления является одним из наиболее критичных параметров.