Jaroslav Doleèek MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 3. díl Optoelektroika optoelektroické prvky a optická vláka www.lica.cz www.belde.com Praha 2005

Firma LICA je pøedí èeský dodavatel techologií pro provozovatele telekomuikaèích sítí se specializací a kabelovou televizi a Iteret. V abídce firmy LICA ajdete pøedevším optické a metalické kabely BELDEN CDT a související pøíslušeství. Jaroslav Doleèek Moderí uèebice elektroiky 3. díl Lektoøi: Ig. Jiøí Hozma Ig. Marti Hájek (kap. 8 Optická vláka) Bez pøedchozího písemého svoleí akladatelství esmí být kterákoli èást kopírováa ebo rozmožováa jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm ebo jiý postup), zadáa do iformaèího systému ebo pøeášea v jié formì èi jiými prostøedky. Autor a akladatelství epøejímají záruku za správost tištìých materiálù. Pøedkládaá zapojeí a iformace jsou zveøejìy bez ohledu a pøípadé patety tøetích osob. Nároky a odškodìí a základì zmì, chyb ebo vyecháí jsou zásadì vylouèey. Veškerá práva vyhrazea. Ig. Jaroslav Doleèek, 2005 Nakladatelství BEN techická literatura, Vìšíova 5, Praha 10 Jaroslav Doleèek, MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY BEN techická literatura, Praha 2005 ISBN 80-7300-184-5

STRUÈNÝ OBSAH obsah 1. dílu Základí pojmy, R, L, C 1 ZÁKLADNÍ ELEKTRICKÉ VELIÈINY A POJMY 2 IDEÁLNÍ ELEMENTÁRNÍ AKTIVNÍ A PASIVNÍ LINEÁRNÍ PRVKY 3 ODPOROVÉ OBVODY A VÝKONOVÉ PØIZPÙSOBENÍ 4 EKVIVALENCE PASIVNÍCH JEDNOBRANÙ 5 ANALÝZA LINEÁRNÍCH ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ 6 SLOŽENÉ JEDNOBRANY OBSAHUJÍCÍ IDEÁLNÍ OBVODOVÉ PRVKY 7 PØENOSOVÉ VLASTNOSTI DVOJBRANÙ 8 REÁLNÉ LINEÁRNÍ SOUÈÁSTKY ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ 9 PØÍLOHA MATICE A DETERMINANT obsah 2. dílu Polovodièe a elektroky 1 POLOVODIÈOVÉ SOUÈÁSTKY S JEDNÍM PØECHODEM PN 2 TRANZISTORY A POLOVODIÈOVÉ VÝKONOVÉ A SPÍNACÍ PRVKY 3 ELEKTRONKY 4 POLOVODIÈOVÉ SOUÈÁSTKY BEZ PØECHODU PN obsah 3. dílu Optoelektroika 1 O SVÌTLE 2 DIODY LED 3 LASEROVÉ DIODY 4 DETEKTORY SVÌTELNÉHO ZÁØENÍ 5 OPTOELEKTRONICKÉ VAZEBNÍ ÈLENY OPTRONY 6 ZOBRAZOVACÍ JEDNOTKY DISPLEJE 7 OBRAZOVÉ SENZORY 8 OPTICKÁ VLÁKNA

PODROBNÝ OBSAH O KNIZE... 8 1 O SVÌTLE... 11 1.1 Dvojí povaha optického záøeí... 12 1.1.1 Elektromagetická podstata optického záøeí... 12 1.1.2 Kvatová teorie optického záøeí... 12 1.1.3 Pricip geerováí optického záøeí... 13 1.1.4 Eergetické hladiy vodíku... 14 1.1.5 Pøímý a epøímý pøechod elektrou... 14 1.1.6 Lumiiscece... 15 2 DIODY LED... 17 2.1 Pricip diody led... 18 2.1.1 Dva typy PN pøechodù... 18 2.1.2 Barva vyzaøovaého svìtelého paprsku... 19 2.1.3 RGB a bílé LED diody... 20 2.1.4 Svítivost LED... 21 2.1.5 Kostrukèí uspoøádáí LED... 22 2.2 Dùležité parametry LED... 24 2.2.1 Vyzaøovací charakteristika... 25 2.2.2 Volba a astaveí pracovího bodu... 25 2.2.3 LED se zabudovaým rezistorem... 26 2.2.4 LED v impulzím režimu... 26 2.3 Pøíklady použití LED pro osvìtlováí... 27 3 LASEROVÉ DIODY... 29 3.1 Pricip laserové diody (LD)... 30 3.1.1 L-I charakteristika, prahový proud (Ith)... 31 3.2 Laserové diody VCSEL (Verticaly Cavity Surface Emittig Laser)... 32 3.3 Napájeí laserových diod... 33 3.3.1 Režimy èiosti LD... 33 3.4 Pouzdøeí laserových diod... 34 3.5 Praktické použití laserových diod... 35 4 J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 3. DÍL A

