Недостатки ОЭ

Достоинства оптической обработки и передачи сигналов

Введение

Высокочастотность. Частота оптических колебаний на 3-5 порядков выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне, — это значит, что во столько же раз возрастает и пропускная способность оптического канала передачи информации.

Острая фокусировка. Согласно дифракционной теории поток излучения принципиально может быть сфокусирован до пятна с поперечным линейным размером около λ/2; таков же и минимальный шаг дискретности оптических воздействий. Это значит, что максимальная плотность записи оптической информации может достигать 4/λ2, т. е. 109…1010 бит/см2.

Направленность. Угловая расходимость луча, обусловленная фундаментальными дифракционными пределами, α=λ/А, где А – апертура излучателя. Вследствие малости λ 6 при практически реализуемых значениях А удается снизить α до уровня десятков и единиц угловых секунд.

Развязка. Использование в качестве носителя информации электрически нейтральных фотонов обуславливает бесконтактность оптической связи. Отсюда следует идеальная электрическая развязка входа и выхода; однонаправленность потока информации и отсутствие обратной реакции приемника на источник; помехозащищенность оптических каналов связи; скрытность передачи информации по оптическому каналу связи.

Визуализация. ОЭ, охватывающая видимый диапазон электромагнитного спектра, позволяет преобразовывать информацию, представленную в электрической форме, в зрительную, т. е. в форму, наиболее удобную для восприятия.

Фоточувствительность. Это свойство делает возможным восприятие образов, т. е. преобразование поля излучения в адекватное ему электрическое информационное воз-действие (обычно в видеосигнал). При этом в отличие от человеческого глаза оптоэлектронный прибор может «видеть» предметы в любой требуемой области оптического спектра.

Пространственная модуляция. Электрическая нейтральность фотонов обуславливает невзаимодействие (несмешиваемость) отдельных электрических потоков. Вследствие этого, в отличие от электрического тока, поток фотонов может быть промодулирован не только во времени, но и в пространстве, что открывает огромные возможности для параллельной обработки информации – непременного условия создания сверхпроизводительных вычислительных систем.

Спецификация ОЭ обуславливает и ряд недостатков, присущих оптоэлектронным приборам.

Неудовлетворительная энергетика. Коэффициент полезного действия преобразований вида E→L и L→E в лучших современных приборах (лазеры, светодиоды, p-i-n-фотодиоды), как правило, не превышает 10…20%. Поэтому если в устройстве осуществляются эти преобразования лишь дважды (на входе и на выходе), как, например, в оптопарах или в волоконно оптических линиях связи (ВОЛС), то общий КПД падает до единиц процентов; введение каждого дополнительного акта преобразования информационных сигналов из одной формы в другую ведет к уменьшению КПД еще на порядок или более. Низкое значение КПД вызывает рост энергопотребления, что недопустимо из-за ограниченных возможностей источников питания; затрудняет миниатюризацию, поскольку практически не удается отвести выделяющееся тепло; снижает эффективность и надежность большинства оптоэлектронных приборов.

Необходимо отметить, что в отдельных экспериментальных излучателей и фотоприемников удается получить внутренний КПД, свойственный активной области полупроводниковой структуры, близким к 100%, что свидетельствует о принципиальной возможности преодоления данного недостатка.

Гибридность. Составляющие оптоэлектронное устройство отдельные элементы и приборы, как правило, изготавливаются из различных материалов. Например, в оптопаре это арсенид галлия (излучатель), полимерный оптический клей, кремний (фотоприемник); в ВОЛС к этим материалам добавляется кварц (световод). Еще более «пестрая» картина в сложных оптоэлектронных системах. Так, голографическое запоминающее устройство (ЗУ) включает гелийнеоновую смесь (лазер), стекло, кварц (согласующие оптические элементы), ниобат лития (модулятор, дефлектор), фотоэмульсию (регистрирующая пластинка), кремний (фотоприемник).

Наличие разнородных материалов обуславливает: низкий общий КПД устройства из-за поглощения излучения в пассивных областях структур, отражения и рассеяния на оптических границах; снижение надежности из-за различия коэффициентов температурного расширения материалов, разъюстировки при механических воздействиях, сложности общей герметизации устройства; технологическую сложность и высокую стоимость.

Замечу, что в традиционной микроэлектронике эти недостатки предопределили доминирование монолитных интегральных микросхем над гибридными.

