Postupným rozvojem elektroniky vznikla celá řada odvětví elektroniky, mezi které patří i optoelektronika. Základem optoelektroniky je vzájemná interakce mezi elektricky nabitými částicemi (elektrony) a nenabitými částicemi (fotony). Zabývá se principy zpracování, přenosu a záznamu informací, které jsou založeny na změnách parametru záření (tj. intenzity záření, vlnové délky, fáze, směru a polarizace). Optoelektronický systém představuje soubor funkčních bloků, kde v cestě přenosu informace je zařazen optický prvek nebo obvod. Světelný signál zde pak plní funkci, která je analogická s funkcí běžných elektronických obvodů s elektrickým signálem. Poněvadž je optický signál zprostředkován pomocí fotonů, je méně ohrozitelný vnějšími rušivými vlivy. Optická soustava je tvořena převodníky elektrické energie na optickou (zdroje záření) a naopak (detektory záření) a optickými prostředími.

Detektory záření můžeme rozdělit na pasivní (např.fotoodpory), u kterých je ovlivňována jejich vodivost změnou parametrů záření, a aktivní (např.fotodiody, fototranzistory, fototyristory), u kterých vzniká fotoelektromotorické napětí.

Zdroje záření rozdělujeme podle monochromatičnosti na monochromatické, (např. LED) a nemonochromatické, podle koherence na koherentní (např. lasery) a nekoherentní (např. LED).

Vedle zdrojů a detektorů záření řadíme k optoelektronickým prvkům i speciální struktury, jako např.displeje, světlovody, optoelektronické vazební členy.

Charakteristické vlastnosti optoelektronické součástky jsou určeny spektrální charakteristikou, přechodovou charakteristikou, citlivosti, případně spektrální citlivostí. Spektrální charakteristika udává závislost citlivosti na vlnové délce, případně se udává vlnová délka záření, při níž je citlivost maximální. Přechodová charakteristika určuje časovou odezvu sledované veličiny (fotoproud, fotonapětí). Je definována časovou konstantou, resp. dobou náběhu a dobou doběhu. Citlivost vyjadřuje vztah mezi velikostí fotoelektrického proudu I, a osvětlením E

případně spektrální citlivost:

kde E_λ osvětlení zářením o určité vlnové délce λ. [1]

3.4.1 Fotorezistory

Fotorezistor definujeme jako lineární dvojpól, jehož odpor se mění v závislosti na osvětlení.

Obr: 3.31. VA charakteristika fotorezistoru (E₄ > E₃ > E₂ > E₁)

Fotorezistory mají poměrně pomalou odezvu na změnu osvětlení, která s mění s jeho velikostí. Při silném osvětleni reaguje rychleji (řádově 10^-3 s), při malém osvětleni trvá ustálení odporu až sekundy. Odpor ve tmě je přibližně 1 MW. Pro výrobu fotorezistoru se používá např. InSb , GdS. [1]

3.4.2 Fotodiody

Fotodiody využívají ke své činnosti generaci páru elektron-díra v blízkosti přechodu PN. Bude—li přechod PN v termodynamické rovnováze a zároveň bude na přechod a jeho okolí dopadat záření, zvýší se koncentrace minoritních nosičů v blízkosti obou stran depletiční vrstvy (ke generaci v depletiční  vrstvě  nedochází).

V  tomto případě dojde k difúznímu toku minoritních nosičů náboje do depletiční vrstvy. Přivedeme-li na přechod vnější napětí a necháme dále působit záření budou mít difúzní toky minoritních nosičů vyvolané osvětlením opačný smysl než difúzní toky vyvolané vnějším napětím (obr. 3.32.).

3.32. Rozložení koncentrace nosičů náboje na přechodu PN v termodynamické rovnováze při osvětlení

VA charakteristika fotodiody se při osvětlení liší od běžné diody tím, že neprochází počátkem a vykazuje proud v závěrném směru, který je úměrný osvětleni (obr. 3.33.).