4 DETEKTORY SVÌTELNÉHO ZÁØENÍ... 37 4.1 Fotodioda... 38 4.1.1 Pricip fotodiody... 38 4.1.2 Optické charakteristiky fotodiody... 39 4.1.3 Pricipiálí zapojeí s fotodiodou... 41 4.1.4 Fotodioda PIN... 42 4.1.5 Schottkyho fotodioda... 43 4.1.6 Laviová fotodioda (avalache photodiode APD)... 43 4.2 Fototrazistor... 44 4.2.1 Fototrazistor v Darligtoovì zapojeí... 46 4.2.2 Uipolárí fototrazistor... 47 4.3 Fototyristor a fototriak... 47 4.4 Fotorezistory... 48 4.4.1 Hlaví vlastosti fotorezistorù... 49 4.4.2 Dùležité parametry fotorezistorù... 50 4.4.5 Provedeí fotorezistorù... 51 4.4.6 Výhody a evýhody použití fotorezistorù... 52 4.4.7 Pøíklady použití fotorezistorù... 52 5 OPTOELEKTRONICKÉ VAZEBNÍ ÈLENY OPTRONY, OPTOÈLENY... 55 5.1 Charakteristika optrou... 56 5.2 Aalogové optroy... 57 5.3 Optroy pro aplikace v logických obvodech... 58 5.3.1 Rùzé výstupy optroù... 58 5.4 Optroy s fotorezistorem... 61 5.5 Dùležité parametry optroù... 63 5.6 Pøíklady použití optoelektrických prvkù v sezorech... 64 5.7 Optroy v prostøedí støídavého sigálu... 67 6 ZOBRAZOVACÍ JEDNOTKY DISPLEJE... 69 6.1 Úvod a rozdìleí... 70 6.1.1 Požadovaé vlastosti zobrazovacích jedotek... 70 6.1.2 Volba velikosti zakù... 70 6.2 Zobrazovací jedotky s malou hustotou zobrazovaé iformace zobrazováí zakù... 71 6.2.1 Vakuová lumiisceèí zobrazovací jedotka [Vacuum Fluorescet display (VFD)], (katodolumiisceèí zobrazovací jedotka)... 72 6.2.2 Zobrazovací jedotky s LED diodami... 74 A J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 3. DÍL 5

6.2.3 Zobrazovací jedotky s malou hustotou iformace s kapalými krystaly LCD (Liquid Crystal Display)... 75 6.2.4 Elekrolumiisceèí jedotky (ELD)... 82 6.2.5 Zpùsoby buzeí zobrazovacích jedotek... 82 6.3 Displeje s velkou hustotou zobrazovaé iformace... 84 6.3.1 LCD displeje s aktivími maticemi (AM LCD)... 85 6.3.2 Plazmové displeje PDP (Plasma Display Pael)... 88 6.3.3 Displeje OLED (Orgaic Light Emittig Diodes)... 90 6.3.4 Variaty OLED a LCD displejù... 93 6.3.5 Displeje typu FED (Field Emissio Display displeje s plošou emisí)... 95 7 OBRAZOVÉ SENZORY... 97 7.1 Nábojovì vázaé obrazové sezory CCD... 98 7.1.1 Pricip CCD sezoru... 98 7.1.4 Super CCD... 102 7.2 Obrazové sezory CMOS... 102 7.2.1 Porováí techologie CCD s techologií CMOS... 104 7.2.2 Símáí barevého obrazu... 105 7.2.3 Zvýšeí úèiosti sezoru... 107 8 OPTICKÁ VLÁKNA... 109 8.1 Optický spoj... 111 8.2 Pricip uspoøádáí optického vláka... 112 8.2.1 Pricip pøeosu optického záøeí optickým vlákem... 112 8.2.2 Svìtlovody (light guides) kapaliové svìtlovody a svazkové svìtlovody (fiber optical budles)... 113 8.2.3 Typy optických vláke se skleìým ebo plastovým jádrem... 114 8.3 Hlaví parametry optických vláke... 117 8.3.1 Šíøka pásma optického vláka... 118 8.3.2 Numerická apertura NA... 118 8.3.3 Disperze... 119 8.3.4 Útlum svìtelého sigálu v optickém vláku... 120 8.3.5 Miimálí polomìr ohybu... 123 8.3.6 Obsah OH... 123 8.3.7 Parametr MFD (Mode Field Diameter)... 124 8.4 Jedovidová a mohovidová vláka... 125 8.4.1 Jedovidová vláka (Sigle Mode Fibers SMF)... 125 8.4.2 Mohovidová vláka (Multi Mode Fibers MMF)... 128 8.4.3 Porováí jedovidových a multividových vláke... 130 8.5 Hlaví typy vyrábìých mohovidových optických vláke se skokovou zmìou idexu lomu... 131 8.5.1 Mohovidová skleìá vláka se skokovou zmìou idexu lomu... 131 6 J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 3. DÍL A

