Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Литература'
Счета бухгалтерского учета это вторичная регистрация хозяйственных операций, совершенных в организации. При этом используется способ двойной записи, ...полностью>>
'Документ'
Відповідно до статей 2, 22, 39 Закону України «Про місцеві державні адміністрації», Закону України «Про оздоровлення та відпочинок дітей», районної Ц...полностью>>
'Программа дисциплины'
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»Программа дисциплины [Введите название дисциплины] для направления/ специальности [...полностью>>
'Курсовая'
* Урок проводится после повторения тем «Типы текста», «Стили речи», «Особенности написания сочинений разных жанров», «Предложения с обособленными член...полностью>>

Оптические устройства

Главная > Документ
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Оптические устройства.

Последние достижения в области квантовой электроники, голографической техники и техники оптических сред, обеспечившие создание оптических управляемых транспарантов (УТО) и оптических реверсивных сред, создали предпосылки для разработки и построения оптических процессоров, качественно отличающихся от электронных по своим функциональным структурам и возможностям.

В электронных вычислительных машинах носителем информации является электрический ток, а средством запоминания и обработки информации являются электрические схемы, следовательно, за время тактирования с помощью тока передается только один бит информации и через схемы реализуются строго заданные операции, т.е. в ходе использования схем нельзя изменять виды выполняемых операций. Это привело к созданию специализированных логических и функциональных схем и блоков, например, сумматор, счетчик, регистр, дешифратор и т.д.

Эти схемы и блоки являются основными элементами ЭВМ. Практически невозможно создать большое число подобных схем и блоков специального назначения. Поэтому в ЭВМ используется весьма ограниченный набор разновидных базисных операций. Под базисной операцией понимается операция, реализуемая аппаратно без программного управления. В результате этого различные операции на ЭВМ решаются с помощью последовательностей ограниченного набора базисных операций. Это приводит к неэффективному использованию имеющегося быстродействия и объёма памяти ЭВМ. Например, для отображения информации в объёме всего 20 условных динамических символов в реальном масштабе времени требуется быстродействие ЭВМ свыше операций сложения в секунду или, например, вести в реальном масштабе времени анализ и распознавание речевых сигналов на современных ЭВМ вообще невозможно, не хватает быстродействия.

В отличие от электронных, в оптическом процессоре носителем информации является пучок света, а средствами запоминания и обработки информации являются реверсивные среды и оптически управляемые транспаранты.

Поэтому в оптическом процессоре возможно:

– через один пучок света передавать информацию за время одного тактирования в объёме 104÷106 бит; это обеспечивается возможностью пространственной модуляции луча света;

– хранить информацию не только в виде побитового или аналогового сигнала, но и в виде голограмм;

– обрабатывать информацию параллельно в объёме 104÷106 бит в одном пучке света;

– изменять или образовывать путем вычисления виды выполняемых операций в ходе использования оптического процессора; такая гибкость обеспечивает эффективное решение самых разнообразных задач.

Преимуществом у оптического процессора много и прежде всего к ним следует отнести:

– простота выполнения операций объединения и пересечения в двумерном пространстве;

– устойчива защита от помех при пересечении оптических пучков (каналов) связи в воздухе;

– отсутствие проводной связи и коммутации, что исключает появление паразитных емкостей и отпадает необходимость в пайке, электрических разъемах и пр.;

– использование третьего измерения для ввода-вывода информации в оптоэлектронных чипах создает дополнительные возможности, которым у электронных соединений нет никаких аналогов;

– при линейных размерах изображения 1см, разрешении 3мкм и длине оптической системы порядка 30 см (давно доступные оптикам технологические нормы) можно получить в оптоэлектронном компьютере производительность порядка 1016элементарных операций в секунду, причем быстродействие может значительно превзойти эту цифру при использовании фотон – электрон – атомной(кластерной) элементной базы;

– оптическая система ничего не излучает во внешнюю среду, обеспечивая защиту компьютера от перехвата информации. И обратно, оптическая система надежно защищена от сторонних электромагнитных наводок;

– еще одно универсальное свойство оптических систем: в прозрачной среде информация, закодированная оптическим лучом, может обрабатываться без затрат энергии. Естественно, закон сохранения энергии при этом не нарушается.

Работу оптического логического элемента поясним на следующем примере. Пусть между двумя металлическими прозрачными электродами 1 и 2 находится полупрозрачный материал 3, который пропускает свет только при наличии определенной разности потенциалов на электродах.

