close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Gluschenko Gluschenko Zhukov osnovy fotoniki uchebnoe posobie ch1 2018

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Поволжский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
________________________________
Кафедра физики
А.Г. Глущенко, Е.П.Глущенко, С.В.Жуков
ОСНОВЫ ФОТОНИКИ
(ч.1)
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Самара
2018
УДК 535
БКК 22.3
Г55
Рекомендовано к изданию методическим советом ПГУТИ, протокол
№ 4, от 24.10.2018 г.
Рецензент:
Андреев В.А. – д.т.н., профессор кафедры ЛС и ИТС ФГБОУ ВО ПГУТИ
Глущенко А.Г., Глущенко Е.П., Жуков С.В.
Г55 Основы фотоники: учебное пособие (конспект лекций)/Ч.1.
А.Г.Глущенко, Е.П. Глущенко, С.В.Жуков.- Самара: ФГБОУ ВО ПГУТИ,
2018. – 152 с.
Учебное пособие «Основы фотоники» соответствует Федеральному
государственному стандарту, содержит ключевые понятия и дает представление об основных разделах современной фотоники и прикладной
оптики. Учебное пособие разработано в соответствии с ФГОС ВПО по
направлению подготовки бакалавров 12.03.03 - Фотоника и оптоинформатика. В качестве дополнительной литературы может быть полезна
студентам направлений 09.03.02 - Информационные системы и технологии, 10.03.01 - Информационная безопасность, 10.05.02 - Информационная безопасность телекоммуникационных систем, 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы, 11.03.02 - Инфокоммуникационные технологии и системы связи, 11.03.01 – Радиотехника, Включает контрольные вопросы, вопросы для самоподготовки и предметный указатель.
Включает подробный список терминов фотоники на английском языке,
их перевод и описание, что поможет чтению научной литературы по фотонике в оригинале. Предназначено для студентов 2-3 курсов факультета
базового телекоммуникационного образования для семинарских, практических занятий и самостоятельной подготовки. Учебное пособие может быть использовано студентами других специальностей вузов.
.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
 Глущенко А.Г., Глущенко Е.П., Жуков С.В. 2018
2
Содержание
Введение
Лекция 1
Тема 1. История возникновения фотоники. Проблемы электронных ЭВМ. Информация. Способы передачи информации
Раздел 1.1. История возникновения фотоники
Лекция 2
Раздел 2.1. Информация. Способы передачи информации.
Аналоговый и цифровой методы передачи информации
Контрольные вопросы
Лекция 3
Тема 2. Источники сплошного и линейчатого спектра
Раздел 3.1. Источники света. Параметры источников света.
Раздел 3.2. Источники когерентного излучения. Спонтанное
и вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна. Метастабильные уровни. Инверсная заселенность
Лекция 4
Раздел 4.1. Анализ механизма создания инверсных населенностей в трехуровневых схемах. Описание принципа работы
лазера на рубине. Работа лазера в режиме модулированной
добротности
Раздел 4.2. Гелий неоновый лазер. Конструкции и принцип
действия полупроводниковых лазеров
Контрольные вопросы
Лекция 5
Тема 3. Приемники оптического излучения
Раздел 5.1. Физические основы преобразования оптического
излучения. Основные параметры и характеристики приёмников оптического излучения. Классификация приёмников оптического изображения
Раздел 5.2. Приёмники изображения с внешним фотоэффектом. Перенос электронных изображений и фокусировка развертывающего луча. Принцип накопления заряда в приёмниках оптического изображения. Диссектор. Видикон. Плюмбикон
Лекция 6
Раздел 6.1. Твёрдотельные приёмники оптического изображения на основе ПЗС и ПЗИ структур. Принципы организации и переноса зарядовых пакетов. Способы организации
считывания информации. Усилители яркости
Контрольные вопросы
Лекция 7
Тема 4. Принцип действия оптических модуляторов, осно-
3
5
8
8
8
24
24
34
35
35
40
47
47
61
71
72
72
72
81
87
87
97
98
98
ванных на явлении наведенной анизотропии. Методы демодуляции
Раздел 7.1. Принцип действия оптических модуляторов, основанных на явлении наведенной анизотропии
Контрольные вопросы
Лекция 8
Тема 5. Видеопреобразователи на управляемых транспарантах с жидкими кристаллами. Полупроводниковые оптически
управляемые транспаранты. Оптические изоляторы
Раздел 8.1. Видеопреобразователи на управляемых транспарантах с жидкими кристаллами
Раздел 8.2. Оптические изоляторы
Раздел 8.3. Полупроводниковые оптически управляемые
транспаранты
Контрольные вопросы
Лекция 9
Тема 6. Цифровые оптические процессоры. Оптические технологии в информатике. Аналоговые оптические вычисления
и процессоры
Раздел 9.1. Цифровые оптические процессоры
Лекция 10
Раздел 10.1. Оптические логические элементы
Лекция 11
Раздел 11.1. Оптические технологии в информатике. Аналоговые оптические вычисления и процессоры
Раздел 11.2. Аналоговые оптические вычисления и
процессоры
Контрольные вопросы
Глоссарий
Список основной и дополнительной литературы. Электронные издания
4
98
110
110
110
110
113
116
117
117
117
117
123
123
128
128
131
138
139
154
Введение
Оптику можно определить как науку о распространении света и его
взаимодействии с веществом. Установлено, что свет есть проявление одного из фундаментальных взаимодействий — электромагнитного взаимодействия и переносится фотонами — частицами с нулевой массой покоя и
нулевым электрическим зарядом. В настоящее время к оптическому диапазону относят диапазон длин волн от единиц нанометров до сотен микрометров.
Классификация спектра электромагнитных волн
Волновая и корпускулярная природа света обуславливает многочисленные преимущества оптических технологий для задач передачи, хранения и обработки информации:
1. Частота оптического излучения составляет 1014-15 Гц, что позволяет создать 10 информационных каналов со спектральной шириной 100
ГГц;
2. Передача информации происходит со скоростью света с=3·108
м/с;
3. Большое число световых пучков могут свободно проходить по
одной и той же области пространства, пересекаться и не влиять друг на
друга;
4. Использование двумерного (изображения) и трехмерного (голограммы) характера световых полей;
5. Параллельная передача и обработка информации с одновременной работой на различных длинах волн;
6. Когерентная обработка оптической информации с использованием фазовых соотношений;
5
7. Два состояния поляризации (горизонтальная и вертикальная или
круговая, по левому или правому кругу) увеличивают вдвое объем переносимой информации;
8. Оптическая система ничего не излучает во внешнюю среду, обеспечивая защиту от перехвата информации и не чувствительна к электромагнитным помехам.
Основные параметры светового когерентного излучения, или
световой волны, посредством которых может кодироваться информация, следующие:
Амплитуда. Фаза. Частота. Поляризация. Разрешаемые элементы в
изображении (пиксели).
Используя комбинации этих независимых параметров, возможна передача огромных массивов информации и их обработка со
сверхвысокой скоростью. Возможности оптических технологий уже в
настоящее время широко используются в информатике - впечатляющий пример - волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).
Фотоника — это наука об информационных системах, работающих на основе использования света – фотонов. Они используются в
диапазонах: видимом, ультрафиолетовом (длина волны 10-380 нм), длинноволновом инфракрасном (длина волны 15-150 мкм) и сверхинфракрасном (например, 2-4 ТГц соответствует длине волны 75-150 мкм), здесь активно развиваются квантовые каскадные лазеры.
Фотоника также может быть охарактеризована как область физики
и технологии, связанная с излучением, детектированием, поведением, последствиями существования и уничтожения фотонов. Это означает, что
фотоника занимается контролем и преобразованием оптических сигналов
и имеет широкое поле для своего применения: от передачи информации
через оптические волокна до создания новых сенсоров, которые модулируют световые сигналы в соответствии с малейшими изменениями окружающей среды.
Фотоника покрывает широкий спектр оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств и их разнообразных применений. Коренные области исследований фотоники включают волоконную и интегральную оптику, в том числе нелинейную оптику, физику и технологию
полупроводниковых соединений, полупроводниковые лазеры, оптоэлектронные устройства, высокоскоростные электронные устройства.
История термина «фотоника»
Фотоника как область науки началась в 1960 г. с изобретением лазера, а также с изобретения лазерного диода в 1970-х с последующим развитием оптоволоконных систем связи как средств передачи информации.
Эти изобретения сформировали базис для революции телекоммуникаций
в конце XX-го века, и послужили подспорьем для развития Интернета.
Исторически, начало употребления в научном сообществе термина
«фотоника» связано с выходом в свет в 1967 г. книги академика А.Н. Те-
6
ренина «Фотоника молекул красителей». Тремя годами раньше по его
инициативе на физическом факультете ЛГУ была создана кафедра биомолекулярной и фотонной физики, которая с 1970 г. называется кафедрой
фотоники.
А.Н. Теренин определил фотонику как «совокупность взаимосвязанных фотофизических и фотохимических процессов». В мировой науке
получило распространение более позднее и более широкое определение
фотоники, как раздела науки, изучающего системы, в которых носителями информации являются фотоны. Термин «Фотоника» начал широко
употребляться в 1980-х в связи с началом широкого использования оптоволоконной передачи электронных данных телекоммуникационными сетевыми провайдерами (хотя в узком употреблении оптоволокно использовалось и ранее). Использование термина было официально закреплено
когда сообщество IEEE представило доклад с названием «Photonics
Technology Letters» в конце 1980-х.
В период до 2001 г., фотоника как область науки была в значительной степени сконцентрирована на телекоммуникациях. С 2001 г. года
термин «Фотоника» также охватывает огромную область наук и технологий, в том числе:
лазерное производство,
биологические и химические исследования,
медицинская диагностика и терапия,
технология показа и проекции,
оптическое вычисление.
Оптоинформатика
Оптоинформатика — это область фотоники, в которой создаются
новые технологии передачи, приёма, обработки, хранения и отображения
информации на основе фотонов. По существу, без оптоинформатики
немыслим современный Интернет.
К перспективным примерам систем оптоинформатики можно отнести:
оптические телекоммуникационные системы со скоростью передачи данных до 40 терабит в секунду по одному каналу;
оптические голографические запоминающие устройства сверхбольшой емкости до 1,5 терабайт на диск стандартных размеров;
многопроцессорные компьютеры с оптической межпроцессорной
связью;
оптический компьютер, в котором свет управляет светом. Максимальная тактовая частота такого компьютера может составлять 1012—1014
Гц, что на 3-5 порядков выше существующих электронных аналогов;
фотонные кристаллы — новые искусственные кристаллы, имеющие
гигантскую дисперсию и рекордно низкие оптические потери (0.001
дБ/км).
7
Лекция 1
Тема 1. История возникновения фотоники. Проблемы электронных ЭВМ.
Раздел 1.1. История возникновения фотоники
Использование света для передачи информации имеет давнюю историю. Моряки применяли сигнальные лампы для передачи информации,
в частности, с помощью кода Морзе, а маяки в течение многих веков предупреждали мореплавателей об опасностях.
Клауд Чапп в девяностых годах XVIII века построил оптический
телеграф во Франции. Сигнальщики располагались на вышках, расположенных от Парижа до Лилля по цепочке длиной 230 км. Сообщения передавалось из одного конца в другой за 15 минут. В Соединенных Штатах
оптический телеграф соединял Бостон с островом Марта Вайнярд, расположенным недалеко от этого города. Все эти системы со временем были
заменены электрическими телеграфами.
Рис.1.1. Фотофон Белла.
Английский физик Джон Тиндалл в 1870 году продемонстрировал
возможность управления светом на основе внутренних отражений. На собрании Королевского общества было показано, что свет, распространяющийся в струе очищенной воды, может огибать любой угол. В эксперименте вода протекала над горизонтальным дном одного желоба и падала
по параболической траектории в другой желоб. Свет попадал в струю воды через прозрачное окно на дне первого желоба. Когда Тиндалл направлял свет по касательной к струе, аудитория могла наблюдать зигзагообразное распространение света внутри изогнутой части струи. Аналогичное зигзагообразное распространение света происходит и в оптическом
волокне.
Десятилетием позднее Александр Грэхем Белл запатентовал фотофон (рис.1.1), в котором направленный свет использовался для передачи
голоса. В этом устройстве с помощью системы линз и зеркал свет направлялся на плоское зеркало, закрепленное на рупоре. Под воздействием звука зеркало колебалось, что приводило к модуляции отраженного света. В
приемном устройстве использовался детектор на основе селена, электри-
8
ческое сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности
падающего света. Модулированный голосом солнечный свет, падающий
на образец селена, изменял силу тока, протекающего через контур приемного устройства, и воспроизводил голос. Данное устройство позволяло
передавать речевой сигнал на расстояние более 200 м.
В начале XX века были проведены теоретические и экспериментальные исследования диэлектрических волноводов, в том числе гибких
стеклянных стержней.
В 50-е годы волокна, предназначенные для передачи изображения,
были разработаны Брайеном О'Бриеном, работавшим в Американской оптической компании, и Нариндером Капани с коллегами в Императорском
научно-технологическом колледже в Лондоне. Эти волокна нашли применение в световодах, используемых в медицине для визуального наблюдения внутренних органов человека. Доктор Капани был первым, кто разработал стеклянные волокна в стеклянной оболочке и ввел термин "волоконная оптика" (1956 г.). В 1973 году доктор Капани основал компанию
Kaptron, специализирующуюся в области волоконно-оптических разветвителей и коммутаторов.
В 1957 году Гордон Голд, выпускник Колумбийского университета,
сформулировал принципы работы лазера как интенсивного источника
света. Теоретические работы Чарльза Таунса совместно с Артуром Шавловым в BellLaboratories способствовали популяризации идеи лазера в
научных кругах и вызвали бурный всплеск экспериментальных исследований, направленных на создание работающего лазера. В 1960 году Теодор Мэймен в HughesLaboratories создал первый в мире рубиновый лазер.
В этом же году Таунс продемонстрировал работу гелий-неонового лазера.
В 1962 году лазерная генерация была получена на полупроводниковом
кристалле. Именно такой тип лазера используется в волоконной оптике.
Голду с большим опозданием, только в 1988 году, удалось получить четыре основных патента по результатам работ, выполненных им в 50-е годы и посвященных принципу работы лазера.
Использование излучения лазера как носителя информации не было
оставлено без внимания специалистами по коммуникации. Возможности
лазерного излучения для передачи информации в 10 000 раз превышают
возможности радиочастотного излучения. Лазерное излучение не вполне
пригодно для передачи сигнала на открытом воздухе. На работу такого
рода линии существенно влияют туман, смог и дождь, состояние атмосферы. Таким образом, первоначально лазер представлял собой световой
источник, не имеющий подходящей среды передачи.
В 1966 году Чарльз Као и Чарльз Хокхэм, работавшие в английской
лаборатории телекоммуникационных стандартов, опубликовали статью о
том, что оптические волокна могут использоваться как среда передачи
при достижении прозрачности, обеспечивающей затухание (определяет
потери при передаче сигнал) менее 20 дБ/км (децибел на километр). Они
9
пришли к выводу, что высокий уровень затухания, присущий первым волокнам (около 1000 дБ/км), связан с присутствующими в стекле примесями. Был также указан путь создания пригодных для телекоммуникации
волокон, связанный с уменьшением уровня примесей в стекле.
В 1970 году Роберт Маурер со своими коллегами из Corning Glass
Works получил первое волокно с затуханием менее 20 дБ/км. К 1972 году
в лабораторных условиях был достигнут уровень в 4 дБ/км, что соответствовало критерию Као и Хокхэма. В настоящее время лучшие волокна
имеют уровень потерь менее 0.2 дБ/км.
Крупный успех был достигнут в области полупроводниковых источников и детекторов, соединителей, технологии передач, теории коммуникаций и других, связанных с волоконной оптикой областях. Все это
вместе с огромным интересом к использованию преимуществ волоконной
оптики обусловило в середине и конце 70-х годов существенные продвижения на пути создания волоконно-оптических систем.
Военно-морские силы США внедрили волоконно-оптическую линию на борту корабля Little Rock в 1973 году. В 1976-м в рамках программы ALOFT военно-воздушные силы заменили кабельную оснастку
самолета А-7 на волоконно-оптическую. При этом кабельная система из
302 медных кабелей, имевшая суммарную протяженность 1260 м и весившая 40 кг, была заменена на 12 волокон общей длиной 76 м и весом
1.7 кг. Военные были первыми и в деле внедрения волоконно-оптической
линии. В 1977 году была запущена 2-км система со скоростью передачи
информации 20 Мб/сек (мегабит в секунду), связавшая наземную спутниковую станцию с центром управления.
В 1977 году компании AT&T и GTE установили коммерческие телефонные системы на основе оптического волокна. Эти системы превзошли по своим характеристикам считавшиеся ранее незыблемыми стандарты производительности, что привело к их бурному распространению в
конце 70-х и начале 80-х годов. В 1980-м AT&T объявила об амбициозном проекте волоконно-оптической системы, связывающей между собой