3.33. VA fotodiody (E₂ > E₁)

Fotodioda může pracovat ve dvou režimech :

a) hradlovém, kdy dodává proud do připojené zátěže (obr. 3.34a)

b) odporovém, kdy se chová jako spotřebič v obvodu  napájeném  vnějším  zdrojem napětí (obr. 3.34b)

                                                                                       a)                                        b)

Obr: 3.34. Pracovní režim fotodiody:  a) hradlový  b) odporový

V hradlovém provozu lze nalézt takovou hodnotu Rz, při které je výkon P = UI na zátěži největší pro dané osvětlení (viz. šrafovaná oblast obr. 3.33.). V tomto režimu pracují např. tzv. sluneční baterie, které představují soustavu velkoplošných fotodiod. Účinnost je asi 12%.   Spektrální citlivost fotodiod závisí na druhu materiálu. Setrvačnost fotodiod je podstatně menší než u fotorezistorů a prakticky nezávisí na velikosti osvětlení (běžně 10 ms, speciální technologií kolem 10 ns, ještě kratší doby kolem 1ns u fotodiod struktury PIN nebo lavinových fotodiod). [1]

3.4.3 Fototranzistory

Fototranzistory využívají opět stejného principu jako fotodiody, jsou však citlivější na osvětleni, neboť navíc využívají tranzistorový jev pro zesílení proudu vyvolaného osvětlením přechodu báze - kolektor. V případě struktury PNP generuje dopadající zářeni v oblasti báze dvojice elektron - díra, přičemž elektrony se vlivem vnitřního elektrického pole pohybují směrem k emitorovému přechodu a díry ke kolektorovému přechodu. Díry jsou minoritními nosiči pro oblast kolektorového přechodu, a proto se přidávají k proudu kolektoru. V bázi zůstává objemový náboj majoritních nosičů (elektronů), který způsobuje pokles potenciální bariery emitorového přechodu a zesiluje tak injekci děr. Obr. 3.35. zobrazuje výstupní charakteristiky fototranzistoru.

Obr: 3.35. Výstupní charakteristiky fototranzistoru

Doba odezvy fototranzistorů je větší než u fotodiod (řádově desítky ms), vhodnou konstrukci lze však tuto dobu zkrátit. [1]

3.4.4 Fototyristory

Fototyristor je spínací čtyřvrstvová součástka, u které je sepnutí provedeno pomocí světelného signálu při ozářeni řídicího přechodu. Vypnutí tyristoru se provádí stejným způsobem jako u normálních tyristorů. Výhoda fototyristoru spočívá v tom, že může světelným signálem přímo spínat spotřebiče o velkém příkonu. [1]

3.4.5 Elektroluminiscenční diody

Elektroluminiscenční dioda (LED) je polovodičová součástka s jedním přechodem PN, u které se využívá zářivé rekombinace při polarizaci v propustném směru diody. Při zářivé rekombinaci dochází k zániku nerovnovážných (nadbytečných) nosičů (párů elektron—díra), přičemž elektron ztrácí svou energii a přechází na nižší energetickou hladinu. Tuto energii vyzáří jako světelné kvantum. U elektroluminiscenčních diod jsou nerovnovážné nosiče vstřikovány do prostředí, kde rekombinují, přes přechod PN. K samotné rekombinaci dochází nedaleko přechodu PN ve vzdálenosti přibližně rovné difúzní délce.

Záření opouští destičku polovodiče ve všech směrech, které jsou pro něj průhledné. Vlnová délka emitovaného zářeni (tedy i barva) závisí na materiálu polovodiče a jeho dotování příměsemi. Základním materiálem je GaAs. Diody z tohoto materiálu září v infračervené oblasti s maximem na vlnové délce asi 950 nm, přidáním fosforu se získají diody s červeným světlem. Diody GaP září červeným světlem o λ ≈ 583 nm). Diody svítící na kratších vlnových délkách (modré, fialové) bývají konstruovány na bázi heteropřechodů, u kterých části P a N přechodu PN jsou z různých materiálů a mají tedy různé šířky zakázaného pásma. Největší účinnost mají diody pracující v infračervené oblasti (přemění až 5% příkonu na výkon záření).