В средине пластины разместим еще один управляющий электрод 4. Электрические сигналы, подаваемые на электроды, обозначим соответственнох1, х2, х4,а оптические выходные сигналы элемента обозначимy1иy2.Сверху элемент освещается лучом света L. Очевидно, что для выходного сигналаy1 среда будет прозрачной только тогда, когда один из входных сигналовх1 илих2будет равен «1», а другой равен «0», т.е. можно записать:

Значение сигналаy2зависит от того, какой сигнал присутствует на управляющем электродеx4. Если x4=0, то для сигналаy2 среда будет прозрачна только в случае, когда x1=x2=1, то естьy21х2.

Если же x4 =1, то очевидно, что.

Таким образом, рассмотренный оптический элементы выполняет логические операции сложения с инверсией, умножения и сложения по модулю 2 (неравнозначность). Из подобных элементов составляются так называемые оптические управляемые транспаранты (УТО), которые являются основой для построения оптического процессора. Структурная схема оптического процессора может быть следующей:

Здесь обозначено:

1 – память (набор УТО или голограмма);

2 – операционная пластина (УТО);

3 – коммутационная пластина (УТО);

4 – распределительная пластина (УТО);

5 – детектор (УТО, ранее использовались линзы);

6 – буферное запоминающее устройство (УТО или голограмма).

Как видим, на всех этапах обработки информации здесь в основном используются оптические управляемые транспаранты, а при больших объемах памяти – голограммы.

В оптических устройствах принципиально возможны два способа записи информации: побитовый и голографический. В первом случае любому элементарному участку информационного носителя (пластины УТО) соответствует один бит информации. Во втором случае вся поверхность некоторого участка носителя равномерно обеспечивает хранение массива информации, т.е. любая область, входящая в этот участок, хранит с той или иной достоверностью информацию обо всем массиве сразу.

Для побитовой записи информации можно использовать любой источник излучения. Однако более предпочтительным являются источник когерентного света – лазер, плотность потока энергии и возможность фокусировки излучения которого многократно превосходят соответствующие параметры всех других источников.

Голографическая запись – это представление информации в интерференционной форме. Здесь обязательно требуется использование когерентного источника излучения, и предъявляются определенные требования к степени его пространственной и временной когерентности. Информационную нагрузку при голографической записи несет один из двух световых пучков, на которые делится световой поток источника излучения, - его называютсигнальным или объектным. Пространственная структура сигнального излучения, т.е. характер распределения энергии в плоскости поперечного сечения пучка, однозначно связана с емкостью массива, записываемого на носитель, и распределением в нем информации. Оба пучка – информационный (сигнальный) и вспомогательный (опорный) – интерферируют в плоскости носителя информации.

Оптические запоминающие элементы.

Ряд важнейших особенностей оптической памяти связан с видом информационного носителя и характером происходящих в нем процессов при записи и считывании информации.

Фотохромные материалы.

Информационные носители этого типа работают на основе фотохромного эффекта, который заключается в изменении окраски или прозрачности вещества (органических полимеров, неорганических стекол) под действием светового излучения (сигнала) в определенном диапазоне длин волн. Фотохромные материалы обычно темнеют при облучении коротковолновым видимым или ультрафиолетовым светом и «отбеливаются» при облучении инфракрасным светом. Соответствующие воздействия могут быть реализованы при записи, стирании и считывании информации, т.е. фотохромный эффект позволяет осуществлять многократные обращения к одному и тому же участку материала, что может быть использовано для создания оперативной и долговременной памяти, а также оптических управляемых транспарантов.

Фотохромный эффект связан со стимулированием светом переносом зарядов от одних примесных центров к другим. В результате освещения генерируются носители зарядов, которые дрейфуют или диффундируют в менее освещенные области, где захватывается ловушками. Создаваемые ими локальные поля изменяют показатель преломления кристалла. Фотохромные материалы отличаются исключительно высоким разрешением, которое определяется размерами отдельных привесных центров (молекул). Разрешающая способность органических фотохромов более 3000 линий намм, поэтому площадь информационного бита может быть доведена до кв. мкм.

Кроме органических фотохромов применяют «мягкие» электрические кристаллы, например, барий-стронциевогониобата или фториды типа GaF2 с присадками редкоземельных элементов. Столь же высокой разрешающей способностью обладают и аморфные полупроводники, в которых под действием излучения происходит обратимый переход от аморфной к поликристаллической фазе, в результате чего изменяются спектральные характеристики полупроводника.