Бостон и Ричмонд. Реализация проекта воочию продемонстрировала скоростные качества новой технологии в серийных высокоскоростных системах, а не только в экспериментальных установках. После этого стало
ясно, что в будущем ставку надо делать на волоконно-оптическую технологию, показавшую возможность широкого практического применения.
По мере развития технологии столь же быстро расширялось и производство. Уже в 1983 году выпускался одномодовый волоконнооптический кабель. Его практическое использование было связано с множеством проблем, поэтому на протяжении многих лет полностью использовать такие кабели удавалось лишь в некоторых специализированных
разработках. К 1985 году основные организации по передаче данных на
большие расстояния (компании AT&T и МО) не только внедрили одно-
10
модовые оптические системы, но и утвердили их в качестве стандарта для
будущих проектов.
Несмотря на то, что компьютерная индустрия, технология компьютерных сетей и управление производством не столь быстро, как военные
и телекоммуникационные компании, брали на вооружение волоконную
оптику, тем не менее, и в этих областях также производились экспериментальные работы по исследованию и внедрению новой технологии.
Компания IBM, лидер в производстве компьютеров, объявила в
1990 году о выпуске нового быстродействующего компьютера, использующего контроллер канала связи с дисковыми и ленточными внешними
накопителями на основе волоконной оптики. Это стало первым применением волоконной оптики в серийном оборудовании. Внедрение волоконного контроллера, получившего название ESCON, позволило передавать
информацию с большей скоростью и на большие расстояния. Предшествующая модель контроллера на основе медных проводников имела скорость передачи данных 4,5 Мб/сек с максимальной длиной линии передачи в 400 футов. Новый контроллер работает со скоростью 10 Мб/сек на
расстоянии в несколько миль.
В 1990 году Линн Моллинар продемонстрировал возможность передачи сигнала без регенерации со скоростью 2,5 Гб/сек на расстояние
около 7500 км. Обычно волоконно-оптический сигнал необходимо усиливать и периодически восстанавливать его форму — примерно через каждые 25 км. При передаче волоконно-оптический сигнал теряет мощность
и искажается. В системе Моллинара лазер работал в солитонном режиме
и использовалось волокно с добавками эрбия. Солитонные (в очень узком
диапазоне частот) импульсы не рассеиваются и сохраняют свою первоначальную форму по мере распространения по волокну. Японской компанией Nippon Telephone&Telegraph была достигнута скорость 20 Гб/сек,
правда, на существенно более короткое расстояние. Ценность солитонной
технологии заключается в принципиальной возможности прокладки по
дну Тихого или Атлантического океана волоконно-оптической телефонной системы, не требующей установки промежуточных усилителей. Однако с 1992 года солитонная технология остается на уровне лабораторных
демонстраций и не находит пока коммерческого применения.
Информационная эра
Четыре процесса, связанные с манипулированием информацией,
основаны на применении электроники:
1.Сбор
2. Хранение
3. Обработка и анализ
4. Передача
Для реализации этих процессов используется достаточно современное оборудование: компьютеры, электронные офисы, разветвленные телефонные сети, спутники, телевидение и т.д. Оглянувшись вокруг, можно
11
обнаружить массу подтверждений наступления новой эры. Ежегодный
прирост услуг в области информационной индустрии составляет сейчас
около 15%.
Ниже приводятся факты, свидетельствующие о важности и перспективности электроники в современной жизни.
В США в 1988 году насчитывалось 165 миллионов телефонных аппаратов, тогда как в 1950-м их было только 39 миллионов. Кроме того,
услуги, предоставляемые телефонными компаниями, стали гораздо разнообразнее.
С 1950 по 1981 годы протяженность проводов телефонных систем
возросла с 147 миллионов миль до 1.1 миллиарда.
В 1990 году общая протяженность оптических волокон в телефонных системах США составила около 5 миллионов миль. К 2000 году она
возрасла до 15 миллионов миль. При этом возможности каждого волокна
соответствуют возможностям нескольких медных кабелей.
В 1989 году в США было продано около 10 миллионов персональных компьютеров. Еще в 1976 году персональных компьютеров не было
вообще. Сейчас это обычный элемент оборудования любого офиса и промышленного производства.
В настоящее время через персональный компьютер и обычную телефонную сеть открыт доступ к тысячам компьютерных баз данных.
Факсимильные сообщения (факсы) стали преобладать в деловой переписке.
Первая телефонная система на волоконно-оптическом кабеле, установленная в 1977 году, позволяла передавать информацию со скоростью
44,7 Мб/сек, и проводить переговоры одновременно по 672 каналам. Сегодня система Sonet, являющаяся стандартной системой в оптической телефонии, позволяет передавать информацию с максимальной скоростью
10 Гб/сек, что примерно в 200 раз превосходит возможности первой оптической системы. Предполагается достижение и стандартизация существенно более высоких скоростей, которые не доступны на современных
электронных компонентах.
Во всех приведенных выше примерах фигурируют источники информации и средства их объединения. Под информацией здесь можно понимать как содержание телефонного разговора с другом, так и другой
проект. Средства передачи информации из одного места в другое важны с
точки зрения обладания полным объемом информации в любом месте
страны. В качестве примера передачи информации можно привести как
телефонный разговор с абонентом, находящимся па другом конце страны,
так и разговор между соседними офисами, разделенными парой дверей.
Телефонные компании все более широко используют одинаковые цифровые технологии, как для передачи голоса, так и для передачи компьютерных данных. С точки зрения цифровых технологий передачи информации
наш голос становится практически неотличимым от компьютерных дан-
12
ных. Перед передачей голос преобразуется в цифровые импульсы или
числа, вид которых соответствует компьютерным данным. Такого рода
преобразования звукового сигнала в цифровой позволяют с меньшими
искажениями передавать разговор. В новых телефонных системах используется именно цифровая технология. В 1984 году около 34% центральных телефонных станций использовали цифровое передающее оборудование. К 1994 году эта величина возросла до 82%. Волоконная оптика исключительно удобна для цифровых телекоммуникаций. Повышение
требований к эффективности, надежности, скорости и экономичности передачи данных обеспечивается характеристиками волоконно-оптических
систем.
Телекоммуникации и компьютеры
До недавнего времени существовало четкое разграничение между
тем, что составляло часть телефонной системы, и тем, что относилось к
компьютерной системе. Например, телефонным компаниям было запрещено участие на рынке компьютерной технологии. Сегодня запрет формально остается в силе, но действие его в существенной мере ослаблено.
Компьютеры могут теперь передавать данные по телефонным линиям, а
телефонные системы преобразуют голос в цифровой (подобный компьютерному) сигнал перед передачей. Телефонные и компьютерные компании все чаще конкурируют на рынке информационных технологий.
Причины, приведшие к ослаблению данного запрета, понятны.
Развитие электронной технологии подразумевает тесное взаимодействие
ее различных направлений. Различие между компьютерной и телефонной технологиями ослабло еще более в 1982 году после распада компании AT&T, самой крупной корпорации в мировом масштабе. Информационная сеть становится единой системой. Сейчас все труднее определить, за какую часть сети ответственны телефонные компании, какая
часть сети принадлежит компьютерным компаниям, а какая находится в
собственности домовладельца.
Развитие кабельной сети в США, вместе с включением передачи
компьютерных данных в сферу услуг, оказываемых телефонными компаниями, являются лучшим доказательством преимуществ, связанных с
наступлением информационной эры. Ранее телефонные компании обеспечивали двустороннюю связь между абонентами, называемую POTS
(Plain Old Telephone Services — обычные старые телефонные услуги). В
настоящее время появилось множество других услуг, таких как автоматический "дозвон", автоответчик и т.д. (эти услуги называют PANS —
Pretty Amazing New Services — просто удивительные новые услуги). Телефонные компании нацелены на создание интегрированных цифровых
сетей (Integrated Services Digital Network, ISDN), предназначенных для
передачи по телефонной сети голоса, данных и видеоизображения. Тако-
13
го рода сети представляют возможность передать любого вида информацию куда угодно и в любое время.
Волоконно-оптическая альтернатива
Обсуждаемая в этой главе глобальная сеть требует эффективной
среды для передачи информации. Традиционные технологии, основанные на применении медного кабеля или микроволновой передаче, имеют
недостатки и существенно уступают по характеристикам волоконной
оптике. Например, медные кабели характеризуются ограниченной скоростью передачи информации и подвержены влиянию внешних полей.
Микроволновая передача, хотя и может обеспечить достаточно высокую
скорость передачи информации, требует использования дорогостоящего
оборудования и ограничивается зоной прямой видимости. Волоконная
оптика позволяет передавать информацию с существенно более высокими скоростями по сравнению с медными кабелями и имеет гораздо более
приемлемую стоимость и меньше ограничений, чем микроволновая технология. Возможности волоконной оптики только начинают реализовываться. Уже сейчас волоконно-оптические линии превосходят по своим
характеристикам аналоги, основанные на медном кабеле, и нужно учитывать, что технологические возможности медных кабелей имеют
меньший потенциал развития, чем начинающая развиваться волоконнооптическая технология. Волоконная оптика обещает стать неотъемлемой
частью информационной революции, равно как и частью всемирной кабельной сети.
Волоконная оптика будет влиять на жизнь каждого человека, порой практически незаметно. Приведем несколько примеров незаметного
вхождения волоконной оптики в нашу жизнь:
трансляция голоса через всю страну;
распространение по кабелю телевизионного изображения в ваш
дом по кабелю;
соединение электронного оборудования в вашем офисе с оборудованием в других офисах;
соединение электронных блоков в вашем автомобиле;
управление производственным процессом в промышленности.
Волоконная оптика является новой технологией, только начинающей свое развитие, но уже доказана необходимость ее применения как
среды передачи для различных прикладных задач, а характеристики волоконной оптики позволят в будущем существенно расширить область
ее применения.
Проблемы электронных ЭВМ.
Первые серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии. В Советском
Союзе первые безламповые машины «Сетунь», «Раздан» и «Раздан 2»
были созданы в 1959-1961 годах. В 60-х годах советские конструкторы
14
разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них «Минск 32» выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые
семейства машин: «Урал», «Минск», БЭСМ. Рекордсменом среди ЭВМ
второго поколения стала БЭСМ 6, имевшая быстродействие около миллиона операций в секунду - одна из самых производительных в мире на
то время.
Приоритет в изобретении интегральных схем, ставших элементной
базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит американским ученым Д.
Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга.
Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962 году, а в 1964
начал быстро осуществляться переход от дискретных элементов к интегральным. Упоминавшийся выше ЭНИАК размерами 9x15 метров в 1971
году мог бы быть собран на пластине в 1,5 квадратных сантиметра. В
1964 году фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства
IBM (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.
Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью.
Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого
поколения - на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим
признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в архитектуре.
Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент ЭВМ - микропроцессор или чип (от английского слова chip). В
1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив
в него небольшой набор операций, микропрограммы которых должны
быть заранее введены в постоянную память. Оценки показали, что применение постоянного запоминающего устройства в 16 килобит позволит
исключить 100-200 обычных интегральных схем. Так возникла идея
микропроцессора, который можно реализовать даже на одном кристалле,
а программу в его память записать навсегда.
К середине 70-х годов положение на компьютерном рынке резко и
непредвиденно стало изменяться. Четко выделились две концепции развития ЭВМ. Воплощением первой концепции стали суперкомпьютеры, а
второй - персональные ЭВМ. Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись
американские машины «Крей-1» и «Крей-2», а также советские модели
«Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Первые их образцы появились примерно в
одно и то же время - в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени
характеристики и очень высокую стоимость. К началу 80-х годов производительность персональных компьютеров составляла сотни тысяч операций в секунду, производительность суперкомпьютеров достигала со-
15
тен миллионов операций в секунду, а мировой парк компьютеров превысил 100 млн.
В 1965 году в журнале Electronics (vol. 39, No.8) вышла знаменитая
теперь статья Гордона Мура (Gordon Moore) «Переполнение числа элементов на интегральных схемах» («Cramming more components into integrated circuits»), в которой директор отдела разработок компании
Fairchild Semiconductors и будущий сооснователь корпорации Intel дал
прогноз развития микроэлектроники на ближайшие десять лет, предсказав, что количество элементов на кристаллах электронных микросхем
будет удваиваться каждый год. Позднее, выступая в 1975 году перед
аудиторией конференции International Electron Devices Meeting, Гордон
Мур отметил, что за прошедшее десятилетие количество элементов на
кристаллах действительно удваивалось каждый год, однако в будущем,
когда сложность чипов возрастёт, удвоение числа транзисторов в микросхемах будет происходить каждые два года. Это предсказание сбылось,
и закон Мура продолжает в этом виде (удвоение за два года) действовать
и поныне, что можно наглядно видеть по таблице (рис. 1.2.) и графику
(рис. 1.3.).
Рис. 1.2. Удвоение числа транзисторов в микросхемах каждые два года.
16
Рис. 1.3. Рост тактовой частоты процессора.
Можно рассмотреть следствие закона для тактовой частоты микропроцессоров, хотя Гордон МУР неоднократно утверждал, что его закон относится только к числу транзисторов на кристалле и отражает общие для многих процессов экспоненциальные закономерности развития.
В связи с бурным развитием микроэлектроники возникают вопросы.
Можно ли ожидать появление в 2020 г. электронного микропроцессора с
тактовой частотой 100 ГГц? Возможно ли уменьшение электрического
напряжения на ядре микропроцессора и, соответственно, уменьшение
теплоотдачи? Например, производство памяти и процессоров по технологии 65 нанометров уже началось в 2006 году, 2007- переход на 45нанометровый процесс, 2009 год - 32-нанометровый, в 2011 году - 22 нм.
Станет ли возможным создание транзисторов по технологиям 16, 11 и 8
нм с длинами затворов транзисторов 7, 5 и 3 нм соответственно?
Предельные возможности электронной компьютерной техники
Три основных фундаментальных предела характеристик логической ячейки на основе электронной техники могут быть определены из основных законов термодинамики, квантовой механики и
электромагнитной теории.
Рис. 1.4. Элементная электрическая схема простой
логической ячейки.
1. Первоначально - термодинамический предел. Пусть узел N
ячейки (рис.1.4.) расположен в чипе микропроцессора и что между точками N и G эквивалентное сопротивление равно R. Исходя из статисти-
17
ческой термодинамики, можно показать, что среднеквадратичное значение шумового напряжения U разомкнутой цепи R дается выражением:
U 2  4kTRf
где к = 1,3810-23 Дж/К - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура в градусах Кельвина, Δf- частотная полоса спектра шума. Соответственно, средняя мощность шума Pш, излучаемая ячейкой, определяется
выражением:
U2
PØ 
 kTf
4R
Можно утверждать, что, если состояние логической ячейки изменяется от 0 до 1, или наоборот, то средняя сигнальная мощность PС в течение времени переключения должна быть больше (или, по крайней мере, равна) шумовой мощности с коэффициентом γ, который для
обеспечения безошибочной работы ячейки обычно принимают равным
4:
Рис.1.5. Передаточная кривая транзистора, изготовленного
по технологии КМОП.
PC  PØ 
kT
td
Учитывая, что время переключения td ячейки обратно пропорционально частотной полосе спектра шума. Уровень минимальной энергии переключения EC:
EC  kT
Минимальная энергия, необходимая для переключения электронной ячейки при комнатной температуре Т = 300°К: EC> 0,104 эВ. Из данной оценки следует вывод о минимально возможном напряжении на
электронном узле - напряжение меньшее 0,1 В будет приводить к его нестабильной работе, вследствие тепловых шумов, что видно из характеристик транзистора на рис. 1.5.
18
2. Второй фундаментальный предел по энергии электронной
ячейки может быть получен из квантовой механики, из гейзенберговского соотношения неопределенности: физическое изменение энергии
квантовой системы связанно со временем переключения Δt следующим
неравенством:

E 
t
-34
где ħ = 1,055∙10 Дж∙с - постоянная Планка. Соответственно, для мощности переключения можно записать:
PC 

( t ) 2
3. Третий фундаментальный предел - скорость распространения электрического импульса по микрочипу V, которая не может
быть больше скорости света в вакууме C:
V
L
C
t
где L - длина межсоединений между ячейками. Можно оценить предельную тактовую частоту микропроцессора размером 1x1 см минимальная
длина межсоединений в таком чипе (длина по диагонали)
Lmin=√2a=1,4см, соответственно Δtmin≈Lmin/C ≈ 47 пс и fmax ~ 22 ГГц.
Увеличение тактовой частоты возможно при размещении на чипе
нескольких синхронизированных тактовых генераторов, но это приводит
к усложнению архитектуры микропроцессора.
4. Четвертый фундаментальный предел - теплопроводность
полупроводников.
Основные свойства полупроводника как материала, которые определяют пределы его использования это: 1) подвижность носителей
(электронов и вакансий), 2) максимальная скорость носителей, 3) напряженность электрического поля самоионизации (пробоя) и 4) коэффициент теплопроводности.
Определим влияние наиболее важного параметра - теплопроводности полупроводника. Рассмотрим изолированную электронную полупроводниковую ячейку, в форме полусферы с радиусом ri , расположенной на идеальном радиаторе с температурой T0. Основываясь на
уравнении теплопроводности (Фурье), можно записать:
Q   KAdT / dx
где Q - тепловой поток в Дж/с через подложку в присутствии температурного градиента dT/dx, К - коэффициент теплопроводности, А - площадь излучающей тепло поверхности. Радиус полусферы определяется
максимальной скоростью движения электронов VS и временем переключения td, т.е. ri=VS∙td, тогда выражение для площади А можно записать в
виде:
19
A  ri 2   (VS  t d ) 2
Переходя от производных к конечным разностям, dT=ΔT, dx=ri,
можно получить выражение для отвода мощности Р от ячейки:
P=π∙K∙VS∙ΔT∙td,
т.е. отводимая мощность прямо пропорциональна времени переключения. Принимая ΔT =100° (обычная разность температур, определяемая
воздушным охлаждением радиатора), KSi≈1Вт∙см-1∙град-1VS=107 см∙с-1
(максимальная скорость электронов в кремнии) можно получить следующую зависимость мощности от времени переключения (кривая с
рис.1.6.).
На рис. 1.6. представлены расчетные кривые, отражающие зависимость мощности от времени переключения с учетом характеристик
кремния (d), свойств транзисторов (е), свойств электрической цепи логической ячейки (f) и пределы, определяемые совокупностью элементов
микропроцессора (логических ячеек, межсоединений и т.д.) (g), отображены области предельных характеристик кремниевой электроники (i) и
возможная область предельных характеристик оптоэлектронных
устройств (j). На рис. 1.6. также представлена зависимость, определяющая термодинамический предел (кривая б) и зависимость, определяющая квантовый предел (кривая а). Диагональные линии на графике представляют собой уровни равной энергии переключения от 100 Дж до 10-9
Дж (нДж), заштрихованные области представляют области запрещенных
значений энергий с точки зрения фундаментальных законов (слева от
кривых а, б), так и с точки зрения отвода тепла (над кривой с).
Можно рассчитать точки на графике, соответствующие современным микропроцессорам, исходя из потребляемой мощности (равной -100
Вт), числа транзисторов и тактовой частоты — Pentium IV 55 млн., 3 ГГц
, Itanium Montecito 1720 млн., 1,5 ГГц. Несмотря на столь большое количество транзисторов, в каждом такте используется по разным оценкам не
более 10 транзисторов. То есть имеет место простой значительной части
оборудования, потенциально способного производить обработку данных. Конечно, простой оборудования имеет и некоторое достоинство:
это оборудование потребляет и выделяет мало электрической и тепловой энергии. Расчеты показывают, что на одну ячейку в PentiumIV приходится 2 мВт при времени переключения 0.33∙10-9 с и на Itanium Montecito приходится 60 мкВт при времени переключения 0.66∙10-10 сек., т.е.
данные процессоры расположены в зоне (i) рис. 1.6.
20
Рассмотрим влияние емкостных характеристик электронной
схемы микрочипа на потребление энергии. Величина емкости между
двумя проводящими структурами микропроцессора не изменяется с
уменьшением характерного размера микросхемы или технологии.
Рис.1.7. Потери энергии вследствие перезарядки распределенной RC цепи
проводника при передаче напряжения 1 В от его длины.
21
С уменьшением характерного размера и ростом числа элементов
на микросхеме растет число межсоединений и их длина. С ростом длины
межсоединений растет величина емкости, и, соответственно возрастают
энергетические потери (рис.1.7.).
Для энергии Е на перезарядку суммарной емкости микрочипа СΣ В
каждом рабочем такте:
E
C U 2
2
где U - напряжение питания микросхемы. Поскольку суммарная емкость
растет, растут и потери.
С переходом на все более совершенную технологию с меньшим
характерным размером возрастает и сопротивление медных контактов,
используемых для межсоединений. Соответственно возрастает время
прохождения сигнала по межсоединениям, т.к. время на перезарядку
распределенной RC-цепочки определяется формулой: τ=r∙C∙L2 , где r сопротивление на единицу длины, С - удельная емкость, L-длина межсоединений. Если у отдельного транзистора микросхемы уменьшить габариты активной области до 20 нм, можно получить время переключения ~
1 пс, т.е. он может работать на тактовой частоте 1 ТГц, однако, наличие
межсоединений к такому транзистору дают задержку в 25 пс, что не позволяет всей схеме работать на частоте выше 40 ГГц.
Энергия, обеспечивающая представление логической «1» и «0» в
микропроцессоре, может быть накоплена и хранится на конденсаторе С,
входящем в состав электронной схемы логического вентиля. В некоторых схемах стационарные состояния могут быть обеспечены при протекании тока через вентиль. В обеих схемах происходит транспортировка
энергии от источника к логической электронной ячейке с использованием материального носителя электрона. Транспорт электрической энергии, согласно закону Джоуля-Ленца, сопровождается ее превращением в
тепло. И поэтому даже в стационарных состояниях от источника энергоснабжения потребляется энергия. Накопление энергии происходит путем
ее транспорта от источника энергопитания по электрическим цепям с
паразитными резисторами и, следовательно, сопровождается джоулевыми потерями.
Потребляемая и соответственно выделяемая процессом энергия
определяется не только активными потерями, связанными с информационным представлением, но также и различными пассивными потерями в
электронных схемах. К таким паразитным эффектам, в значительной мере определяющим энергетику логических схем, прежде всего, необходимо отнести диссипацию энергии на сопротивлениях переключателей и
соединений и из-за утечки тока через закрытые переключатели. Термолизация энергии неизбежна в цифровых системах, построенных на электронных схемах традиционных управляемых переключателей, традици-
22
онных электронных компонентов (резисторов, конденсаторов, диодов и
т.п.). Таким образом, электронные компоненты являются «неидеальными», их шунтируют паразитные сопротивления, обуславливающие утечки тока. Паразитные сопротивления включаются последовательно и/или
параллельно конденсаторам, диодам и, переключателям (транзисторам).
Физические механизмы, обуславливающие эти утечки тока, определяются туннельным эффектом, термоэлектрической эмиссией, генерацией
носителей в области пространственного заряда и другими физическими
эффектами. Паразитные сопротивления в значительной мере определяют
энергетику современных электронных цифровых устройств обработки
информации. Действительно, при напряжении на ядре микропроцессора
1В ток утечки при общем числе элементов на микросхеме N = 10 может
достигать и превышать 1 А. Уменьшение характерного размера микросхем приводит к увеличению пассивных потерь, причем их рост происходит быстрее активных. Энергия активных и пассивных потерь полностью диссипирует в электронных логических ячейках и порождает проблемы теплоотвода. На рис.1.8 приведена временная зависимость плотности мощности микропроцессоров, иллюстрирующая проблемы теплоотвода в цифровых устройствах, который необходим для термостабилизации цифровых устройств.
Рис. 1.8. Плотность мощности различных источников тепла.
Основные ограничения электронной информационной технологии:
с ростом числа элементов на микросхеме 1- увеличивается электрическая емкость системы (препятствует увеличению тактовой частоты); 2 –
увеличивается время задержки прохода сигнала между макроструктурами процессора; с уменьшением характерного размера элемента возрастают активные и пассивные потери, что приводит к нагреву системы и
проблеме отвода тепла.
23
Лекция 2
Раздел 2.1. Информация. Способы передачи информации. Аналоговый и цифровой методы передачи информации
Информация – набор сигналов имеющих смысл.
Информация передается с помощью коммуникаций.
Коммуникация — это процесс установления связи между точками пространства и передачи информации между ними. Информация передается в виде сигнала. В электронике сигналом может быть все, от
компьютерных цифровых импульсов и до импульсов, модулированных
радиоволнами УКВ-диапазона. Передача информации включает три этапа: кодирование, непосредственно передачу и декодирование.
Кодирование — это процесс записи информации на языке несущей среды. Колебание голосовых связок приводит к кодированию голоса в виде модулированной плотности воздуха, являющегося в данном
случае средой, переносящей информацию. Пока голосовые связки неподвижны, никакая информация по воздуху не передается. Колебания, не
являясь информационным сигналом, на определенной частоте могут переноситься из одной точки пространства в другую, но не передавать никаких данных до тех пор, пока информация не будет каким-либо способом в них закодирована. Перенесение информации на несущую среду
предполагает модифицирование несущей среды и называется модуляцией.
На рис.2.1 схематически представлен процесс переноса информации на несущую среду. Огибающая высокочастотного сигнала, который
сам по себе не несет никакой информации, приобретает форму низкочастотного информационного сигнала. Форма несущей будет отражать передаваемую информацию. Представленный на рисунке простой пример
иллюстрирует запись небольшого количества информации, но основанная на нем концепция позволяет записывать достаточно большой объем
данных. На показанном примере основан код Морзе. На немодулированный несущий сигнал накладываются низкочастотные участки одинарной или двойной длительности, соответствующие точкам и тире кода
Морзе.
Как только информация закодирована в виде модуляции несущей
среды, она может быть передана по воздуху, по медным кабелям, через
космическое пространство на спутник или по оптическому волокну.
Рис. 2.1.Получение информационного сигнала.
24
В процессе декодирования на другом конце линии передачи приемник отделяет информационный сигнал от несущей. Человеческое ухо
анализирует колебания воздуха и переводит их в нервные сигналы. Радиоприемник также отделяет информационный сигнал от несущей. В закодированном сигнале приемник вырезает высокочастотный сигнал, сохраняя при этом низкочастотный для дальнейшей обработки. По оптическому волокну информация переносится светом.
Существуют различные способы модуляции несущей среды. На
рис. 2.2. представлены три основных варианта модуляции.
Рис. 2.2. Примеры различных типов модуляции.
1. Амплитудная модуляция (AM). Используется в средневолновом
радиодиапазоне. При этом амплитуда несущей волны варьируется в соответствии с амплитудой информационного сигнала.
2. Частотная модуляция (ЧМ). В данном случае модулируется частота несущей волны в зависимости от изменения амплитуды передаваемого сигнала. Таким образом, сигнал модулирует частоту несущей, а не
ее амплитуду. В коротковолновом радиодиапазоне применяется именно
этот способ модуляции.
3. Импульсная модуляция (ИМ). Технология импульсной модуляции основана на переводе аналогового сигнала (такого, например, как
голос) в цифровые импульсы. Голос может быть представлен серией чисел. При этом величина каждого числа находится в строгом соответствии с амплитудой голоса. Импульсная модуляция в основном используется для передачи голосового сигнала вдоль волоконно-оптических
телефонных линий.
Аналоговый и цифровой сигналы
Мы живем в мире аналоговых сигналов. Аналоговый сигнал подразумевает непрерывное изменение своих параметров. Голос является
аналоговым сигналом, поскольку голосовые колебания могут иметь раз-
25
личную амплитуду в любой точке звукового диапазона. Любой звук является аналоговым сигналом, поскольку его параметры изменяются
непрерывно. Электронное оборудование типа передающих и принимающих устройств использует аналоговые цепи для обеспечения непрерывного изменения параметров. Аналоговое электронное оборудование
было распространено до появления компьютеров.
Рассмотрим электрический свет, яркость которого регулируется с
помощью реостата. Вращение ручки реостата для установления необходимой яркости света является аналоговой операцией, причем яркость
изменяется непрерывно. У системы отсутствуют какие-либо дискретные
состояния, так что можно легко регулировать яркость, резко прибавляя
или убавляя ее.
Напротив, цифровой сигнал подразумевает дискретность значений
параметров системы, проявляющуюся, например, в высвечивании значений времени на электронных часах. В цифровых системах вся информация существует в виде цифровых импульсов.
В отличие от ламп с реостатными регуляторами яркости, лампы с
трехкнопочным переключателем яркости являются цифровыми устройствами. Каждому положению переключателя этих ламп соответствует
определенный уровень яркости. Никаких других промежуточных уровней яркости не существует. На рис.2.3 представлены примеры аналогового и цифрового сигналов.
В электронных коммуникациях фундаментальной является возможность преобразования аналогового сигнала в цифровой и наоборот.
Цифровые стереосистемы используют запись музыкальных произведений в цифровой форме в виде серии чисел, представляющих собой кодировку информации об аналоговом музыкальном сигнале. Электронные
проигрывающие устройства цифровых стереосистем преобразуют цифровой сигнал в аналоговый, соответствующий звучанию музыки.
Рис. 2.3. Аналоговая и цифровая информации.
Основы цифрового сигнала: биты и байты
В основе любой цифровой системы лежит понятие бита (сокращение от английского binary digit — двоичный разряд). Бит является основной единицей цифровой информации, принимающей одно из двух
значений: 1 или 0.
Существует много способов представления бита. В электронике
достаточно общим является наличие или отсутствие некоторого уровня
напряжения: наличие напряжения соответствует 1, а его отсутствие — 0.
26
Значение одного бита 1 или 0 может представлять только одно состояние системы — такое как "включено" или "выключено". Например, состояние лампы может быть представлено 0, если она выключена, и 1 во
включенном состоянии:
Выключена=0
Включена = 1
Один бит информации, таким образом, имеет достаточно ограниченную емкость. Для описания состояний лампы с переключателем на
три уровня яркости мы можем использовать 2 бита:
Выключена = 00
Включена=01
Средний уровень яркости =10
Максимальный уровень яркости =11
Два бита позволяют воспроизводить больший объем информации,
чем один бит. В примере с лампой 2 бита позволяют различать четыре
различных состояния лампы. Чем больше битов используется в одном
блоке, тем больше его информационная емкость. В компьютерах обычно
применяют блоки из 8 битов (либо с числами, кратными 8, такими как 16
или 32).
Восьмибитовый блок называется байтом. В одном байте можно с
запасом хранить цифровую информацию обо всех буквах, числах и других символах печатной машинки или клавиатуры компьютера. Использование 8 битов допускает 256 различных вариантов цепочек из 1 и 0.
Число различных комбинаций или значений цепочек длиной в 1 бит
равно 2 . Например, 16 битов дают 65536 комбинаций. При добавлении
одного бита число возможных комбинаций удваивается.
Схематическое изображение цепочки импульсов представлено на
рис.2.4. Переход из одного состояния в другое вдоль цепочки импульсов
происходит мгновенно. Подобного рода упрощенные диаграммы отражают характеристики цепочек импульсов и дают инженерам и техникам
возможность сравнивать их между собой.
Цепочка импульсов соответствует последовательности 1 и 0 цифровой информации и может представлять собой чередование интервалов
высокого и низкого уровней напряжения, либо его наличие и отсутствие.
На языке электроники цифра 1 представляет наличие напряжения, либо
его максимальное значение.
Рис. 2.4. Идеальная последовательность импульсов.
27
Цифра 0 — отсутствие напряжения, либо его минимальное значение. Таким образом, можно говорить о 1 как о состоянии включено, или
максимуме, а о 0, как о состоянии выключено, или минимуме.
В действительности изменение амплитуды импульса не происходит мгновенно, как показано на рис. 2.4. Электронные системы имеют
конечное время срабатывания — требуется определенное время для того, чтобы значение напряжения или мощности светового сигнала перевести из состояния включено в состояние выключено, либо осуществить
переключение между максимальным (высокое) и минимальным (низкое)
значениями. Имеется также ограничение на длительность импульса. Даже в компьютерных системах, допускающих переключение от тысячи до
миллиона импульсов в секунду, требуется одна миллионная или одна
миллиардная доля секунды на процесс переключения.
При решении инженерных задач, связанных с цифровыми системами, необходимо учитывать форму импульса. Рис.2.5 показывает различные характеристики импульса.
Рис. 2.5. Параметры импульса.
Амплитуда характеризует высоту импульса и уровень энергии в
импульсе. Величина энергии может определяться напряжением в цифровых системах или оптической мощностью в волоконно-оптических системах. Отметим, что в различных системах используются разные виды
энергии.
Время нарастания— время, в течение которого импульс увеличивается от 10% до 90% уровня максимальной амплитуды.
Время спада, противоположное времени нарастания, соответствует интервалу уменьшения амплитуды от 90% до 10%. Время нарастания
и спада в ряде случаев может различаться.
Ширина импульса соответствует временному интервалу, в течение которого амплитуда импульса превосходит уровень в 50% от максимальной амплитуды.
28
Длительность бита (период)— временной интервал, приходящийся на один импульс. Большинство цифровых систем используют
импульсы определенной длительности или специальные тактирующие
импульсы. Импульс может существовать в течение заложенной в системе длительности бита. Например, представим последовательность из пяти 0. Как узнать, что это не четыре или, скажем, шесть 0? По системным
часам определяется время, в течение которого ничего не происходит, и
по его длительности можно судить о прохождении именно пяти бит, а не
четырех или шести.
Системные часы (таймер) обеспечивают импульсы постоянной
длительности (тактирующие импульсы) для определения длительности
информационного бита. Каждый период (длительность) бита определяется одним или несколькими длительностями тактирующих импульсов.
Тактирующие импульсы напоминают колебания метронома: в обоих
случаях необходимо провести определенную операцию за заданный интервал времени (извлечь из музыкального инструмента ноту или распознать электрический импульс в электронном устройстве).
Время нарастания является очень важным параметром в электронике и волоконной оптике, поскольку оно ограничивает скорость работы
системы. Действительно, скорость, с которой импульс может быть
включен и выключен, будет определять максимальную частоту возникновения импульсов. Наиболее простой путь увеличения скорости работы
системы — уменьшение времени нарастания и спада импульса, ускоряя
тем самым процесс включения и выключения импульсов. При этом через систему проходит большее количество импульсов в течение заданного интервала времени. Даже если амплитуда импульса и его ширина
остаются без изменений, уменьшение времени нарастания приводит к
увеличению скорости работы. Уменьшение времени нарастания и спада
импульса позволяет уменьшить и ширину импульса, что приводит к еще
большему увеличению скорости работы. Наоборот, при увеличении
времени нарастания импульса снижается скорость работы системы.
Биты 1 и 0 могут быть сформированы не только простым включением и выключением напряжения, но и другими способами. Различные
форматы кодировки 1 и 0 имеют собственные преимущества и недостатки при передаче информации. Выше использовано представление 1 и 0 в
виде состояний высокого и низкого напряжения, совпадающих по длительности с заданной длительностью одного бита. В других кодировках
возможно использование обоих состояний высокого и низкого напряжения в течение интервала один бит для задания 1 или 0. Таким образом,
общими чертами кодировки в цифровых системах является использование 1 и 0, то есть высокого и низкого состояний.
Преимущества цифровых систем
Применение цифровых сигналов в компьютерах естественно: они
являются цифровыми по природе. Использование цифровой технологии
29
и двоичного представления чисел необязательно. Тем не менее, с точки
зрения компьютерного проектирования этот способ наиболее приемлем.
Транзисторы и интегральные схемы, включающие в себя тысячи транзисторов, работают как очень быстрые переключающие устройства.
Телефонные компании также используют цифровые технологии
при передаче голоса в виде цифрового сигнала. В чем преимущество такого решения? Сигнал при передаче на любое расстояние испытывает
искажения. Даже если голос без искажений переводится в электронный
аналоговый сигнал, за время, пока он достигнет приемного устройства,
он будет искажен. К сожалению, приемное устройство не в состоянии
исправить эти искажения, так как не обладает информацией о его первоначальной форме.
При использовании цифровых импульсов ситуация меняется.
Цифровой импульс имеет строго заданную форму. Приемное устройство
знает, как выглядят импульсы, ему достаточно получить информацию о
числе импульсов и порядке их следования. Таким образом, приемное
устройство может исправлять искажения цифрового сигнала, правильно
восстанавливая его первоначальную форму.
Информационная емкость
Любая среда, переносящая импульсы, имеет ограничение на объем
передаваемой информации. Объем информации, который можно передать по данному каналу, характеризует его информационную емкость.
Существует несколько способов определения данного параметра. В телефонных линиях емкость определяется числом голосовых каналов. Голосовой канал — это частотный диапазон, достаточный для передачи
голоса. Поскольку верхняя частотная граница человеческого голоса соответствует примерно 4 КГц, то голосовой канал должен иметь пропускную способность, равную 4 КГц. На заре становления телефонных линий каждый телефонный провод предназначался для передачи одного
голоса. Сегодня одна телефонная линия служит для одновременного соединения тысяч абонентов. Она, таким образом, характеризуется тысячами голосовых каналов.
Пропускная способность (bandwidth, частотная ширина канала,
полоса пропускания) определяется скоростью передачи информации по
каналу. Например, если оптическое волокно имеет пропускную способность 400 МГц, то оно позволяет передавать сигналы вплоть до этого
предела.
В цифровых системах емкость измеряется в битах в секунду
(бит/сек) или бодах, В телефонных системах один цифровой звуковой
канал требует 64000 бит/сек. Цифровая система, таким образом, занимает более широкий частотный диапазон, чем соответствующая аналоговая
система. Аналоговая телефонная система занимает 4 КГц для передачи
голоса; цифровая система потребляет в 16 раз больше — 64 КГц. Про-
30
стые цифровые телефонные системы, передающие 672 голоса по одной
линии, имеют скорость 44.7 мегабита в секунду (Мб/сек).
Технологии, позволяющие построить такие системы, — импульсная модуляция (ИМ) и мультиплексирование.
Импульсная модуляция и мультиплексирование
Технология преобразования аналогового звукового сигнала в цифровой сигнал называется импульсной модуляцией (ИМ). Мультиплексирование с разделением по времени позволяет передавать по одной линии
несколько звуковых каналов.
Теория коммуникаций утверждает, что аналоговый сигнал, подобный голосу, может быть преобразован в цифровой, если частота выборки, по крайней мере, в два раза превосходит его максимальную частоту.
Верхняя частотная граница звукового сигнала в телефонии составляет
4000 Гц, что соответствует частоте выборки устройства ИМ 8000 раз в
секунду. Выборка представляет собой процесс считывания амплитуды
звукового сигнала. Результат каждого считывания записывается в виде
8-битового числа. Восьми битов достаточно для записи информации о
256 различных результатах считывания амплитуды. Поскольку каждое
считывание записывается в виде 8-битового числа и каждую секунду
происходит 8000 считываний, то информационная емкость одного звукового канала составляет 64000 бит/сек (8000 считываний х 8
бит/считывание = 64000 бит). На приемном конце аналогичные правила
выполняются для обратного процесса декодирования и восстановления
звукового сигнала. На рис. 2.6 схематически представлена идея ИМ.
Существует много способов конструирования и использования ИМсистем, общими для которых является изложенная выше идея.
Передача 64 000 битов в секунду не представляет большой проблемы для стандартной линии. Для полного использования информационной емкости линии телефонные компании передают несколько телефонных каналов по одной линии. Может возникнуть впечатление, что
каналы используются одновременно, хотя это не так.
Рис. 2.6. Импульсное модулирование.
31
Сначала передается часть первого разговора, затем часть второго,
часть третьего и так далее. Устройство, позволяющее комбинировать
передачу различных сигналов по одной линии, называется мультиплексором. Скорость передачи системы при этом позволяет передавать все
сигналы по очереди. Демультиплексор производит обратную операцию
и разделяет поступающие сигналы.
Мультиплексированием с разделением по времени (Time-division
multiplexing, TDM) называется технология мультиплексирования, отводящая каждому звуковому каналу определенную временную квоту. Существуют также другие виды мультиплексирования, такие как: мультиплексирование
с
частотным
разделением
(Frequency-division
multiplexing, FDM) мультиплексирование разделением по длинам волн
(Wave-division multiplexing, WDM). FDM приписывает различным информационным каналам несущие с различной частотой. Кабельное телевидение использует именно FDM. WDM используется исключительно в
оптических коммуникациях.
Волоконная оптика крайне важна для подобных телефонных систем, так как ее возможности по передаче информации превосходят возможности систем на медном кабеле.
Децибел (дБ) — важная величина, которая используется как в волоконной оптике, так и в электронике для выражения усиления или затухания в системе в целом или в ее компонентах. Транзистор, например,
может усиливать сигнал, увеличивая амплитуду его напряжения, тока
или мощности. Это увеличение называется усилением. Аналогично, затухание — это уменьшение напряжения, тока или мощности. Основные
уравнения, определяющие децибел, следующие
U 
I 
P 
B  20 log 10  1 ; B  20 log 10  1 ; B  10 log10  1 
U2 
 I2 
 P2 
где V— напряжение, I— ток и Р— мощность. Децибел, таким образом,
характеризует отношение двух напряжений, токов или мощностей. Отметим, что в случае напряжения и тока отношение логарифмов умножается на 20, а в случае мощности — на 10.
В основном децибел используется для сравнения входной и выходной мощности системы, электрической цепи или отдельного компонента устройства. Количество децибел говорит о влиянии устройства на
сигнал. Транзистор, как правило, усиливает сигнал. Другие компоненты
могут приводить к затуханию сигнала. Если Pout.— выходная мощность
и Pin — входная мощность, то децибелами описывается, как влияют на
систему различные включаемые в нее компоненты. Иногда, например,
требуется разрезать кабель и установить на свободные концы соединиP
B  10 log10  out
 Pin