Elektroluminiscenční diody mají využití např. v signálních obvodech, v displejích, v silnoproudé elektrotechnice pro ovládání bezkontaktních spínačů, jako součást optronů k izolačnímu odděleni silových a řídicích obvodů apod. [1]

3.4.6 Polovodičové lasery

Polovodičové lasery (laserové diody) vydávají na rozdíl od elektroluminiscenčnich diod monochromatické časově i prostorově koherentní záření. Podstatou laserů je stimulovaná emise mezi dvěma hladinami. Podstatný rozdíl proti elektroluminiscenční diodě, která využívá emisi  spontánní, je uplatnění jevu stimulované emise. Celý problém si lze představit tak, že elektron, který je např. ve vodivostním pásmu nerekombinuje samovolně, ale až po dopadu fotonu, který rekombinaci vyvolá, přičemž tento foton není pohlcen a navíc se vyzáří další foton následkem rekombinace. Aby se ze zesilovače záření stal zdroj záření, je nutno zavést kladnou zpětnou vazbu pomocí dvou zrcadel. Při spontánní emisi dochází k rekombinaci párů elektron-díra v různou dobu a emitovaná záření jsou navzájem fázově posunuta (nekoherentní). V případě stimulované emise elektrony rekombinují najednou a fázový posun nenastane (koherence).

3.4.7 Světlovody

Přenosový systém s optickou vazbou musí obsahovat vedle zdroje a detektoru i přenosové prostředí s parametry málo závislými na vnějších podmínkách. Protože atmosféra se jeví nespolehlivým přenosovým prostředím, používají se optické světlovody, které můžeme rozdělit podle provedení na planární dielektrické světlovody (přenos na krátké vzdálenosti) a vláknové světlovody (přenos na velké vzdálenosti). Planární světlovody se vyrábějí z dielektrických materiálů (např. sklo, granáty, organické látky aj.) a z polovodičových materiálů (např. GaAlAs, GaAsInP, GdS, aj. ) napařováním, naprašováním, difúzí, epitaxními metodami a iontovou implantací. Tvoří základ mnoha optoelektronických soustav (např. modulátorů, kmitočtových filtrů, generátorů zářeni aj.).

Vláknové světlovody se vyrábějí na bázi křemene, speciálních velmi čistých skel, některých druhů plastů nebo kombinace křemene a plastu. Používají se především ve spojových linkách optických komunikačních soustav. Perspektivní se jeví jejich použití pro přenos řídicích signálů ve výkonových polovodičových systémech. [1]

3.4.8 Optoelektronické vazební členy - optrony

Základem optronu je optronová dvojice, tvořená kombinací zdroje záření a detektoru. Jako zdroj světla se nejčastěji používá luminiscenční  dioda a detektor záření tvoří fototranzistor, i když mohou být využity i další optoelektronické prvky (fotoodpor, fotodioda, fototyristor). Podle optické vazby rozlišujeme tyto základní typy optronů. Výhodou tohoto uspořádání je dokonalé galvanické oddělení vstupu a výstupu, což se využívá v řadě aplikací. Vlastnosti optronu určují i následující parametry :

1) proudový přenos - poměr výstupního proudu ke vstupnímu při zadaném pracovním napětí detektronu, zátěži a teplotě

2) spínací doba - doba, určená při odezvě na jednotkový vstupní signál

3) kapacita optronu - kapacita mezi vstupními a výstupními svorkami při zvoleném pevném kmitočtu

4) průrazné napětí (izolační pevnost) - napětí, při kterém dochází ke ztrátě izolačních vlastností [1]

3.4.9 Zobrazovací jednotky

Zobrazovací jednotky (displeje) jsou součástky, které slouží k optickému znázorněni znaku a poskytují pozorovateli určitou vizuální informaci. Můžeme je rozdělit do dvou skupin :

a) s malou hustotou informace - alfanumerické displeje zobrazující číslice, písmena, znaky

b) s velkou hustotou informace - televizní, osciloskopické obrazovky,  světelné noviny. Mezi základní kriteria pro určení vhodnosti  zobrazovací jednotky pro danou aplikaci patří zejména :

1) viditelnost, která určuje snadnost čtení informace, je dána jasem, kontrastem, barvou apod.