Деградация. Здесь это понятие используется в широком смысле как снижение эффективности оптоэлектронных приборов при воздействии температуры θ, проникающей радиации R, а также при долговременной работе Д. Принципиальная особенность оптоэлектронных преобразований и процессов распространения излучения в веществе (обусловленная малостью длины волны света) состоит в их исключительно высокой чувствительности к нарушениям оптической однородности материалов и даже к субмикронным включениям. К появлению таких дефектов и ведут θ, R и Д воздействия. Практически для всех видов излучателей имеет место уменьшение мощности излучения при повышении температуры; у фотоприемников происходит возрастание темновых токов и и уровня шумов. Так же проявляется воздействие проникающей радиации (быстрые электроны, протоны, α-частицы, нейтроны, γ-кванты), с той разницей, что возникающие разрушения необратимы. Степень деградации физических свойств оптоэлектронного прибора при длительной работе зависит от его технологического совершенства, однако всегда неизбежно помутнение оптических сред и ухудшение светопропускания на границах разнородных материалов.

Сопоставление перечисленных достоинств и недостатков, значимость первых и возможность преодоления (хотя бы частично) вторых позволяет сделать общий оптимистичный вывод об огромных возможностях ОЭ.

Разнообразие физических эффектов предопределило большое количество различных оптоэлектронных систем. Ниже рассмотрены основные из них.

Волоконнооптические линии связи (ВОЛС) – устройства и системы, основу которых составляет гибкий волоконнооптический световод (в виде кабеля), сочлененный с излучателем на одном (передающем) конце и с фотоприемником – на другом (приемном). Они выполняют функции линий связи и передачи данных: это сверхкороткие линии (до 1 м) для обмена информацией в высоковольтной аппаратуре; короткие бортовые и внутриобъектовые ВОЛС (5…1000 м); линии средней протяженности (1…20 км), составляющие основу локальных вычислительных систем (ЛВС) и разветвленных внутригородских АТС; магистральные ВОЛС длиной в тысячи километров, в том числе меж- и трансконтинентальные, а также подводные.

Оптическая вычислительная техника (ОВТ) – комплекс оптоэлектронных аппаратных средств, позволяющих эффективно осуществлять математические и логические действия с информацией, представленной в оптической форме. Алгоритмическая основа этого направления связана со способностью линейных оптических систем осуществлять некоторые аналоговые математические преобразования (в частности, двумерное интегральное преобразование Фурье и операцию свертки), а также параллельную обработку больших массивов цифровой информации.

На этой основе проектируются оптические аналоговые и цифровые процессоры, но реальные успехи пока еще незначительны. Принципиальным конструктивно-технологическим достижением, способным видоизменить ОВТ, является интегральная оптика, в рамках которой создаются приборы и устройства на основе тонкопленочных плоских диэлектрических волноводов.

Оптическая память основана на ЗУ, в которых на носитель записывается информация, представленная в оптической форме. Высокая плотность записи обуславливает перспективность этих устройств в архивных ЗУ ЭВМ и информационнопоисковых систем, к которым многократно обращается большое число пользователей. Дополнительные достоинства оптической памяти – это большой срок хранения информации и двумерных об-разов. Физической основойоптической памяти является тепловое воздействие на вещество лазерного луча, иногда голографические эффекты. Проводятся исследования ЗУ с параллельной записью массивов информации на фотопластинках в виде голограмм.

Оптопары или элементы гальванической развязки, представляющие собой приборы, в которых излучатель связан с фотоприемником оптически и развязан электрически. Оптопары широко используются в микроэлектронной и электротехнической аппаратуре для обеспечения электрической развязки при передаче информационных сигналов, бесконтактной коммутации сильноточных и высоковольтных цепей и создания перестраиваемых фотоприемников, в устройствах контроля и регулирования.

Индикаторы – электрически управляемые приборы для систем визуального отображения информации. Развитие индикаторной техники подошло к созданию плоских экранов телевизионного типа. Физическую основу приборов индикаторного типа составляют разные виды электролюминесценции (для приборов с активным светящимся растром) и электро оптические явления (для приборов с пассивным растром).

Формирователи сигналов изображений (ФСИ) или формирователи видеосигналов (ФВС) – приборы, предназначенные для преобразования образов (изображений) в адекватную им последовательность электрических сигналов.

Прочие оптоэлектронные приборы. К ним следует отнести солнечные преобразователи, оптические модуляторы и другие.

В рамках курса «Физические основы оптоэлектроники» будут рассмотрены цифровые системы обработки и передачи информации – ВОЛС, ОВТ и оптическая память. Активные компоненты оптических систем – излучатели, фотоприемники и оптопары – рас-смотрены в курсе «Квантовая и оптическая электроника». Последние из перечисленных элементов оптоэлектроники входят в состав курса «Ультразвуковые и электромагнитные излучения».

1 Основные сведения о ВОЛС

Дата добавления: 2014-01-07