32
тели для стыковки и расстыковки отдельных отрезков кабеля. Включение соединителей вносит некоторое затухание, которое выражается в
децибелах. В других случаях для обеспечения затухания в систему специально включается устройство, называемое аттенюатор.
В волоконной оптике, как правило, имеют дело с затуханием оптической мощности. (Электронные устройства в передающем и принимающем устройствах могут обусловливать усиление напряжения и тока.) Источник испускает оптическую мощность. По мере перемещения
по волокну свет теряет свою мощность. Эти потери выражаются в децибелах. Например, если источник имеет мощность 1000 микроватт (мкВт)
и приемник принимает сигнал мощностью 20 микроватт, то затухание в
системе составляет 17 дБ:
P
B  10 log10  out
 Pin

 20 
  10 log10 
  16,989 дБ
 1000 

где Pin— мощность, испускаемая источником, а Pout— мощность принимаемого сигнала.
Таблица демонстрирует долю сохраняющейся энергии при различных величинах затухания. Потери в 10 дБ (-10 дБ) соответствуют
90% энергии, и только 10% достигают приемника. Дополнительное увеличение затухания на 10 дБ приводит к увеличению потерь на порядок.
Заметим, что уровень потерь в 3 дБ соответствует потере половины
мощности.
Волоконно-оптические линии обычно допускают потери на уровне
в 30 дБ, что соответствует 99.9% потери мощности при передаче сигнала. Если источник имеет мощность 1000 мкВт, то в этом случае только 1
мкВт достигнет приемника. Поэтому в волоконной оптике большое
внимание уделяется мощности источника, потерям в системе и чувствительности приемника по отношению к слабым сигналам.
Напомним, что затухание, выраженное в децибелах, имеет отрицательную величину. В волоконной оптике обычной практикой является
опускание отрицательного знака и оперирование с затуханием, скажем, в
6 дБ. В действительности затухание равно -6 дБ, Эта величина получается из решения уравнения, определяющего затухание. Но в речи и даже в
сводной таблице отрицательный знак опускается, не приводя к существенной неопределенности. Если выражение затухания используется в
каком-либо уравнении, не забывайте приписывать ему отрицательный
знак! (Неопределенность может возникнуть из-за того, что некоторые
уравнения адаптированы с учетом отрицательной величины затухания.)
Иногда в соотношении, используемом для определения затухания
или усиления, используется постоянное значение Pin. В волоконной оптике обычно используется величина в 1 милливатт (мВт).
33
дБм (dBm) означает "децибел, соотнесенный к милливатту". В этом случае, как правило, используется отрицательная величина. Величина -10
дБм означает, что Р на 10 дБ меньше, чем 1 мВт, или равна 100 мкВт.
Аналогично, -3 дБм соответствует 500 мкВт. Единицы дБм часто используются инженерами и техниками.
Контрольные вопросы:
1. Что такое фотоника?
2. Причины возникновения фотоники?
3. Почему в настоящее время наблюдается переход от электронных информационных систем к фотонным?
4. Какие факторы ограничивают работу информационных систем?
5. Что такое закон Мура?
6. Что такое информация?
7. Что такое аналоговый и цифровой сигналы?
8. Преимущества цифрового сигнала?
9. Назовите характеристики цифрового сигнала?
34
Лекция 3
Тема 2. Источники сплошного и линейчатого спектра
Раздел 3.1. Источники света. Параметры источников света
Основные виды источников излучения
Большинство окружающих нас предметов сами по себе не
испускают свет. Их цвет определяется способностью этих тел к
отражению, пропусканию света от внешних источников излучения.
Таким образом, цвет тел напрямую связанным со спектральными
(«цветовыми») характеристиками источников света.
Рассмотрим источники света, получившие наибольшее распространение.
Источники света нагретого тела (тепловое излучение)
Такие источники обладают непрерывным спектром излучения. В
основы их работы положен хорошо известный из физики эффект: всякое
тело при температуре больше нуля (T  0) является источником
излучения. При низких температурах тела основное излучение
приходится на инфракрасные лучи, примерно с Т~5000С начинает
появляться видимое глазом красноватое свечение. Если продолжить
нагрев, то цвет излучения изменится: красный → жёлтый → белый →
голубовато-белый, параллельно увеличивается яркость источника.
Рис. 3.1. Зависимость спектра излучения абсолютно черного тела от температуры.
Законы теплового излучения хорошо описываются моделью
абсолютно черного тела. Хорошей моделью абсолютно черного тела
может служить внутренняя поверхность горячего пустотелого шара с
небольшим отверстием, через которое и наблюдают излучение.
Установлено, что спектральный состав излучения абсолютно черного
тела не зависит от его химической природы, а определяется только
температурой тела.
Основные параметры излучения абсолютно черного тела
описываются законами:
Закон смещения Вина позволяет определить длину волны мах, на
которую приходится максимальная мощность излучения:
35
махТ = b,
где  мах - измеряется в нанометрах (нм), Т – абсолютная температура тела (подставляется в Кельвинах), b =2.9·106 нм·К - постоянная Вина.
Закон Стефана-Больцмана позволяет рассчитать суммарную
мощность излучения R, испускаемого единицей площади абсолютно
черного тела на всех длинах волн. Отметим, что часто эту величину
называют «энергетическая светимость».
R=Т4,
где R- измеряется в «Вт/м2», Т – абсолютная температура тела (подставляется в Кельвинах),  = 5,67·10–8 Вт/(м2·К4) - постоянная СтефанаБольцмана.
Излучение конкретного источника нагретого тела можно охарактеризовать путем сравнения с различными по температуре абсолютно
черными телами. Соответствующую характеристику источника света
называют «цветовая температура».
Цветовая температура источника (Тс) – это такая температура
абсолютно черного тела, при которой цвет его излучения совпадает с
цветом излучения рассматриваемого источника.
ПРИМЕРЫ:
1) Лампа накаливания - нагретым телом является нить из вольфрама.
Различают несколько видов ламп накаливания:
 Осветительные (мощность 25÷100 Вт) – обладают Тс
~2500÷2800К
 Фотолампы, кинопроекционные лампы, галогеновые – дают
больше света, Тс=3200÷3400 К.
2) Солнце – нагретым телом является поверхность Солнца. Излучение Солнца за пределами атмосферы Земли характеризуется Тс
~5800÷6560К.
Проходя через атмосферу, солнечный свет трансформируется: частично поглощается, частично - рассеивается, вследствие чего его спектральная характеристика изменяется. Свет, освещающий земную поверхность, складывается из прямого солнечного света и света, рассеянного небосводом. Поэтому суммарное излучение («дневной свет») в зависимости от времени года, дня и погодных условий может иметь различную цветовую температуру. Некоторые цифры:
Цвет чистого неба (голубой) – Тс=10 000 К 30 000 К.
Прямой солнечный свет, без учета света небосвода – Тс  5000 К
(точное значение 5200 К).
Газоразрядные лампы
В основу работы таких ламп положено явление свечения газов или
паров металлов, возникающее при пропускании через них электрического тока.
36
1) Ртутная лампа
Мы наблюдаем свечение паров ртути внутри лампы. Спектр излучения - линейчатый.
Рис. 3.2. Фрагмент спектра излучения ртутной лампы (видимая глазом область).
2) Люминесцентная лампа («лампа дневного света»)
Представляет собой ртутную лампу, колба которой изнутри покрыта особым светящимся составом люминофором. Помимо изображенных на рис. 3.2 линий, в спектре ртути присутствуют еще две чрезвычайно сильные ультрафиолетовые линии – 185 нм и 254 нм. Их излучение и возбуждает свечение люминофора. Таким образом, спектр лампы
дневного света смешанный: в нем содержится и линейчатое излучение
паров ртути и непрерывное излучение люминофора.
3) Неоновые лампы («плазменные индикаторы»)
Светится газ неон. Спектр излучения – линейчатый, обычно обладает красным цветом.
Полупроводниковые источники света
В основу работы данных источников положено явление свечения
особых полупроводниковых структур (так называемых «p-n переходов»
или «гетеропереходов») при пропускании через них электрического тока. Эти источники света являются самыми совершенными и высокотехнологичными на сегодняшний день. Они получили широкое распространение в последнее время. Важной особенностью полупроводниковых
источников света является очень высокая эффективность преобразования электрической энергии в световое излучение: КПД может достигать
80÷90%! Устройства технологичны, компактны и долговечны.
ПРИМЕРЫ:
1) Светодиод
Спектр такого источника представляет собой «единственную линию» – то есть содержит волны с очень близкой длиной. Другими словами, светодиод излучает практически спектрально-чистое (монохроматическое) излучение. При необходимости, изготавливают светодиоды
37
различных цветов. Комбинируя несколько разноцветных светодиодов,
можно получить белый свет.
2) Лазер
Спектр излучения источника так же состоит из единственной линии, которая в данном приборе является максимально узкой - в лазерах
различие испускаемых световых волн по длине приближается к своему
минимально теоретически возможному значению. Поэтому как для
науки, так и для прикладных задач лазер является уникальным источником излучения. В частности, его луч способен преодолеть десятки километров, практически не расширяясь.
Стандартные источники излучения
В связи с тем, что источники света разной конструкции обладают
разным спектром, измерения цвета несамосветящихся тел необходимо
проводить в некоторых стандартизированных условиях - для достижения воспроизводимости результатов. В 1931г. Международная комиссия
по освещенности (МКО) рекомендовала для использования в измерениях четыре стандартных источника, обозначаемых латинскими буквами:
«А», «В», «С», «Е». Часто их еще называют стандартными излучениями
МКО. Впоследствии, из-за широкого распространения люминесцирующих (светящихся) красителей – такие красители используются для повышения белизны текстильных материалов, в рекламе, для театральных
эффектов – к уже имеющимся стандартным излучениям было добавлено
излучение типа «D», содержащее невидимые УФ лучи.
Последовательно рассмотрим стандартные источники: выясним их
область применения и конструкцию.
1. Источник типа А - эталон искусственного света.
Данный источник представляет собой лампу накаливания с
вольфрамовой нитью стандартизированной формы и размеров, на
которую подается строго определенной напряжение питания.
Цветовая температура излучения: Тс = 2850 К.
Испускаемый свет: среднестатистический искусственный свет
(«теплый» или «желтоватый» свет)
Источник позволяет правильно охарактеризовать цвета предметов
в помещениях.
2. Источник типа В - эталон прямого солнечного света
Источник получают путем пропускания света от стандартного источника типа А через жидкие светофильтры определенной рецептуры.
Вместо растворов в 1961 году в СССР были разработаны более удобные
в использовании стеклянные фильтры. Стандартный источник со стеклянными фильтрами первоначально в литературе обозначали нижним
индексом «1961» - В1961, хотя в целом, он практически тождественен источнику В (различия в результатах цветовых измерений начинают только во втором знаке после запятой). В настоящее время жидкие фильтры
38
вышли из употребления, поэтому нижний индекс в обозначении источника «со стеклами» стали опускать.
Цветовая температура излучения: Тс = 4800 К
Испускаемый свет: прямой света полуденного солнца.
3. Источник типа С - эталон естественного света №1
Источник типа С так же получают из стандартного источника типа
А с помощью светофильтров. Если светофильтры жидкие, то излучение
обозначается «С», если фильтры стеклянные – «С1961». В настоящее время в данном источнике используют только стеклянные фильтры, соответственно, дополнительный индекс опускают.
Цветовая температура излучения: Тс = 6500 К
Испускаемый свет: рассеянный солнечный свет при малооблачном
небе (прямой свет солнца + рассеянный свет от неба).
4. Источник типа D - эталон естественного света №2
Источник данного типа получают путем пропускания света от газоразрядной лампы определенной конструкции, заполненной парами йода или ртути, через стеклянные светофильтры. В зависимости от конкретного использованного фильтра, различают три варианта данного источника:
D55 – цветовая температура излучения Тс = 5500 К
D65 – цветовая температура излучения Тс = 6500 К
D75 – цветовая температура излучения Тс = 7500 К
Излучение источника D65 по спектральному составу близко к излучению источника С, однако в отличие от него содержит ультрафиолетовые лучи. По своим свойствам свет подобного источника наиболее близок к естественному дневному свету. В настоящее время источники В и
С выходят из употребления, из заменил источник D65.
5. Источник типа Е - эталон белого света
Источник данного типа получают из источника типаА с помощью
светофильтров.
Цветовая температура излучения: Тс = 5700 К
Испускаемый свет: «равноэнергетический1» или «равностимульный» белый свет.
6. Источник S - эталон рассеянного солнечного света
Цветовая температура излучения: Тс = 25 000 К
Испускаемый свет: свет голубого небосвода (только рассеянные
солнечные лучи). Конечно, каждый из реальных источников обладает
своей цветопередачей по сравнению с выбранным стандартным – посвоему влияет на восприятие цвета предметов. При этом желательно,
чтобы освещение украшало предмет. Главным образом следует
обращать внимание на цвет человеческого лица, рук и пищи. Так же
1
Равноэнергетическим светом называют излучение, в состав которого входят волны одинаковой мощности (в
пределах видимого диапазона 380 780нм).
39
рекомендуется следить за
непродовольственных товаров.
освещением
растений,
цветов
и
Рис. 3.3 Спектры стандартных излучений МКО.
Раздел 3.2. Источники когерентного излучения. Спонтанное и
вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна. Метастабильные уровни. Инверсная заселенность
Спонтанное и вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна.
Рис.3.4. Типы переходов в квантовомеханических системах.
40
Излучение в полости представляет собой совокупность квантов с
энергией    . Кванты могут поглощаться атомами, которые при этом
переходят на более высокий энергетический уровень с энергией
E1  E0  , где E0 – исходный энергетический уровень атома (рис. 3.1а).
При переходе атома с уровня E1 на E0 излучается квант с энергией
  E1  E 0 , эти уровни (рис. 3.4) и назовем соответственно нижним и
верхним уровнем.
Между материальными телами (стенками полости) и излучением
происходит постоянный обмен энергией. Динамическое равновесие
между ними наступает, когда обмен квантами уравновешен для каждой
частоты. Поэтому ниже рассмотрена лишь одна частота. С нижнего
уровня на верхний переходы возможны только с поглощением кванта
энергии, т.е. под влиянием падающего излучения (рис.3.4.а). Такие переходы называются вынужденными. Переходы с верхнего на нижний
уровень могут быть как вынужденными (рис. 3.4.б), под влиянием падающего на атом излучения, так и спонтанными, происходящими независимо от падающего на атом излучения (рис.3.4..в).
Обозначим A 10 вероятность спонтанного перехода 10 в секунду,
N 1 – концентрацию атомов на верхнем уровне. Тогда частота спонтанных переходов
(с )
10
 N1A10 .
Частота вынужденных переходов пропорциональна числу падающих фотонов или спектральной плотности излучения u  . Обозначим B10
и B 01 вероятности вынужденных переходов 10 и 01 в секунду под
действием излучения с u   1 ; N 0 – концентрацию атомов на нижнем
уровне. Тогда для частоты вынужденных переходов можно записать
( в)
10
 N1u  B10 ,  (01в)  N0 u  B01 .
( с)
( в)
 10
 (01в) или
Условие динамического равновесия имеет вид 10
N1A10  N1u  B10  N 0 u  B01 .
(3.3).
В равновесном состоянии выполняется распределение Больцмана, которое для концентраций атомов имеет вид
E ( kT)
N1  AeE ( kT) , N 0  Ae
(3.4),
где A – нормировочная постоянная. Подставляя (3.4) в (3.3), находим
A10e E (kT)  u B10e E (kT)  u B01eE (kT)
(3.5).
Величины A 10 , B10 и B 01 называются коэффициентами Эйнштейна.
Из физических соображений следует, что при T   должно быть
u    . Тогда из предельного перехода в (3.5) следует, что
0
1
1
1
0
41
B10  B01 .
(3.6)
Поэтому соотношение (3.5) может быть записано в виде
A10
1
,
(3.7)
 kT
B10 e
1
где   E1  E 0 . Значение A10 B10 можно найти, если учесть, что (3.7)
u 
при малых частотах должно совпадать с формулой Рэлея-Джинса. При
  kT exp(   kT )  1    kT и (3.7) приобретает вид
u 
A10 kT
..
B10 
Сравнивая полученное выражение с формулой Рэлея-Джинса, находим
A10 B10  3 (2 c3 ) .
В результате формула (3.5) приобретает вид
3
1
u   2 3  kT
 c e
1
(3.8).
Соотношение (3.8) представляет собой формулу Планка.
Спонтанное излучение имеет случайное направление распространения, случайную поляризацию и случайную фазу. Вынужденное излучение в этом отношении отличается от спонтанного.
Направление распространения вынужденного излучения в точности
совпадает с направлением вынуждающего излучения. То же самое
относится к частоте, фазе и поляризации вынужденного и вынуждающего излучения. Следовательно, вынужденное и вынуждающее излучение оказываются строго когерентными. Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света, называемых лазерами.
При прохождении света через среду осуществляется обмен квантами между пучком света и атомами среды посредством вынужденных
переходов и спонтанное испускание квантов. Обозначим частоту излучения, концентрацию атомов на нижнем и верхнем уровнях соответственно , N 0 и N 1 . Объемную спектральную плотность излучения частоты  обозначим u  . Она изменяется в результате вынужденного поглощения квантов атомами среды, благодаря чему плотность потока
уменьшается, и вследствие вынужденного излучения атомов, приводящего к увеличению плотности u  . Закон сохранения энергии при вынужденных переходах запишется в виде
du  dt  u  B10 N 1  u  B 01 N 0 
(3.9),
 u  B( N 1  N 0 )
где B  B10  B01 . С помощью обозначений для коэффициента
  B( N1  N 0 ) v , где v – скорость света с частотой  в среде, и плотности потока энергии S  vu уравнение (3.9) может быть записано в виде
42
(3.10).
В состоянии термодинамического равновесия концентрация атомов описывается распределением Больцмана. Из него следует, что при
E1  E 0 N1  N 0 и поэтому   0 . Это означает, что плотность потока по
мере прохождения света в среде уменьшается. Механизм уменьшения
плотности состоит в следующем. В результате вынужденных переходов
атомов с нижнего энергетического уровня на верхний уровень плотность
энергии потока уменьшается.
Если привести систему атомов в неравновесное состояние и
тем самым нарушить распределение Больцмана, так чтобы образовалась инверсная заселенность уровней N1  N 0 , то коэффициент 
станет больше нуля   0 . В этом случае пучок при прохождении
усиливается, т.е. среда действует как усилитель светового потока.
Это позволяет создать генераторы и усилители волн, основанные
на индуцированном излучении. Для светового диапазона подобные генераторы называются лазерами, а для микроволнового – мазерами.
С помощью светового пучка нельзя добиться инверсной заселенности уровней, для которых E1  E 0   , где  – частота света. Инверсную заселенность уровней можно создать с помощью некоторого воздействия, независимого от усиливаемого света. Создание инверсной заселенности называется накачкой. Наиболее простой метод накачки осуществляется в трехуровневых системах (рис. 3.5).
dS dt   vS
Рис. 3.5. Трехуровневая система накачки.
На рис. 3.5 изображено распределение заселенности в равновесном
состоянии системы. При воздействии на систему вспомогательным излучением большой мощности с частотой н  (E3  E1 )  заселенности
уровней E 1 и E3 практически сравниваются. Допустим, что время жизни
атомов на уровне E3 очень мало (~ 10-8) и они спонтанно переходят на
уровень E 2 , время жизни на котором у них достаточно велико (~ 10-3).
Уровни с аномально высоким временем жизни называются квазистационарными или метастабильными. Ясно, что атомы на уровне E 2 будут
накапливаться, в результате чего создается инверсная заселенность
43
между уровнями E 1 и E 2 (рис. 3.5). Переход между этими уровнями может быть использован для усиления света с частотой   ( E 2  E 1 )  .
Накачка лазеров может быть самой разнообразной, не только с помощью света. По характеру зависимости накачки от времени она может
быть непрерывной и импульсной. Если накачка осуществляется импульсами, то и излучение лазера импульсное. При непрерывной накачке, при
выполнении условия генерации, излучение лазера непрерывно (при непрерывной накачке возможен также и импульсный режим излучения).
Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно
связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.
Среда, в которой создана инверсная населенность уровней,
называется активной. Она может служить резонансным усилителем
светового сигнала. Для того чтобы возникала генерация света, необходимо использовать обратную связь. Для этого активную среду нужно
расположить между двумя высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад так, чтобы он многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии
когерентных фотонов. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот процесс в лазерной физике принято
называть накачкой.
Начало лавинообразному процессу в такой системе при определенных условиях может положить случайный спонтанный акт, при котором возникает излучение, направленное вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации.
Это и есть лазер. Лазерное излучение выводится наружу через одно (или
оба) из зеркал, обладающее частичной прозрачностью. На рис. 3.6 схематически представлено развитие лавинообразного процесса в лазере.
Исходя из вышеотмеченного, можно сделать вывод о конструкции
лазера (рис. 3.7). Для того чтобы вещество стало источником когерентного излучения, оно должно иметь область с инверсной населенностью
(N1> N0) и связанную с ней область пространства (резонатор), в которой
происходит увеличение энергии фотона в единице объема за счет индуцированного излучения (E(f) > 1).
44
Рис. 3.6. Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.
Фотонное поле создается отражателями фотонов, образующими
резонансную систему.
Рис. 3.7 Общая конструкция лазера.
Определение резонатора для лазера.
В широком смысле резонатором называют колебательную систему, в которой возможно накопление энергии электромагнитных, акустических или механических колебаний. В пространственных (объемных)
резонаторах могут возбуждаться колебания только определенных длин
волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты
этих колебаний называются резонансными или собственными частотами
резонатора, а колебания модами резонатора.
Резонатор лазера для системы оптической связи должен быть
сконструирован таким образом, чтобы в нем сохранялось небольшое
число мод, а остальные должны гаситься. Для этого резонаторы делают-
45
ся открытыми. Пример конструкции резонатора открытого типа (Фабри
– Перо) приведен на рис. 3.8. Электромагнитные волны, распространяясь
вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их
поверхности и интерферировать между собой и образуют стоячие волны.
Рис. 3.8. Резонатор Фабри – Перо.
Условие образования стоячих волн записывается:
L