Структуры сегнетоэлектрик-фотопроводник.

При освещении лазером поверхности некоторых сегнетоэлектриков (например, ниобата лития LiNbC3 или титаната бария BaTiO3) наблюдается изменение показателя преломления среды. Этот эффект используется для оптической записи. Стирание записанной информации производится либо нагревом, либо освещением носителя. Такие носители информации часто имеют многослойную структуру:

Между двумя прозрачными электродами 1 и 2расположены фотопроводник 3 и сегнетоэлектрик 4.

Сегнетоэлектриками называется группа кристаллических диэлектриков состоящих из микроскопических областей – доменов, поляризованных в различных направлениях. Свое название получили от сегнетовой соли NaKC4H4O6 ˑ 4H3O.

Для записи информации к электродам прикладывается напряжение. На тех участках, где фотопроводящий слой освещен (запись «1») слой сегнетоэлектрика оказывается под воздействием электрического поля, достаточного для переориентации доменов и, следовательно, разворота вектора поляризации, происходит изменение направления поляризации. Считывание записанной информации может быть либо оптическим (за счет электрооптического эффекта), либо электрическим (за счет перезарядки считываемых ячеек), но в последнем случае при считывании записанная информация разрушается. Стирание информации производится так же, как и запись, но при этом освещается весь элемент, а напряжение, прикладываемое к электродам, имеет противоположную полярность.

МДП – структура.

Информационный носитель такого типа имеет следующую структуру:

Между двумя прозрачными электродами 1 и 2 расположены два слоя диэлектрика 3 и 4 и один слой полупроводника. Прозрачные электроды играют роль пластин конденсатора, на которые подано постоянное напряжение. В качестве записывающей световой волны используют излучение с энергией фотонов больше ширины запрещенной зоны полупроводника. Поглощение фотонов приводит к рождению электронно-дырочных пар, так как часть электронов покидает валентную зону и переходит в зону проводимости. Поле конденсатора разделяет электроны и дырки: электроны устремляются к положительному электроду, а дырки – к отрицательному. В результате происходит экранировка поля в освещенных областях полупроводника, создаваемый носителями пространственный заряд компенсирует заряд на электродах, а следовательно, и электрическое поле внутри полупроводника, напряженность поля в этих областях существенно уменьшается. Для считывания записанной информации используют электрооптический эффект – зависимость показателей преломления света в полупроводнике от напряженности электрического поля. МДП – структура обладает весьма высокой чувствительностью до и достаточно высокой разрешающей способностью до 1000 линий на мм. Быстродействие определяется временем дрейфа дырок и электронов через полупроводник. При подвижности носителей тока равной , толщине слоя полупроводника 10 мкм и напряжённости поля конденсатора 100 время дрейфа оказывается равным .

Фототермопластичные пленки.

Это специфические прозрачные диэлектрики (например: полистирен), размягчающиеся при невысоких температурах (500÷1000 С). Оптически сигнал фиксируется на поверхности термопластика в виде определенной картины рельефа, соответствующей распределению света в процессе записи. Фототермопластичный элемент состоит из прозрачной подложки 1 (стекло), на которую нанесен прозрачный электрод 2, выше которого расположены фотопроводящий слой полупроводника 3 и термопластичный полимерный слой 4.

Процесс записи оптического сигнала происходит в несколько этапов:

1). С помощью короткого разряда поверхность термопластика равномерно заряжается, между термопластиком 4 и общим электродом 2 возникает электрическое поле.

2). Экспонирование – на элемент направляют записывающий световой поток, несущий информацию. На освещенных участках фотопроводящего слоя 3 значительно увеличивается проводимость, и носители заряда с электрода 2 устремляются к поверхности термопластика.Расстояние между объемными зарядами уменьшается и, следовательно, напряженность электрического поля возрастает. Таким образом, распределение интенсивности света (оптическое изображение) преобразуется в распределение заряда на слое термопластика.

3). Проявление. Среда быстро нагревается до температуры размягчения термопластика.Электрические силы вызывают деформацию слоя термопластика. В соответствии с распределением электрических зарядов образуется определенный рельеф, который повторяет исходное оптическое изображение.

4).Закрепление. При охлаждении термопластика рельеф фиксируется и может сохраняться весьма длительное время.