2) spotřeba, která má být co nejmenší

3) rychlost odezvy, která určuje dobu potřebnou k vytvoření resp. zániku symbolu.

Zobrazovací jednotky mohou využívat různé optoelektronické prvky jako např. elektroluminiscenční diody, kapalné krystaly, digitrony apod.

1) Zobrazovací jednotky s elektroluminiscenčními diodami - tyto zobrazovací jednotky využívají vlastnosti elektroluminiscenčnich diod v propustném směru, které mohou být uspořádány buď ve formě segmentů nebo do bodové matice. Segment tvoří buď jedna dioda, případně může být složen z více diod. Anody všech diod bývají spojeny, což umožňuje přímé navázáni jednotky na integrovaný dekodér.

2) Zobrazovací jednotky s plynem plněnými indikátory - využívají vlastností plynem plněného indikátoru, což je v podstatě doutnavka, jejíž katody jsou zformovány do tvaru číslic nebo jiných znaků a jsou vyvedeny na patici. Anodu tvoři tenká kovová mřížka s velkou rozteči ok, přes kterou lze pozorovat znaky vytvořené katodami. Nevýhodou je potřeba poměrně vysokého napájecího napětí a vysoká spotřeba celého displeje.

3) Fluorescenční zobrazovací jednotky - tyto jednotky jsou v podstatě vakuové elektronky se společnou katodou a řadou vhodně tvarovaných anod, které jsou opatřeny fosforem a svítí při dopadu elektronů fluorescenčním světlem (obvykle zelené). Konstruují se převážně jako vícemístné a pro zmenšení počtu vývodů se využívají v tzv. multiplexním režimu. K tomu má pak každá číslice vyvedenou mřížku, pomocí které lze potlačit anodový proud příslušné číslice. Anodové napětí bývá kolem 20 V, žhavicí 1,5 V a řídicí asi 6 V.

4) Zobrazovací jednotky s kapalnými krystaly - využívají změny odrazu nebo prostupu světla na nematických kapalných krystalech. Kapalné krystaly jsou látky, které si v kapalném stavu zachovávají uspořádáni krystalické mřížky. Vlivem elektrického pole mění své optické vlastnosti, a to průhlednost nebo i zabarvení. Obvykle pracují v režimu dynamického rozptylu, tzn. že přiložením napětí o kmitočtu řádově desítek Hz se rozvíří kapalina indikátoru, čímž se sníží propustnost světla a zvýší odrazivost. Tento jev vzniká natočením molekul v důsledku působení vnějšího elektrického pole. Zobrazovací jednotka s kapalnými krystaly má pasivní vlastnosti (není zdrojem světla), jen pohlcuje nebo odráží světelné paprsky z vnějšího zdroje. Zobrazovací jednotka je vytvořena ve tvaru dvou rovnoběžných skleněných destiček, jejichž vzdálenost je asi 20 mm. Mezi destičkami je uzavřen kapalný krystal v nematické fázi. Přední stěna destičky je opatřena průhlednými segmenty alfanumerické číslicové jednotky z průhledného vodivého kysličníku kovu. Zadní destička je pokryta neprůhlednou vrstvou jiného kovu po celé ploše. Bez přiloženého vnějšího napětí vykazuje celá jednotka stejné optické vlastnosti a je průhledná. Přiložením napětí mezi elektrody dojde v místech působení elektrického pole k rozvíření kapaliny a ke zvýšení odrazivosti světla. Symbol nelze sledovat, nedopadá-li na něj světlo. Výhodou je extrémně nízký příkon. Nevýhodou je potřeba cizího světelného zdroje, malý kontrast zobrazení, velká doba odezvy (desítky ms), potřeba spínáni střídavého napětí pro každý zobrazovací element. [1]