m
2
где m = 1, 2, 3,... – число полуволн. Частотное расстояние между двумя
ближайшими колебаниями определяется соотношением
f m  f m  f m1 
c
c
c


 m  m1 2L
С учетом показателя преломления среды внутри резонатора можно
записать:
f m 
c
2Ln
где n > 1. Также можно показать, что
 m 
2 m
2Ln
Открытый резонатор способствует разрежению мод по сравнению
с объемным из-за того, что волны, распространяющиеся в резонаторе
под углом не слишком малым, после нескольких отражений выходят из
резонатора. Важной характеристикой резонатора является его добротность:
Q
Ln
 ln R
где R – коэффициент отражения зеркал.
Пример: L = 0,5 мм; R = 0,3; n = 3,6; l = 0,85 мкм, Q = 5787
Для создания инверсной населенности в веществе, помещаемом в
резонатор, используются следующие методы: оптическая накачка, газовый разряд, химическая накачка, газодинамическая накачка и
другие. В технике оптических систем связи в основном используются
полупроводниковые материалы для изготовления лазеров. Источником
накачки приборов в этом случае является источник электрического тока.
Основу конструкции лазера на полупроводниках составляют гетеропереходы, т.е. слои полупроводников с различными квантовыми
и оптическими характеристиками.
46
Лекция 4
Раздел 4.1. Анализ механизма создания инверсных населенностей в трехуровневых схемах. Описание принципа работы лазера на
рубине. Работа лазера в режиме модулированной добротности
Анализ механизма создания инверсных населенностей в
трехуровневых схемах. Определение зависимости населенностей
уровней от плотности (интенсивности) возбуждающего излучения
накачки.
Основной физический процесс, определяющий действие лазера, это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при
взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении
энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы)
В результате этого взаимодействия атом переходит в
невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового
фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и
поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием
данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных
фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с
возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может
возникнуть “цепная реакция” размножения одинаковых фотонов,
“летящих” абсолютно точно в одном направлении, что приведет к
появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения
лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой
возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку
при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило
бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной
населенностью уровней энергии.
Элементарные процессы, приводящие к образованию инверсии на
рабочих
уровнях,
определяются
переходами
между
рядом
энергетических состояний. В большинстве случаев нет необходимости
рассматривать возможные переходы между всеми уровнями (число их,
как известно, может быть бесконечным). Разумно учесть только те
переходы, которые вносят наиболее существенный вклад в изменение
населенности рабочих уровней под воздействием внешнего возбуждения
(накачки). Более того, при анализе условий возникновения инверсии
группу уровней можно рассматривать как один эквивалентный
уровень (или полосу) с каким-либо определенным эффективным
временем жизни. В результате таких упрощений можно говорить о
двух-, трех- и четырехуровневой схеме возбуждения активного
вещества в зависимости
от
количества
принципиально
необходимых энергетических уровней (или групп уровней),
участвующих в создании инверсии населенностей. Ей соответствует
двух-, трех- и четырехуровневая схема работы квантовых
47
усилителей и генераторов. Очевидно, нижний уровень должен быть
основным, а остальные уровни — возбужденными.
Рассмотрим особенности трехуровневых схем. Предложение
использовать для создания инверсии населенностей более сложные трехи четырехуровневые схемы накачки вызвало прогресс в квантовой
электронике.
Механизм создания инверсии населенностей в трехуровневых
схемах поясняет рис. 4.1.
Рис. 4.1 Трехуровневые схемы работы квантовых усилителей и генераторов
первого (а) и второго (б) типов.
В зависимости от того, между какими уровнями достигается
инверсия, различают трехуровневые схемы первого и второго типов. В
схемах первого типа рабочий переход заканчивается в основном
состоянии (рис. 4.1, а), а в схемах второго типа — в возбужденном (рис.
4.1, б). Накачка осуществляется по возможности селективно на уровень
Е3. По трехуровневой схеме первого типа работает рубиновый лазер, а
по схеме второго типа - гелий-неоновый газовый лазер.
В трехуровневых схемах канал накачки и канал усиления частично
разделены. Это позволяет использовать для достижения инверсии
наиболее универсальный метод оптической накачки, а также накачку с
помощью газового разряда. Возможность получения инверсии
населенностей с помощью оптической накачки в трехуровневой схеме
довольно очевидна. Например, если в схеме второго типа осуществить
селективный переход E1→ Е3, то уровень Е3 окажется инверсно
заселенным относительно уровня Е2 (при kT<<E2 −E1). Из рисунка
можно заключить, что накопление частиц на верхнем лазерном уровне
(Е2 в схеме первого типа и Е3 − в схеме второго типа) будет в том случае,
если релаксационные процессы Е3→Е2 в схеме а) и E2→ E1 в схеме б)
идут достаточно быстро, а верхний рабочий уровень является
метастабильным.
Определим зависимость населенностей уровней от плотности
(интенсивности) возбуждающего излучения накачки  H  13 .
В качестве примера рассмотрим трехуровневую схему первого
типа. Предположим, что возбуждение системы (накачка) осуществляется
48
чисто оптическим путем в канале 1→3, а внешнее возбуждение в
каналах 2→3 и 1→2 отсутствует (или пренебрежимо мало).
Скорость
релаксации
может
осуществляться
за
счет
излучательных и безызлучательных переходов, так что  32  A 32  S 32 .
Рассмотрим сначала режим усиления, когда активное вещество не
находится в резонаторе. Соответствующие переходы изображены на рис.
4.2, а).
Рис. 4.2. Трехуровневая схема (а) и зависимость относительной населенности
уровней от интенсивности накачки (б) в отсутствие (сплошные линии) и при
наличии (пунктирные линии) резонатора.
Кинетические уравнения в этом случае для стационарного режима
будут иметь следующий вид:
dN 3
 н B13 N1  н B31  (32  A 31 )N 3  0,
dt
dN 2
 32 N 3  21 N 2  0,
dt
N1  N 2  N 3  N;
Для простоты кратности вырождения
g1  g 2  g 3  1 и решим указанную систему
населенности уровней:
49
уровней примем
уравнений, найдя
N3  N  N1  N 2;
N3 
 21
N2;
 32
 21
N 2  N  N1  N 2;
 32


 N 2  21  1   N  N 1 ;
  32


    32
 H B 13  N  N 2  21
 32




    H B 31   32  A 31  21 N 2  0 ;
 32


 
 
N2  H B31 21 32  H B31  32  A31  21   NH B31;
32
32 



 NH B3132
N2  
;
  H B3121  32   21H B31  32  A31 


32H B31
N2  
 N;




A



2





B
31
21
32 H 31 
 21 32



21HB31
N3  21 N2  
N;
32
2132  A31  221  32 HB31 




 21HB31  32HB31
N1  N2  21 1  N  N3  N2  N  
N  N 





A



2





B
21
32 H 31 
 32 
 21 32 31
   B    B     A   221  32HB31 
  21 H 31 32 H 31 21 32 31
N 
2132  A31  221  32HB31




21A31  32  HB31

N;