Стирание информации с фототермопластичного элемента осуществляется его нагревом до температуры, соответствующей размягчению термопластика. Поверхность термопластика выравнивается за счет поверхностного натяжения, и он оказывается пригодным для повторной записи. При толщине структуры 0,2 – 0,4 мкм чувствительность к записи составляет около 10-4 дм/см2, а разрешающая способность – до 2000 линий/мм.

Оптические диски.

С середины 80-х годов широко внедряются в практику оптические ЗУ, носителем информации в которых является оптический диск. На поверхности оптического диска сфокусированным лучом лазера оставляются метки микронных размеров. Обычно применяется полупроводниковый лазер, излучающий в ближней инфракрасной области спектра. Мощность излучения лазера выбирается при записи такой, чтобы метка образовалась за десятки наносекунд. Этим достигается высокая скорость записи и отсутствие «размазывания» метки вдоль дорожки при вращении диска.

Важнейшей частью оптического диска является оптическая среда, покрывающая его поверхность. Разработано много различных сред и методов создания на них меток. Наиболее простой и распространенный метод записи – прожигание микроотверстий в тонкой пленке металла, обычно теллура. В месте фокусировки луча лазера пленка металла локально разогревается до плавления и в ней образуется сквозное отверстие. Толщина пленки около 0,05 мкм, диаметр получаемого в ней отверстия около 0,5 мкм. Наличие или отсутствие в данное точке носителя прожженного участка эквивалентно двоичной «1» или «0». По диску-оригиналу может исполняться матрица и с ее помощью тиражируются диски-копии.

При считывании информации на диск направляется луч того же лазера, но ослабленного по мощности настолько, что она не вызывает разрушения среды. Этот луч, «ощупывая» вращающийся диск, по-разному отражается от меток и промежутка между ними. В результате отраженный луч оказывается промодулированным по амплитуде. Оптическая система направляет этот луч на фотоприемник, в котором световые «вспышки» преобразуются в электрические сигналы.

Оптические диски характеризуются высокой плотностью записи. Минимальный размер выжигаемой метки близок к длине волны  лазерного излучения. Это значит, что площадь метки не может быть меньше2. А плотность записи определяется величиной, обратной этой площади, т.е. 1/ 2 , что для полупроводникового лазера дает, например,1,5  108бит/см2. Это разумеется, теоретически, а на практике плотность записи достигает 2  107бит/см2. Линейная плотность записи вдоль дорожки около 104бит/см. Число дорожек велико, поперечная плотность записи достигает 650 дорожек/мм. Например, стеклянный диск с металлическим покрытием, выпускаемый фирмой «HitachiLtd» (Япония) имеет 41300 дорожек и только на одной лишь стороне можно записать 1310Мбайт информации, что примерно соответствует 700 000 страниц текста формата А4. В накопителях может одновременно использоваться до 100 оптических дисков, и емкость таких накопителей превышает 1013бит информации. Такая память весьма перспективна для хранения больших массивов информации и в наиболее полной мере удовлетворяет требованиям архивности. Основной недостаток таких ЗУ – большое время поиска информации на оптическом диске из-за невозможности достижения высокой скорости перемещения сравнительно массивной оптической головки для записи и считывания при большой поперечной плотности дорожек. Точность позиционирования оптической головки должна быть не менее 0,1 мкм.

Повышенный интерес вызывают у пользователей диски с возможностью перезаписи информации. Проблема реверсивности носителя, т.е. его пригодности для многократной перезаписи информации, возникла с самого начала появления оптических дисковых накопителей и остается по сей день. Применяются оптические диски, в которых при записи лазерным лучом материал из кристаллического состояния с высоким коэффициентом отражения переходит в аморфное состояние с низким коэффициентом отражения. В процессе стирания – обратный переход. Допускается до 1 млн. циклов перезаписи. Разработаны и внедряются в практику реверсивные оптические диски, в которых при записи и считывании информации используются магнитооптические явления.

Магнитооптические носители информации.

Это носители, у которых запись или считывание информации выполняется с помощью луча света, а хранение и представление информации – с помощью магнитных состояний.