8.5.2 Optická vláka HCS (HPCS) a PCS... 131 8.5.3 Polymerová optická vláka (POF Plastic Optical Fiber)... 133 8.5.4 Optická vláka pro pøeos optického záøeí v ifraèerveé oblasti... 134 8.5.5 Skleìá svìtlovodá dutá vláka (kapilárí)... 135 8.5.6 Kostrukce svazkù vláke... 135 8.6 Optické kabely... 136 8.6.1 Sekudárí ochraa optického vláka... 137 8.6.2 Materiály používaé pro výrobu optických vláke a kabelù... 137 8.6.3 Jedovlákové kabely kabely simplex... 138 8.6.4 Kabel duplex... 139 8.6.5 Vícevlákové kabely... 140 8.7 Optické spojovací a vazebí prvky... 141 8.7.1 Trvalé spoje... 142 8.7.2 Rozebíratelé spoje... 142 8.7.3 Spojky (coupler)... 143 8.8 Výhody a evýhody používáí optických vláke vùèi metalickým vlákùm pro pøeos dat... 144 8.9 Závìr... 145 DODATEK... 147 LITERATURA... 149 ODBORNÁ LITERATURA A ÈLÁNKY... 150 REJSTØÍK... 153 KNIHY NAKLADATELSTVÍ BEN TECHNICKÁ LITERATURA... 155 KONTAKTY NA PRODEJNY TECHNICKÉ LITERATURY... 159 A J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 3. DÍL 7

O KNIZE Optoelektroika je techická disciplía, která se zabývá zpùsoby zpracováí a praktického využití elektrických a optických sigálù. Miiaturizací a itegrací optoelektroických souèástek jsou vytváøey optoelektroické prvky obdobé elektroickým itegrovaým obvodùm, v optoelektroice pøejímá úlohu elektrického sigálu svazek svìtelých paprskù. Optické komuikaèí systémy mají poèátek a koci 18. století. V 90. letech tohoto století vyalezl fracouzský ižeýr Claude Chappe optický telegraf. Jeho systém sestával z možství semaforù amotovaých a vìžích, ze kterých obsluhy postupì sigalizovaly zprávy z vysílacího místa k pøíjemci iformace. Prví demostraèí pokusy v oblasti optiky a vedeí svìtla však lze datovat až do poloviy 19. století. Napø. v roce 1854 aglický fyzik Joh Tydall pøedvádìl britské královské uèeé spoleèosti vedeí svìtla proudem vody vytékajícím z ádoby, do které svítil zdrojem svìtla v podobì lampy. Realizoval takto vlastì prví umìle vytvoøeý optický vlovod. V roce 1880 patetoval Alexader Graham Bell optický telefoí systém, který azval fotofo ( Photophoe ). Jeho døívìjší vyález, telefo, však byl v té dobì mohem praktiètìjší. Uvažoval o pøeosu sigálù vzduchem, ale atmosféra eí pro pøeos svìtla tak spolehlivá jako dráty pro pøeos elektrického sigálu. Skuteèý rozvoj optické komuikaèí techiky byl umožì až poèátkem 70. let miulého století, kdy americká firma Corig Glass Work vyviula techologii výroby ízkoútlumových optických vláke. Prví vyrobeá vláka se vyzaèovala útlumem 20 db/km. Vývojem byla zdokoalea a útlum 0,2 db/km u souèasých špièkových výrobkù. V souèasé dobì eí útlum vláke limitujícím faktorem. Rostoucí ároky a možství a rychlost pøeosu iformací vyžadují, aby pøeosová rychlost vedeí vzrostla ad 10 Gb/s. Vìdci v laboratoøích Bell Labs vypoèítali maximálí možství iformací, které je možé pøeést pøes optická vláka za 1 sekudu. Pøes jedo optické vláko je teoreticky možé pøeést souèasì 100 terabitù iformací, èemuž odpovídá pøibližì 20 miliard jedostrákových zpráv. Souèasé optické systémy mohou pøeášet méì ež dva terabity iformací za sekudu. Komerèì bìžì dosahovaé rychlosti pøeosu jsou a úrovi 40 Gbitù za sekudu. 8 J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 3. DÍL A

Základími aplikacemi optoelektroiky jsou Optické komuikace vlovodé, atmosférické, kosmické; Optická výpoèetí techika optická a holografická propojeí souèástek a prvkù výpoèetího systému a spíáí (Zpùsob zobrazováí, založeý a iterfereci paprskových svazkù, tzv. holographic data storage systém, tedy systém pro holografické ukládáí dat, je schope a epatrém prostoru uchovat obrovské možství dat s vysokou pøístupovou rychlostí); Mìøicí a automatizaèí techika optické vysoce citlivé sezory; CD a DVD jedotky; Zobrazovací techika displeje; Rùzé lékaøské pøístroje a zaøízeí (apø. laserový skalpel); Ochraa dokumetù proti falšováí (holografie). A J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 3. DÍL 9

10 J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 3. DÍL A