A

2




B
21
32 H 31 
 21 32 31
Зависимость относительной населенности уровней Ni/N(i = 1,2,3)
от плотности накачки, согласно полученным выше выражениям,
представлена на рис.4.2,б. При больших плотностях накачки
населенности основного и верхнего состояний в пределе Н  
стремятся к
lim N 1  lim N 3 
 Н 
 Н 
21
N;
221  32
а населенность уровня E2 при  H   стремится к
lim N 2 
 Н 
32
N.
221  32
При 32  21, как видно из рис. 4.2, б и полученных соотношений,
начиная с некоторого значения плотности накачки ρн между уровнями E2
и E1 будет наблюдаться инверсия населенностей (N2>N1). Величина
50
инв
пороговой плотностью накачки по инверсии. С
н называется
увеличением н   инв
инверсия увеличивается.
н
Отметим, что пороговая накачка для генерации будет
превышать пороговую накачку по инверсии, поскольку для
возникновения генерации необходимо выполнить еще условия
инв
самовозбуждения. Приравнивая выражения для N2 и N1, найдем н :
   A31 
инв
 21 32
.
н
B31 32  21 
Из проведенного рассмотрения вытекает, что для накопления
частиц на уровне E2 и создания максимальной инверсии населенностей
наиболее выгодны системы с большим значением  32 (переход 3→2
должен быть быстрым), малым значением  21 (уровень E2 должен быть
метастабильным) и большим коэффициентом Эйнштейна В13
(оптический переход 1→3 должен быть разрешен).
В системе, а, следовательно, и в ее решении вероятность перехода
ω21 считалась постоянной, не зависящей от скорости накачки. Это
справедливо в отсутствие генерации, когда опустошением уровня E2 за
счет вынужденных переходов можно пренебречь. Если же активное
вещество помещено в резонатор, то после превышения инверсии над
некоторым пороговым значением начинает развиваться процесс
генерации. Наличие интенсивного излучения на частоте ω21 и связанных
с ним вынужденных переходов 21 и 1 2 вызывает изменение
населенности уровней. Возрастание интенсивности накачки ρн приводит
к увеличению инверсии ∆N=N2-N1, а, следовательно, и к увеличению
усиления. Увеличение поступления частиц на уровень E2, вызываемое
ростом накачки, компенсируется возрастанием числа активных
переходов 2→1. Поэтому в режиме генерации инверсия ∆N=N2-N1
остается приблизительно постоянной, как изображено пунктирными
линиями на рис. 1.2б). Ее значение примерно равно пороговой
перенаселенности, при которой усиление превышает потери в
ген
генераторе и которая достигается при пороговой накачке, равной н .
В заключение отметим следующие моменты, относящиеся к
трехуровневым схемам.
1. Для исключения термического заселения необходимо, чтобы
энергетические расстояния между уровнями E2→ E1 были больше kT.
Однако они не должны быть слишком большими, поскольку в
противном случае большая часть энергии накачки будет расходоваться
бесполезно. Это приведет к уменьшению к.п.д. и разогреву активного
вещества, если избыточная энергия при релаксационных процессах в
конечном итоге выделится в виде тепла.
51
2. При оптической накачке, когда источник накачки излучает в
широкой области спектра, необходимо, чтобы верхний уровень (или
система уровней) был достаточно широким. Это нужно для более
полного использования излучения накачки.
3. Для исключения самопоглощения, приводящего к переходам
E1→ E2 желательно, чтобы релаксационные процессы осуществлялись за
счет неоптических (безызлучательных) переходов.
4. Время жизни на верхнем лазерном уровне должно определяться
излучательными процессами, а вероятность безызлучательных
переходов с этого уровня должна быть минимальной.
Описание принципа работы лазера на рубине.
Лазер на рубине был первым, на котором была осуществлена
генерация и который все еще находит применение. Рубиновый кристалл
представляет собой кристалл оксида алюминия Al2O3 с небольшой
добавкой (0,05%) хрома. При добавлении атомов хрома прозрачные
кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают излучение в
двух полосах ближней ультрафиолетовой области спектра. Всего
кристаллами рубина поглощается около 15% света лампы-вспышки. При
поглощении спектра ионами хрома происходит переход ионов в
возбужденное состояние. В результате внутренних процессов
возбужденные ионы хрома переходят в основные состояния не сразу, а
через два возбужденных уровня. На этих уровнях происходит
накопление ионов, а при достаточно мощной вспышке неоновой лампы
возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и
основным уровнем иона хрома.
Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими
интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую
параллельность торцов друг другу.
При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома
в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно
испущенных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе,
образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает
формирование узконаправленного луча красного света. Длительность
лазерного импульса равна 0,0001 сек., немного короче длительности
вспышки неоновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1
Дж.
Лазер состоит из трех основных частей: активного (рабочего)
вещества, резонансной системы, представляющей две параллельные
пластины с нанесенными на них отражающими покрытиями, и системы
возбуждения (накачки), в качестве которой обычно используется
неоновая лампа-вспышка.
Рубиновый кристалл выращивают в специальных печах, затем
полученную заготовку отжигают и обрабатывают, придавая ей форму
стержня. Длина стержня колеблется от 2 до 30 см, диаметр от 0,5 до 2
52
см. Плоские торцевые концы делают строго параллельными. Иногда
отражающие поверхности наносят не на отдельные отражающие
пластины, а непосредственно на торцы рубинового стержня.
Поверхности торцов серебрят, причем поверхность одного торца делают
полностью отражающей, другого – отражающей частично. Обычно
коэффициент пропускания света второго торца составляет около 10 –
25%.
Рубиновый лазер преимущественно работает в импульсном
режиме и генерирует излучение на длине волны =0,6943 мкм. Из-за
возможностей получения больших импульсных мощностей, а также
наличия рубиновых кристаллов высокого оптического качества
рубиновый лазер и в настоящее время один из наиболее известных
твердотельных лазеров.
Рубиновый стержень помещают в спиральную импульсную
ксеноновую лампу, витки которой охватывают его со всех сторон.
Вспышка лампы длится миллисекунды. За это время лампа потребляет
энергию в несколько тысяч джоулей, большая часть которой уходит на
нагревание прибора. Другая, меньшая часть, в виде голубого и зеленого
излучения поглощается рубином. Эта энергия и обеспечивает
возбуждение ионов хрома.
Диаграмма уровней энергии ионов Cr3+ в рубине состоит из двух
наборов уровней (рис. 4.3а) характерен для состояния иона Cr3+ со
спином S=3/2, нижний уровень набора 4А2 — основное состояние Cr3+
— имеет два подуровня с расстояниями между ними 0,3 см-1.
Два верхних уровня представляют собой уровни резонансного
поглощения. Они состоят из шести дублетов и вследствие
неоднородности поля сильно размыты. Второй набор уровней рис. 4.3б
соответствует состояниям ионов Cr3+ со спином S=1/2. Уровень 2Е —
метастабильный, дважды вырожденный, расщеплен на два подуровня с
промежутком 29см-1, уровни A являются орбитальными синглетами.
Положение уровней 3F, 2Е мало зависит от неоднородностей кристалла,
и они практически не имеют уширения. В результате спин —
орбитального взаимодействия ионов Cr3 + c полем кристалла
электронные состояния, соответствующие энергетическим уровням
кристалла, сказываются смешанными состояниями. Это приводит к
тому, что излучательные переходы с уровней 4F, 4F2 на 2F1 и 2Е
запрещены правилами отбора для спина.
53
Рис. 4.3. а) схема энергетических уровней и вероятностей переходов для
ионов Cr3+ в рубине при температуре Т=4,2 К; б) расчетная схема энергетических
уровней активного вещества трехуровневого лазера.
Однако между этими уровнями осуществляются интенсивные
безизлучательные переходы с вероятностью S32~(2…5)*107c-1 (S~1/ где
 - среднее время жизни на уровне) c огромным выделением тепла. При
возбуждении оптической накачкой в полосах 4F1,4F2 изменение
населенностей уровней связано со спонтанными переходами на нижние
уровни,
индуцированным
поглощением
и
излучением
и
безизлучательными переходами. Возбужденные квантовые частицы
(ионы хрома) с основного уровня 4А2 переходят на резонансно
поглощающиеся уровни 4F1, 4F2. Время жизни частиц в возбужденном
состоянии мало. Уровни 4F1, 4F2 вследствие спонтанного перехода
частиц на основной 4А2 уровень с вероятностью А31=3·105 с-1 и
безизлучательного перехода с вероятностью S32=(2…5)·107c-1 на
метастабильное состояние 2Е быстро обедняются. Так как вероятность
спонтанного переходя с уровня Е мала А21~3·102 с-1, то на уровнях E и
2 A возможно образование инверсии населенности частиц. При
достижении порогового значения инверсии N=0,5N0 происходит
спонтанное и индуцированное излучение.
Если инверсия населенностей не достигает порогового значения,
то наблюдается только спонтанное излучение в виде люминесценции
рубина на одной из двух узких линий R1(1=6943А), либо R2 (2=6929А)
c уровней E и 2 A соответственно. Квантовая эффективность в Rлиниях составляет ~ 0,52. Практически рубиновый лазер излучает на R1линии, т.к. вероятность перехода в ней выше и скорее достижимы
пороговые условия. Как видно, не все энергетические состояния
участвуют в процессе генерации индуцированного излучения. Поэтому с
некоторой долей погрешности удобно этапы поглощения и возбуждения,
54
создания инверсии и излучения представить в виде трехуровневой
модели (рис.4.3) с соответствующими квантовыми переходами и
населенностями. Однако при этом не учитываются наличие в рубине
дуплетных состояний и второстепенных уровней, уширение уровней,
т.к. принято g1=g2=g3=1. В уровень Е3 обычно включают зеленую (4F2) и
синюю (4F1) полосы поглощения, играющие основную роль в
возбуждении уровней E и 2 A . Эти уровни характеризуются большой
скоростью релаксации колебаний кристаллической решетки. Основное
состояние Е1 при температуре Т=300 К можно рассматривать как один
уровень вырождением g1=4. В кристалле рубина с массовой
концентрацией хрома, равной 0,05%, при температуре Т=300 К
вероятность безизлучательного перехода составляет около 2·107с-1, а
время жизни квантовых частиц в метастабильном состоянии равно
приблизительно 3·10-3 с. Если проводить накачку световым потоком,
параллельным оси Z рубина, то показатель поглощения для генерации
R1-линии составляет 0,4 см-1, а поперечное сечение поглощения равно
2,5·10-20 см-2 Обычно при практических расчетах рубинового лазера
применяется приближенная трехуровневая модель состояний.
Рубиновые лазера, в настоящее время применяются менее широко
как когда-то, поскольку они были вытеснены лазерами на основе
Nd:YAG или лазеры на стекле с неодимом. Поскольку рубиновый лазер
на самом деле работает по трехуровневой схеме, необходимая пороговая
энергия
накачки
приблизительно
на
порядок
превышает
соответствующую величину для Nd:YAG лазера таких размеров. Однако
рубиновые лазеры все еще широко применяются в некоторых научных и
технических исследованиях, для которых более короткая длина волны
генерации рубина дает существенное преимущество перед Nd:YAG.
Создание лазера стало возможным после того, как были найдены
способы осуществления инверсной населенности уровней. В
построенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из
рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 5 см. Торцы
стержня были отполированы и представляли собой строго параллельные
друг другу зеркала.
Рис. 4.4. Устройство оптического генератора на рубине:
1 – конденсатор, 2 – газоразрядная лампа, 3 – отражающий кожух, 4 –
рубиновый стержень, 5 – источник питания, служащий для зарядки конденсатора 1.
55
Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра,
другой торец покрывался таким слоем серебра, который пропускал
около 8% упавшей на него энергии. В лазере рубин освещается
импульсной ксеноновой лампой, которая дает свет с широкой полосой
частот.
Рубиновые кристаллы имеют большую механическую прочность и
высокую теплопроводность, что облегчает охлаждение кристалла.
Таблица 4.1. Физико-технические параметры рубиновых лазеров
Параметр
Значение
Пороговая энергия, импульсный
103
режим, Дж.
0,1Выходная энергия, Дж.
1,5
Мощность в импульсе, кВт.
10-40
Ширина линии, нм.
10-2
Расходимость луча, мрад.
1-20
Пороговая
мощность,
840
непрерывный режим, Дж.
несколько
Выходная мощность, Вт
100
Расходимость луча, мрад.
1
КПД, %
1
Работа лазера в режиме модулированной добротности.
Метод модуляции добротности позволяет получать лазерную
генерацию в виде коротких импульсов (длительностью от нескольких
наносекунд до нескольких десятков наносекунд) с высокой пиковой
мощностью (от нескольких мегаватт до нескольких десятков мегаватт).
Принцип работы лазера в режиме модуляции добротности состоит в
следующем. Предположим, что в резонатор лазера помещен затвор. Если
затвор закрыт, то генерация не может возникнуть и, следовательно,
инверсия населенностей может стать очень большой. Если теперь
быстро открыть затвор, то усиление в лазере будет существенно
превышать потери и накопленная энергия выделится в виде короткого и
интенсивного импульса света. Поскольку при этом происходит
изменение добротности резонатора от низких до высоких значений,
такой метод называют модуляцией добротности. При условии, что
затвор открывается за время, которое является коротким по сравнению
со временем линейного развития лазерного импульса (быстрая
модуляция добротности), выходное излучение состоит из одиночного
гигантского импульса. В случае же медленного открывания затвора в
генерации может возникнуть несколько импульсов. В самом деле,
энергия, накопленная в активной среде до момента полного открывания
затвора, высвечивается в виде последовательных порций, каждая из
которых соответствует излучению импульса. Каждый импульс приводит
56
к тому, что усиление становится ниже мгновенного порогового значения
и подавляет тем самым генерацию до тех пор, пока продолжающееся
открывание затвора не приведет к уменьшению потерь в резонаторе
лазера и, следовательно, не понизит порог генерации.
Для модуляции добротности наиболее широко используются
следующие устройства: электрооптические затворы, механические
затворы,
затворы
на
основе
насыщающихся
поглотителей,
акустооптические модуляторы добротности.
Электрооптические затворы. Эти затворы основаны на
электрооптическом эффекте, таком, как эффект Поккельса.
Электрооптическая ячейка, основанная на эффекте Поккельса (ячейка
Поккельса), представляет собой устройство, в котором при приложении
к нему постоянного электрического напряжения возникает двойное
лучепреломление. Величина наведенного двойного лучепреломления
пропорциональна приложенному напряжению. На рис. 4.5 показана
схема лазера, в котором модуляция добротности осуществляется
затвором, состоящим из поляризатора и ячейки Поккельса.
Рисунок 4.5. Взаимное расположение поляризатора и ячейки Поккельса в
резонаторе, используемых для модуляции добротности.
В правой части рисунка (за штриховой линией) показано взаимное
расположение вектора поляризации выходного излучения, оси
поляризатора и осей, между которыми возникает двулучепреломление в
ячейке Поккельса (X, Y).
К ячейке Поккельса прикладывается смещающее напряжение
таким образом, что оси Х и Y наведенного двойного лучепреломления
лежат в плоскости, перпендикулярной оси резонатора лазера. Ось
поляризатора составляет угол 45° с осями двойного лучепреломления.
Рассмотрим теперь световую волну, которая после активной среды
попадает в систему поляризатор - ячейка Поккельса. При
соответствующем значении приложенного к ячейке Поккельса
напряжения (порядка 1-5 кВ) двойное лучепреломление может привести
к тому, что прошедший через поляризатор линейно-поляризованный
свет после того, как он пройдет затем через ячейку Поккельса, станет
циркулярно-поляризованным. После отражения от зеркала этот
циркулярно-поляризованный свет еще раз проходит через ячейку
57
Поккельса и снова преобразуется, но уже в линейно-поляризованный
свет, поляризация которого теперь перпендикулярна его исходной
поляризации. Следовательно, это излучение уже не пропускается
поляризатором. Таким образом, такое состояние соответствует
закрытому затвору. Затвор открывается при снятии напряжения с
ячейки, поскольку при этом двойное лучепреломление исчезает и
падающий свет проходит без изменения поляризации.
Механические затворы. Слово "механический" означает, что
модуляция добротности осуществляется механически, т. е. вращением
одного из зеркал лазера вокруг оси, перпендикулярной оси резонатора
(рис. 4.6). Чтобы избежать генерации нескольких импульсов, скорость
вращения зеркала должна быть очень большой. Для резонатора длиной L
= 50 см требуются скорости вращения порядка 30 000 об/мин.
Рис. 4. 6. Схема модуляции добротности вращающимся зеркалом.
Затворы на основе насыщающихся поглотителей. Такие
затворы дают наиболее простой метод модуляции добротности. В этом
случае затвор представляет собой кювету, наполненную некоторым
насыщающимся поглотителем, который поглощает свет, длина волны
которого совпадает с длиной волны лазерного излучения. Обычно в
качестве такого поглотителя используется раствор органического
красителя (например, в случае Nd:YAG-лазера применяют краситель,
известный под названием BDN). Поглотитель можно представить себе
как двухуровневую систему с очень большим пиковым сечением
перехода (в случае насыщающихся поглощающих красителей эта
величина обычно составляет 10~16см2). При этом из Is=h·w/σ·τ следует,
что соответствующая интенсивность насыщения Is сравнительно мала и
при сравнительно низкой интенсивности падающего света поглотитель
становится почти прозрачным (благодаря насыщению). Предположим
теперь, что мы поместили кювету с красителем в резонатор лазера и
длина волны, при которой поглощение раствора красителя максимально,
совпадает с длиной волны генерации лазера. Для определенности
допустим также, что начальное (т. е. ненасыщенное) поглощение в
кювете с красителем составляет 50%. В рассматриваемом лазере
генерация может начаться только при условии, что усиление активной
среды скомпенсирует потери в кювете, а также потери, обусловленные
поглощением в резонаторе при отсутствии насыщения. Вследствие
58
большого поглощения в кювете с красителем критическая инверсия
населенностей оказывается очень высокой. С момента генерации
интенсивность лазерного излучения начнет нарастать от уровня
спонтанных шумов (рис 4.7). Когда интенсивность становится
сравнимой с Is (при t=ts, как показано на рис 4.7), краситель начнет
просветляться благодаря насыщению поглощения. Вследствие этого
возрастает скорость нарастания интенсивности лазерного излучения, что
в свою очередь приводит к увеличению скорости просветления
красителя, и т. д. Поскольку величина Is относительно мала, в активной
среде инверсия населенностей после просветления по существу остается
той же самой, что и до просветления красителя (т. е. очень высокой).
Следовательно, усиление лазера после просветления красителя
значительно превышает потери, и как следствие этого на выходе лазера
появится гигантский импульс (рис.4.7).
Рисунок 4.7. Типичная временная зависимость интенсивности I лазерного
пучка в резонаторе длиной 60 см с пассивной модуляцией добротности,
осуществляемой насыщающимся поглотителем.
Величина In - это интенсивность шума в данной моде,
обусловленного
спонтанным
излучением.
Приведена
также
длительность импульса (~30 нс), измеренная на полувысоте.
Акустооптическая модуляция добротности. Акустооптический
модулятор представляет собой оптически прозрачное вещество
(например, кварцевое стекло для видимого диапазона и германий для
ИК-диапазона), в котором с помощью пьезоэлектрического
преобразователя возбуждается ультразвуковая волна. Наличие
ультразвуковой волны приводит к тому, что это вещество работает как
фазовая решетка. Действительно, вызываемые ультразвуковой волной
деформации приводят к локальным изменениям показателя преломления
вещества (фотоупругий эффект). Период такой решетки равен длине
волны акустических колебаний, а ее амплитуда пропорциональна
амплитуде ультразвука. Если акустооптическую ячейку поместить в
резонатор лазера (рис 4.8), то при приложении напряжения к
преобразователю в резонаторе возникнут дополнительные потери.
59
Действительно, часть лазерного пучка будет дифрагировать на
индуцированной фазовой решетке. Если прикладываемое напряжение
сделать достаточно высоким, то эти дополнительные потери могут
привести к срыву генерации. Затем, снимая напряжение с
преобразователя, мы можем снова восстановить в лазере высокую
добротность резонатора.
Рисунок 4.8. Схема устройства лазера, в котором модуляция добротности
осуществляется акустооптическим модулятором
Рис.4.9. Развитие импульса в лазере с модуляцией добротности, работающем
в импульсном режиме.
На рисунке 4.9 показаны временные зависимости скорости
накачки Wp, потерь резонатора у, инверсии населенностей N и числа
фотонов q.
Эффективные методы модуляции добротности лазера.
1. Одно из двух зеркал резонатора вращается вокруг оси. Потери в
резонаторе будут очень высокими на протяжении всего цикла, за
исключением короткого интервала времени, соответствующего
параллельному расположению зеркал. Этот момент времени
соответствует включению добротности.
2. Внутри резонатора имеется специальный элемент - оптический
модулятор, оптические свойства которого можно изменять с помощью
внешних воздействий. Наиболее часто для этих целей используют
60
электрооптические
модуляторы,
работающие
на
основе
электрооптических эффектов в кристаллах.
3. Внутри резонатора имеется насыщающийся поглотитель, т. е.
вещество, показатель поглощения которого уменьшается (насыщается) с
ростом интенсивности излучения. Наиболее часто здесь применяют
просветляющиеся красители. Эффект просветления определяется
переходом поглощающих молекул красителя в возбужденное состояние
и связанным с этим уменьшением показателя поглощения.
Первый и второй методы модуляции добротности являются
активными, а третий - пассивным. В последнем случае потери в
резонаторе регулируются автоматически.
Раздел 4.2. Гелий неоновый лазер. Конструкции и принцип
действия полупроводниковых лазеров.
Гелий неоновый лазер. Одним из самых распространенных в
настоящее время является газовый лазер на смеси гелия и неона. Общее
давление в смеси составляет порядка 102 Па при соотношении компонент He и Ne примерно 10 : 1. Активным газом, на котором в непрерывном режиме возникает генерация на длине волны 632,8 нм (яркокрасный свет), является неон. Гелий – буферный газ, он участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней
неона. Излучение He–Ne лазера обладает высокой, непревзойденной монохроматичностью. Расчеты показывают, что спектральная ширина линии генерации He–Ne лазера составляет примерно Δν ≈ 5·10–4 Гц. Это
фантастически малая величина. Время когерентности такого излучения
оказывается порядка τ ≈ 1 / Δν ≈ 2·103 с, а длина когерентности cτ ≈ 6·1011 м, т. е. больше диаметра земной орбиты.
На практике многие технические причины мешают реализовать
столь узкую спектральную линию He–Ne лазера. Путем тщательной стабилизации всех параметров лазерной установки удается достичь относительной ширны Δν / ν порядка 10–14–10–15, что примерно на 3–4 порядка
хуже теоретического предела. Но и реально достигнутая монохроматичность излучения He–Ne лазера делает этот прибор совершенно незаменимым при решении многих научных и технических задач. Первый гелий-неоновый лазер был создан в 1961 году. На рис. 4.10 представлена
четырех уровневая система накачки гелий неонового лазера и
упрощенная схема уровней гелия и неона и механизм создания инверсной населенности лазерного перехода.
Накачка лазерного перехода E4 → E3 в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие
соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в
верхнее метастабильное состояния E2. Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состо-
61
янии, и передают им свою энергию. Уровень E4 неона расположен на
0,05 эВ выше метастабильного уровня E2 гелия.
Рисунок 4.10. Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона
Недостаток энергии компенсируется за счет кинетической энергии
соударяющихся атомов. На уровне E4 неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню E3, который сильно обедняется за счет
спонтанных переходов на нижерасположенные уровни. При достаточно
высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов. Если кювета со смесью газов помещена между высокоотражающими зеркалами,
то возникает лазерная генерация. На рис. 4.11 изображена конструкция
гелий-неонового лазера.
Современные высокостабильные гелий-неоновые лазеры производятся в моноблочном исполнении. Для этого используется стеклообразное вещество – ситалл, обладающий практически нулевым температурным коэффициентом расширения. В куске ситалла в форме прямоугольного параллелепипеда просверливается канал, к торцам которого на оптическом контакте приклеиваются лазерные зеркала. Канал заполняется
смесью гелия и неона. Катод и анод вводятся через дополнительные боковые каналы. Такая моноблочная конструкция обеспечивает высокую
механическую и тепловую стабильность.
Рисунок 4.11. Схема конструкции гелий-неонового лазера:
1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд, 2 – катод, 3 – анод, 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1–2 %
62
Конструкции и принцип действия полупроводниковых лазеров. Известно множество типов конструкций полупроводниковых лазеров. Они подразделяются на простейшие (гомолазеры) и двойной гетероструктуры (ДГС), в которых используются резонаторы Фабри – Перо
и электронные полоски (полосковые) с селекцией продольных мод, с
распределенной обратной связью (РОС), с распределенными брэгговскими отражателями (РБО), связанно – сколото - составные (С3), с
внешней синхронизацией мод и так далее. В рамках данного учебного
пособия не представляется возможным рассмотреть достаточно подробно все эти конструкции. Поэтому внимание будет уделено только четырем конструкциям, которые чаще всего применяются в оптических передатчиках систем связи. Это многомодовый лазерный диод полосковой
геометрии с резонатором Фабри – Перо (обозначается Ф-П), лазер с распределенной обратной связью и распределенными брэгговскими отражателями (РОС, РБО) и лазер с вертикальным резонатором ЛВР.
Конструкция полоскового лазера Ф-П представлена на рис. 4.12.
Название "двойная гетероструктура" обозначает, что эта конструкция
имеет двойной слой различных по свойствам полупроводников, прилегающих к активному слою, которые отличают эту конструкцию от простейшего лазера. Полупроводниковые слои оболочки имеют меньший
показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создается волновой канал с высокой плотностью носителей
зарядов и фотонов. Активный слой имеет толщину около 0,1 ÷ 1 мкм.
В нем с помощью источника электрического тока создается инверсная
населенность. Внутренние поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала. При малых токах накачки в активной области возникает
спонтанное излучение, как и в СИД. При этом активная область излучает
спонтанные фотоны во все стороны, и большая их часть покидает прибор через полупрозрачные зеркала (R ~ 0,33). Лишь единицы из них отражаются обратно и проходят строго в плоскости активного слоя к противоположному зеркалу. Сталкиваясь с возбужденными атомами, они
отдают им кванты энергии и вызывают вынужденную рекомбинацию
электронов и дырок. Вновь возникают фотоны, которые будут согласованы между собой и вызвавшими их фотонами.
63
Рис. 4.12. Конструкция полоскового лазера Ф-П
с двойной гетероструктурой
При малых токах накачки количество вынужденных фотонов мало.
При увеличении тока возрастает инверсная населенность и при N1> N0
может произойти полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым. После порогового тока резко нарастает мощность излучения. Такой режим
работы прибора называется лазерной генерацией (рис.4.13).
Рис. 4.13. Характеристика лазерной генерации мощности
Условия лазерной генерации имеют фазовую