Обычно в магнитооптическихЗУ используют пленочные ферромагнитные материалы, где запись осуществляется локальным нагревом участка среды до температуры, при которой может произойти перемагничивание. Наиболее распространена запись с нагревом до температуры, близкой к точке Кюри. Известно, что температура Кюри k для ферромагнетиков является точкой фазового перехода второго рода, т.е. перехода, который не сопровождается скачкообразным изменением внутренней энергии и отсутствует выделение (или поглощение) тепла. При этой температуре теряются ферромагнитные свойства кристаллов, в частности разбивка ферроматнитного тела на домены – малые области самопроизвольной намагниченности. Выше точки Кюри материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Парамагнитные свойства обусловлены спиковыми магнитными моментами электронов. При внесении парамагнитного материала во внешнее однородное магнитное поле возникает явление прецессии электронных орбит и векторов магнитных моментов атомов вокруг направления внешнего поля. Нарушается равномерность двух возможных ориентаций спика, появляется преимущественная ориентация спиковых магнитных моментов электронов вдоль поля, т.е. появляется парамагнитная намагниченность. Причем происходит это в относительно слабом магнитном поле, недостаточном для перемагничивания ферромагнетика.

Носитель информации для магнитооптической записи выполняется двухслойным: прозрачная подложка и нанесенная на нее магнитная пленка. Наиболее широко используется марганец-висмутовое магнитное покрытие (MnBi). Это покрытие обладает способностью намагничиваться перпендикулярно плоскости пленки. Запись осуществляется магнитным полем в сочетании с воздействием луча лазера. Если пленку поместить в однородное магнитное поле, недостаточное для изменения магнитного состояния, то после нагрева лучом лазера ее участка выше точки Кюри, участок пленки приобретает намагниченность, определяемую внешним полем.

Параметры магнитной пленки должны быть такими, чтобы выполнялось соотношение

,

где: Нр – размагничивающее поле участка пленки;

Но – напряженность внешнего магнитного поля,

Нс– коэрцитивная сила материала пленки.

Считывание информации в магнитооптическом ЗУ производится путем анализа плоскости поляризации света при его отражении или прохождении через пленку.

В первом случае используется эффект Керра. Имеет место поворот плоскости поляризации, пропорциональный величине намагниченности магнитной пленки.

Во втором случае используется магнитооптический эффект Фарадея. Плоскость поляризации световой волны поворачивается на угол, пропорциональный напряженности магнитного поля и длине пути света на участке магнитооптического покрытия. Направление вращения плоскости поляризации зависит от направления вектора намагниченности магнитной пленки (запись «1» и «0»). Поворот плоскости поляризации при магнитооптическом считывании определяется анализатором, интенсивность света на выходе которого регистрируется фотоприемником. Скоростные параметры пленки MnBiвесьма высокие: время записи – десятки наносекунд, постоянная времени вращения поляризации при считывании – десятые доли наносекунд.

Стандартная плотность записи на коммерческом магнитооптическом диске составляет около 1 бит на 3 мкм2, что соответствует 128 Мбайт для 3,5 – дюймового диска. Продаются диски того же диаметра емкостью 630 Мбайт. Недавно успешно была проведена работа по детектированию бита информации в области 5 Ангстрем!



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Оптическое оборудование (2)

    Документ
    Установки проекционной фотолитографии. Измерение и документирование ключевых эксплуатационных критериев. Часть 1. Установки проекционной фотолитографии с постоянным разрешением
  2. Устройства и средства, применяемые для поражения живой силы противника, его техники и сооружений. Современное О

    Документ
    ОРУЖИЕ, устройства и средства, применяемые для поражения живой силы противника, его техники и сооружений. Современное О. делят на ядерное, химическое, бактериологическое, огнестрельное (артиллерийское, стрелковое и др.
  3. Программы магистерской подготовки 210400. 68. 04 Микроволновая техника и антенны Аннотация дисциплины Математическое моделирование радиотехнических устройств и систем Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет 4 зет (144 час)

    Документ
    Изучение методологии использования математического аппарата при описании сигналов, случайных процессов и полей, устройств и систем. Решение задач адекватного выбора математических моделей сигналов для радиотехнических систем различного
  4. Оборудование Gigabit Ethernet pon (gepon) – пассивные оптические сети Общее описание

    Документ
    Существенный рост услуг, базирующихся на Ethernet, создает задачу для провайдеров IP/транспортных услуг мегаполисов, давая им в тоже время, хороший шанс для получения новых высоких значений годовых доходов.
  5. Устройство радиоприемное onkyo тx-nr709 (руководство по эксплуатации)

    Руководство по эксплуатации
    Вы приобрели устройство радиоприемное производства компании "ОНКИО САУНД ЭНД ВИЖН КОРПОРЕЙШЕН", Япония. Данная модель является аудио/видео ресивером (декодер/усилитель/тюнер) и предназначена для декодирования и усиления аудио

Другие похожие документы..