2
N
m
(4.1)
N = 1, 2, 3... и амплитудную составляющие
1
K u L  L  ln 
R
(4.2)
64
где К u – коэффициент усиления среды на длине резонатора L, a - коэффициент затухания среды, R – коэффициент отражения (~0,33). Таким
образом, лазер представляет собой оптический квантовый генератор, в
котором для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний
должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд. Спектральная характеристика лазера определяется размерами резонатора, спектром
спонтанного излучения и выполнением условий генерации (рис. 4.14).
Для излучения лазером максимальной мощности необходимо добиться совпадения максимальной мощности спектра спонтанного излучения и собственных мод резонатора. Реальная спектральная характеристика лазера Ф-П представлена на рис. 4.15. Спектральная характеристика представляет совокупность мод генерации. Ширина спектра оценивается на уровне –3 дБм от максимальной мощности (Рмакс/2).
Рис. 4.14. Спектральная характеристика лазера
Излучение лазера, выходящее через торец, характеризуется диаграммой направленности. Угловая расходимость когерентного излучения обусловлена фундаментальными пределами


A
(4.3)
где А – апертура излучателя, λ - длина волны центральной моды. Для
полупроводникового лазера величина угла расходимости оценивается
постой формулой:
 x , y  arcsin

d x, y
(4.4)
где dx и dy – размер излучающей площадки по горизонтали и вертикали.
Реальный угол расходимости составляет: φ x ~ 5 ÷ 10 град, φ y ~ 15 ÷ 30
град.
65
Рис. 4.15. Спектральная характеристика лазера Ф–П.
Необходимо отметить, что характеристики излучения лазера не
остаются постоянными. Например, величина порогового тока сильно зависит от температуры тела лазера
I ni  I n1 exp( t i / t1 )
(4.5)
где t i > t1. На рисунке 4.16 приведены графики зависимости порогового
тока лазера от температуры.
Рис. 4.16. Зависимость порогового тока от
температуры лазера.
Для снижения зависимости порогового тока лазера от температуры
в конструкциях применяют микрохолодильники на основе эффекта
Пельтье, т.е. отбора излишков тепловой энергии материалами сплавного
типа при прохождении через них электрического тока определенной величины. При изменении величины тока накачки в лазере происходит изменение спектрального состава, что при модуляции тока накачки информационным сигналом приводит к динамическому уширению спектра
и перескоку максимальной мощности излучения с одних мод на другие.
Широкий спектр лазерных мод затрудняет процесс передачи информационных сигналов по волоконно-оптическим линиям связи из-за дисперсии импульсов оптической мощности. Для преодоления этой проблемы
разработаны различные конструкции одномодовых лазеров. Чаще дру-
66
гих применяют лазеры типа РОС, распределенная обратная связь (в англоязычной литературе DFB, Distributed Feed Back) и лазеры с брэгговскими отражателями РБО (в англоязычной литературе DBR, Distributed
Brag Reflector); лазеры с вертикальными резонаторами ЛВР (в англоязычной литературе VCSEL, Vertical-Cavity Surface Emitting Laser).
В отличие от лазеров Ф-П в лазерах РОС и РБО положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создается не за счет зеркал, локально расположенных на торцах
резонатора, а образуется внутри самого лазера. В лазерах РОС такая
связь создается благодаря распределенной структуре под названием
"гофр". Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем (рис. 4.17).
Обратная связь в лазере РОС осуществляется за счёт брэгговского
рассеяния волн на гофре, который представляет собой фазовую дифракционную решетку с очень высокой разрешающей способностью, являющейся «распределённым резонатором». Качественная картина этого
процесса состоит в следующем. Волна, распространяющаяся в активном
слое справа влево, испытывает частичные отражения от гофра, в результате чего образуются дифрагированные волны, распространяющиеся в
противоположном направлении, т.е. слева направо.
Рис. 4.17. Конструкция лазера РОС.
При этом волна, распространяющаяся вправо, ослабевает в
направлении к левому краю, т.к. её энергия перекачивается в волну противоположного направления, интенсивность которой возрастает при
сложении отраженных волн в фазе. Т.о. электромагнитное поле в резонаторе РОС можно представить в виде двух волн, распространяющихся
в противоположных направлениях. Внутри резонатора могут сохраниться только волны, отражающиеся от гофра под углом Q+ π/2. Это обусловлено селективностью обратной связи, для которой длину волны
настройки на отражение в резонаторе вычисляют через условие Брэгга –
Вульфа
  nэ  (1  sinQ)  i   0
(4.6),
где Λ - период гофра, nЭ – эффективный фазовый показатель преломле-
67
ния, i – целое число, λ0 – длина волны излучения в свободном пространстве. Для Q = π/2 шаг гофра может быть определен:

i 0
2nэ
(4.7)
при этом, как правило, значение i = 1. Для повышения мощности излучения в одномодовый лазер РОС может быть встроено с одного из торцов зеркало. Длина волны, обозначенная в λ0, называется длиной волны
Брэгга. Ей соответствует частота генерации
 1 c
  0   i   
 2  nэ L
(4.8)
где L – длина активного слоя с гофром, с – скорость света в свободном
пространстве. Важнейшей характеристикой одномодового лазера РОС
является спектр излучения (рис. 4.18)
Рис. 4.18. Спектр излучения лазера РОС.
Обычно ширина спектра излучения лазера РОС оценивается на
уровне –20 дБм от максимального значения мощности. Кроме того, в
спектре могут наблюдаться боковые моды, величина подавления которых должна быть не менее 30 дБ.
Одномодовые лазеры РОС являются одними из основных источников излучения для протяженных волоконно-оптических линий. Лазеры РБО имеют другую конструкцию (рис. 4.19, в которой активная область излучения находится вне зоны фильтрации моды. Это построение
обеспечивает формирование спектральной линии уже, чем у лазера РОС
на порядок.
68
Рис. 4.19. Конструкция лазера РБО.
Характеристики некоторых видов одномодовых и многомодовых
полупроводниковых лазеров приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1 Характеристики полупроводниковых лазеров
ИЛПН206-М
ИЛПН206-2
Длина
волны,
нм
12701330
12701330
ИЛПН234-А
15001600
3.0
30-85
0.1
ИЛПН234-Б
15001600
4.0
45-100
0.1
Изделие
Мощность,
мВт
Ток
накачки,
мА
Ширина
спектра,
нм
1-2
40-80
3-10
1.5-2.5
30-80
5
Примечание
Угловая расходимость 1.3
град
Угловая расходимость
1.3 град
Для получения высокой стабильности излучения лазеров разработаны также лазеры с вертикальными резонаторами ЛВР (рисунок 4.20),
обозначаемые VCSEL (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser). В этих лазерах генерация оптического излучения происходит поперек p-n перехода. Преимущество короткого высококачественного резонатора ЛВР заключается в генерации моды узкого спектра высокой стабильности. Такие лазеры могут формироваться группами на одной подложке микросхемы. При этом стабилизация параметров производится сразу для всего
лазерного массива. Слои отражателя выполнены из набора четвертьволновых пластин, фильтрующих моду излучения. Они формируют структуру распределенного брэгговского отражателя DBR. Слои изолятора
уменьшают спонтанную эмиссию фотонов.
69
Рис. 4.20. Конструкция лазера ЛВР.
Классы лазерных устройств для систем оптической связи
Максимальное лазерное излучение зависит от типа используемого
лазерного диода. Международный стандарт IEC 825 определяет максимальный уровень лазерного излучения для каждого лазерного класса в
соответствии с длиной волны (в классы входят лазерные диоды и оптические усилители).
Таблица 4.2 Классы лазерных устройств по международному
стандарту IEC 825
Класс
лазера
Длина волны
излучения, нм
Максимальная
мощность лазерного
излучения, мВт
1
1300
1550
1300
1550
1300
1550
1300
1550
8.85
10
31
50
81
50
500
500
3А
к×3А
3В
Лазеры на красителях. Красители являются сложными молекулами, у которых сильно выражены колебательные уровни энергии.
Энергетические уровни располагаются в полосе спектра почти непрерывно. Вследствие внутримолекулярного взаимодействия молекула
очень быстро переходит безизлучательно на нижний энергетический
уровень каждой полосы. Поэтому после возбуждения молекул через
очень короткий промежуток времени на нижнем уровне полосы E 1 сосредоточатся все возбужденные молекулы. Они далее имеют возможность совершить излучательный переход на любой из энергетических
уровней нижней полосы. Таким образом, возможно излучение практиче-
70
ски любой частоты в интервале, соответствующем ширине нулевой полосы. Если молекулы красителя взять в качестве активного вещества, то
в зависимости от настройки резонатора можно получить практически
непрерывную перестройку частоты лазера. Накачка лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением других лазеров.
Лазеры или оптические квантовые генераторы – это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых
замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях
науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в
пределах от долей милливатта до 1012–1013 Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах
навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных
экспериментах, в химии, просто в быту и т. д. Хотя первый оптический квантовый генератор был построен сравнительно недавно
(1960 г.), современную жизнь уже невозможно представить без лазеров.
Одним из важнейших свойств лазерного излучения является
чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Это и все другие уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими
атомами рабочего вещества.
Контрольные вопросы по теме:
1. Приведите пример источника сплошного спектра?
2. Сформулируйте законы: Стефана – Больцмана, Вина, Кирхгофа?
3. Что такое «цветовая температура»?
4. Приведите пример линейчатого и смешанного спектра. Объясните их природу?
5. Объясните понятие «эталон цвета» приведите примеры?
6. Объясните разницу между спонтанными и вынужденными переходами?
7. Чем отличается спонтанное от вынужденного излучения?
8. Что такое квазистационарный уровень и инверсная заселенность?
9. Какую среду называют активной?
71
10. Оптический резонатор, резонатор Фабри – Перро?
11. Основные части лазера, требования к ним?
12. Принцип работы рубинового лазера?
13. Принцип работы гелий неонового лазера?
14. Работа лазера в режиме модулированной добротности?
15. Конструкция и принцип действия полупроводниковых лазеров?
16. Спектральные характеристики лазера?
Лекция 5
Тема 3. Приемники оптического излучения
Раздел 5.1. Физические основы преобразования оптического
излучения. Основные параметры и характеристики приёмников оптического излучения. Классификация приёмников оптического
изображения
Преобразование оптического излучения в информационный
поток, пригодный для регистрации, осуществляется в приёмниках оптического излучения. В настоящее время наибольшее распространение получили такие приёмники излучения, в которых используются
фотонные, тепловые, волновые и другие виды взаимодействия оптического излучения с веществом. В результате такого взаимодействия
вырабатывается электрический сигнал, формирующий электронное изображение как аналог оптического.
Специфической особенностью большинства систем технического зрения является получение оптимальной информации об изображении в реальном масштабе времени в форме, обеспечивающей наиболее
простой способ её обработки. Под реальным масштабом времени принято понимать время нервной и мышечной реакции человеческого
глаза. Оно составляет 0,1 … 0,2 с и хорошо согласуется со временем
накопления световой информации сетчаткой глаза. Для технических систем это время может быть любым и определяется:
инерционными свойствами приёмника оптического излучения;
действиями исполнительных устройств;
временем, отведённым на выработку принятия соответствующего
решения при работе в автоматическом режиме.
В этом случае оптимальность получения информации в системах
технического зрения определяется постановкой решаемой ими задачи и
накладывает на параметры и характеристики приёмника оптического излучения (интегральная чувствительность, спектральная характеристика
чувствительности, динамический диапазон чувствительности, пространственное и временное разрешение и др.) жесткие требования, в ос-
72
новном определяющие как выбор типа приёмника излучения, так и условий его эксплуатации в системе технического зрения.
Для решения подобного рода задач на практике часто, в качестве
прототипа, используют различные модели зрительного восприятия изображения человеческим глазом.
Основные параметры и характеристики приёмников оптического излучения
Свойства приёмника оптического излучения наиболее полно могут быть описаны системой параметров и характеристик, выражающих
зависимости величины сигнала, вырабатываемые приёмником, от различных факторов.
В настоящее время при построении прикладных телевизионных систем, систем технического зрения и др. наибольшее значение
имеют следующие характеристики приёмников излучения:
амплитудная (энергетическая,световая)– зависимость величины сигнала от величины потока излучения, падающего на чувствительный слой приёмника;
спектральная– зависимость величины сигнала от длины
волныпадающего потока излучения на чувствительный слой приёмника;
частотная – определяющая инерционные свойства приёмника в зависимости от частоты модуляции потока излучения;
шумовая–представляющая собой зависимость спектральной
плотности шума приёмника от частоты.
Однако кроме системы характеристик, описывающих приёмники
оптического излучения, имеется и система параметров. Эта система параметров даёт возможность заменять характеристики числовыми значениями, выражающими свойства приёмников для определенных наиболее типичных условий эксплуатации. В настоящее время для сравнительного анализа приёмников оптического излучения используется
следующая система параметров:
дифференциальная крутизна преобразования, т.е. чувствительность, определяющая величину сигнала, вырабатываемого приёмником
излучения
при
облучении
его
малым
синусоидальномодулированным потоком излучения. Значение чувствительности
приёмника легко определить из его амплитудной характеристики;
в качестве параметров, описывающих спектральную характеристику приёмника, можно использовать такие, как:
спектральный диапазон чувствительности, определяющий коротковолновую min и длинноволновую max границы диапазона спектральной чувствительности приёмника, как наименьшую и наибольшую длину
волны монохроматического излучения, при которых чувствительность
приёмника равна 0,1 от её максимального значения;
73
пороговая чувствительность – это абсолютное значение чувствительности приёмника на фиксированных длинах волн, при которых отношение сигнал/шум равно единице;
интегральная чувствительность – реакция приёмника излучения на поток от абсолютно чёрного тела или другого эталонного источника излучения;
коэффициент использования излучения или эффективная спектральная ширина полосы пропускания – представляет собой отношение
эффективной спектральной полосы пропускания селективного приёмников излучения к эффективной спектральной полосе пропускания неселективного приёмника излучения;
постоянная времени – представляющая собой в первом приближении частотную характеристику;
среднеквадратическое значение шума, или спектральная плотность шума,– это шумовая характеристика на одной фиксированной частоте.
В общем случае приёмник излучения можно рассматривать как четырехполюсник, имеющий крутизну преобразования S . Свойство приёмника излучения вырабатывать электрический сигнал опредёленной
величины под действием падающего на него потока излучения определяется не только одним значением крутизны преобразования. Поэтому для полного описания этого процесса необходимо знать амплитудную, статическую характеристику приёмника излучения.
Из рис. 5.1 видно, что процесс преобразования в приёмнике излучения трудно выразить одним значением крутизны, поскольку зависимость значений сигнала U от величины падающего потока излучения Pе нелинейна. Для полного описания нужно знать всю эту зависимость, которую можно назвать амплитудной, статической характеристикой приёмника излучения. Однако получение её в реальных условиях
связано с существенными экспериментальными трудностями, поэтому
обычно для описания амплитудной характеристики пользуются понятием крутизны преобразования, т.е. чувствительности.
На практике различают три вида значения крутизны:
Рис. 5.1. Энергетическая (световая)
характеристика приёмника излучения.
74
крутизна для немодулированного сигнала или её ещё называют
статической крутизной (чувствительностью) приёмника излучения
U
(5.1)
S
 tg  ;
Pе
крутизна для модулированного сигнала, или дифференциальная
крутизна (чувствительность), определяемая наклоном касательной
U
(5.2)
S  lim
 tg  ;
 P0  P
е
средняя крутизна S ср , выраженная отношением амплитуды первой
гармоники сигнала приёмника излучения к амплитуде синусоидальномодулированного потока излучения.
Средняя крутизна преобразования S ср постоянна и сигнал синусоидален на выходе приёмника излучения в тех случаях, когда поток
излучения не выходит за пределы линейного участка амплитудной характеристики. При дальнейшем увеличении величины потока излучения имеет место нелинейность, причём предельные значения сигнала приобретают форму прямоугольных импульсов и амплитуда их первой гармоники практически не изменяется, т.е. значения средней крутизны в этом случае стремятся к нулю.
На практике наибольшее распространение получило понятие
крутизны для модулированного сигнала, т.е. дифференциальной крутизны. При использовании этого понятия, под амплитудной (энергетической или световой) характеристикой приёмника излучения подразумевают зависимость дифференциальной крутизны, выраженной в относительных величинах, от уровня постоянной засветки, создаваемой немодулированным потоком излучения.Такая характеристика называется
фоновой характеристикой чувствительности приёмника, внешний вид
которой представлен на рис. 5.2.
Метрологическая практика аттестации приёмников оптического
излучения показала, что их параметры в основном измеряются при интегральном облучении входного зрачка потоком от абсолютно чёрного
тела или другого эталонного источника излучения. Поэтому соответствующие значения крутизны (чувствительности) определяют меру реакции приёмника на сложный поток, называемый интегральным.
75
Рис. 5.2. Зависимость дифференциальной крутизны.
В качестве эталонных источников излучения в фотометрии используются следующие (рис. 5.3):
типа А– представляет собой излучение полного излучателя при абсолютной температуре 2856 К, определяемой по Международной практической температурной шкале 1968 г.;
типа В– предназначен для воспроизведения прямого солнечного
излучения с коррелированной цветовой температурой, примерно равной
4870 К;
типа С – предназначен для воспроизведения фазы дневного света с
коррелированной цветовой температурой, примерно равной 6770 К.
Рис. 5.3. Относительные спектральные распределения энергии стандартных источников излучения – А, В и С.
В энергетической фотометрии в качестве эталонного источника
используется абсолютно чёрное тело с температурами равными – 1000,
3000, 500 К и 1273 К, для аттестации приёмников излучения, чувствительных в инфракрасной области спектра.
В большинстве случаев сведения об интегральной чувствительности выбранного приёмника оптического излучения оказываются недостаточными и возникает потребность в дополнительной информации о
спектральной чувствительности (крутизне) приёмника, определяющей
его реакцию на монохроматические потоки. Такая информация в первую
очередь необходима потому, что одна и та же величина потока излуче-
76
ния может вызывать различную величину реакции для различных типов
приёмников излучения. Этот эффект воздействия излучения на приёмники связан с их селективной чувствительностью, т.е. избирательностью по спектру. Поэтому в системах технического зрения часто используют, наряду с энергетическими характеристиками излучения,
так называемые эффективные характеристики, учитывающие не только
абсолютную величину излучения, но и его спектральный состав.
Полный поток, излучаемый источником излучения во всем спектральном диапазоне, достигающий чувствительной поверхности приёмника, определяется выражением

Pе   Pе d  ,
(5.3)
0
где Pе – спектральная плотность потока монохроматического излучения.
Так, в том случае, если Pе max – максимальное значение спектральной плотности потока, то
Pе 
   
,
(5.4)
Pе max
представляет собой спектральное распределение плотности потока монохроматических излучений по спектру в относительных единицах, т. е.
относительное спектральное распределение.
Пусть S   спектральная чувствительность приёмника излучения,
т.е. его дифференциальная крутизна, определяемая выражением
dU
dU
,
(5.5)
S   

d Pе Pе  d 
тогда распределение спектральной дифференциальной крутизны приёмника по спектру в относительных единицах, т. е. относительное
спектральное распределение чувствительности (крутизны)можно вычислить по формуле
S  
,
(5.6)
s   
S max
где S max – максимальное значение спектральной чувствительности приёмника излучения.
В этом случае имеют место также следующие очевидные соотношения:
dU  S   Pе  d   Pе max S max    s   ,
(5.7)


U   S   Pе d   S max Pе max  s     d  .
0
0
77
(5.8)
Таким образом, воздействие сложного потока излучения Pе на
приёмник, имеющий спектральное распределение чувствительности
S   , вызывает появление сигнала U (выражение 5.8) на его зажимах.
Классификация приёмников оптического изображения. Рассматривая принципы работы приёмников оптического излучения, можно
сделать заключение, что всё их многообразие можно подразделить на
два класса – одноэлементные и многоэлементные, т.е. приёмники, вся
чувствительная поверхность которых формирует один элемент изображения либо достаточно большое количество таких элементов, создавая
тем самым электронное изображение. При этом первые из них, как
правило, применяются в системах технического зрения с оптикомеханической развёрткой изображения, а вторые с электронной. В
дальнейшем одноэлементные приёмники будем называть – приёмник
излучения, а многоэлементные –приёмник изображения либо телевизионный приёмник изображения (ТПИ), поскольку в них используется
электронный способ считывания информации с каждого элемента изображения, применяемый в телевизионных системах.
Основными характеристиками приёмников излучения и ТПИ, как
рассматривалось выше, являются энергетическая (световая) характеристика и характеристика спектральной чувствительности. Поэтому все
приёмники излучения и ТПИ по типу используемого в них фотоэффекта
можно подразделить на классы, использующие:
внешний фотоэффект – под действием внешнего потока оптического излучения осуществляет эмиссию электронов в вакуум из материала
чувствительного слоя приёмника излучения или ТПИ;
внутренний фотоэффект – под действием внешнего потока оптического излучения происходит изменение электрических свойств материала чувствительного слоя приёмника излучения или ТПИ, образуя на обратной его стороне потенциальный рельеф;
тепловой эффект – под действием внешнего потока оптического
излучения происходит изменение температуры материала чувствительного слоя приёмника излучения или ТПИ, приводящее к изменению свойств
этого материала.
С другой стороны, при проведении классификации, процесс получения электронного изображения следует рассматривать также с позиции способов получения информации о каждом элементе изображения.
Способы считывания информации с приёмников оптического
изображения. Способы считывания информации (сканирования) с приёмников излучения или ТПИ в общем случае можно подразделить на две
большие группы: оптико-механические и электронные, как показано на
рис. 5.4.
78
Рис. 5.4. Классификация приёмников излучения и ТПИ по методам сканирования
В оптико-механических устройствах процесс сканирования осуществляется за счёт изменения направления оптической оси. При этом
общее поле оптического изображения последовательно анализируется
мгновенным полем зрения оптической системы.
Сканирование может производиться за счёт движения всей оптической системы или её элементов – зеркал, призм, клиньев, линз и
диафрагм и др. К устройствам этого типа относится и широко известный
диск Нипкова, применяемый ранее в системах механического телевидения. Такой метод сканирования называется сканирование с перемещением
изображения, т.е. поэлементно на приёмник излучения, стоящий неподвижно, оптической системой подается изображение наблюдаемого объекта передачи.
Второй способ оптико-механического сканирования – сканирование с перемещением приёмника, осуществляется за счёт перемещения
приёмника излучения по оптическому изображению. Этот способ сканирования применяется в тех случаях, когда системы технического
зрения находятся на подвижных платформах и считывание информации осуществляется за счёт перемещения системы технического зрения над объектом наблюдения.
Основным преимуществом механических способов сканирования
является постоянство элемента преобразования для всех элементов
изображения. Однако на современном этапе с появлением методов обработки изображений с помощью микротехники это преимущество, по
существу, утрачено. Недостатками же этих методов являются: громоздкость оборудования, сложность в настройке и низкая её надежность,
принципиальные ограничения по скорости сканирования и чувствительности преобразования, что весьма ограничило их применение в систе-
79
мах технического зрения. Однако эти системы пока незаменимы для
инфракрасной области спектра оптического диапазона – ИК, где создание многоэлементных приёмников с электронной коммутацией часто
затруднительно.
Электронная коммутация может быть также двух типов –
внешней и внутренней. При внешней коммутации в качестве коммутирующего элемента чаще всего выступает электронный луч. Такой способ
сканирования используется в диссекторах, видиконах и других типах
телевизионных передающих трубок. Однако, как видно из классификационной схемы, представленной на рис. 5.4, электронные методы сканирования также подразделяются на две группы – диссекторную и видиконную. Отличия в этих двух групп заключаются в том, что первыми являются ТПИ мгновенного действия, а вторыми – с накоплением энергии.
Внутренняя коммутация подразумевает наличие механизма переноса зарядов (зарядовых пакетов) непосредственно в ТПИ. Широкое
распространение внутренняя коммутация получила благодаря развитию
приборов с зарядовой связью (ПЗС).
Раздел 5.2. Приёмники изображения с внешним фотоэффектом. Перенос электронных изображений и фокусировка развертывающего луча. Принцип накопления заряда в приёмниках оптического изображения. Диссектор. Видикон. Плюмбикон.
Диссекторная коммутация нашла своё применение в ТПИ,
называемых диссекторами. Структурная схема диссектора приведена на рис. 5.5.
Рис. 5.5. Схема устройства диссектора:
1 – полупрозрачный фотокатод; 2 – ускоряющий электрод; 3 – диафрагма с
отверстием; 4 – диноды вторичного электронного умножителя; 5 – коллектор; 6 –
отклоняющая система; 7 – фокусирующая катушка.
Диссектор – это ТПИ мгновенного действия. Снаружи диссектора
располагаются: отклоняющая система 6, осуществляющая строчную и
кадровую развёртку элементов изображения и фокусирующая катушка
80
7, создающая вдоль трубки однородное магнитное поле для фокусировки
электронных потоков от элементов изображения на диафрагме 3.
В диссекторе различают три секции:
преобразование оптического изображения в электронное;
перенос и отклонение электронного изображения;
вторично-электронное умножение.
Электронное изображение в диссекторах создается путём выбивания электронов из полупрозрачного чувствительного слоя под действием внешнего потока излучения. Выбитые потоки электронов ускоряются
и фокусируются в плоскости диафрагмы 3с помощью ускоряющего
напряжения, приложенного к электроду 2. В плоскости диафрагмы под
действием отклоняющего поля электронное изображение перемещается
относительно отверстия, вырезывающего элементы изображения в соответствии с законом развёртки.
При таком способе сканирования электронный поток от различных
участков фотокатода поочерёдно проходит через вырезывающее отверстие на первый динод электронного умножителя. Коэффициент усиления вторично-электронного умножителя достигает до 107, что позволяет
получить на резисторе нагрузки Rн значительный ток сигнала от каждого
элемента изображения до 100 мкА.
В системах мгновенного действия фотоэлектронная эмиссия с
каждого элемента изображения используется в интервале времени, равном времени коммутации одного элемента, и, следовательно, мгновенные
значения тока сигнала изображения пропорциональны значениям освещённости каждого элемента изображения в течение времени коммутации этого элемента. Световая энергия, воздействующая на элемент
изображения в промежутках между коммутациями, в образовании сигнала не участвует, что существенно снижает эффективность использования
светового потока.
Ток сигнала в нагрузке Rн пропорционален освещённости участков фотокатода. Соответственно большей освещённости фотокатода соответствует меньший потенциал в точке А, показанной на рис. 5.5. Таким образом, уровень сигнала, соответствующий максимальной освещённости фотокатода, оказывается ниже, чем уровень, соответствующий минимальной освещённости. Поэтому полярность сигнала, вырабатываемая диссектором, отрицательна.
Динамический диапазон световой (энергетической) характеристики у диссекторов достигает пяти порядков. Диссекторы имеют линейную световую характеристику при освещённости фотокатода от десятых долей люкса до нескольких тысяч люкс, что обеспечивает хорошее воспроизведение градаций яркости. Они передают без искажения
информацию о средней яркости изображения, имеют высокую разрешающую способность, достигающую более 100 лин/мм.
81
Система сканирования у диссекторов автономна и позволяет организовать управление с произвольным доступом, т.е. осуществить
любой вид развёртки. Для корреляционного анализа, свёртывания
двух изображений, можно также использовать модуляцию времени
сканирования с помощью другого изображения.
Современные диссекторы обладают высокой механической прочностью, виброустойчивостью, устойчивостью к большим перепадам температур, воздействию повышенной влажности. Из-за отсутствия инерционности диссектор, после подачи питающего напряжения, мгновенно готов к работе, так как в нём нет инерционного термокатода.
К недостаткам диссектора следует отнести его невысокую чувствительность в широкополосном режиме работы, что, по сути, является недостатком всех систем мгновенного действия.
Принцип накопления заряда в приёмниках оптического изображения. Повысить эффективность систем мгновенного действия можно путем использования принципа накопления заряда. Этот принцип заключается в том, что световая энергия, облучающая элемент изображения в межкоммутационный период, не пропадает, а накапливается на
этом элементе изображения. Принцип накопления заряда может быть
пояснен с помощью эквивалентной схемы представленной на рис. 5.6.
Рис. 5.6. Эквивалентная схема элемента изображения,
поясняющая принцип накопления световой энергии.
Как видно из этой схемы, при облучении фотоэлемента BL световым потоком F , вследствие фотоэмиссии, конденсатор C э накапливает
заряд за время между двумя замыканиями ключа K . Время замыкания
ключа K определяется законом развёртки и равно времени между двумя последовательными считываниями заряда на конденсаторе – C э , т.е.
считывания накопленной информации, и оно определяется временем
одного кадра изображения Tк .
Напряжение информационного сигнала U с на сопротивлении
нагрузки Rн образуется при разряде конденсатора C э за время коммутации t з , т.е. времени считывания, в течение которого ключ K замкнут и
конденсатор C э разряжается через резистор Rн . Следовательно, ток разря-
82
да iс накопительного конденсатора C э будет во столько раз больше тока в
ТПИ с мгновенным действием, во сколько время считывания t з больше
времени между двумя считываниями, т.е. времени кадра изображения Tк .
В реальных условиях эксплуатации ТПИ эффект накопления зарядов полностью реализовать не удается, однако принцип накопления
положен в основу работы всех приёмников изображения, использующих
внутренний фотоэффект.
Видиконная коммутация используется практически во всех
ТПИ с внутренним фотоэффектом. В них электронный пучок, испускаемый катодом, выступает в качестве проводника, т.е. электронного луча, последовательно опрашивающего (считывающего) распределение
зарядов потенциального рельефа, на элементарных конденсаторах C э ,
возникших на мишени ТПИ под воздействием внешнего потока излучения. В качестве ТПИ, использующего данный способ считывания
информационных зарядов и дающего название этому виду коммутации
– видиконная, является видикон. Схема построения видикона, использующего коммутацию электронным лучом (пучком), представлена на
рис. 5.7.
Рис. 5.7. Схема устройства видикона:
1 – мишень (чувствительный слой видикона); 2 – катод; 3 – управляющий
электрод; 4 – первый анод; 5 – второй анод; 6 – мелкоструктурная выравнивающая
сетка.
Принцип работы видикона состоит в следующем. На сигнальную
пластину подается положительный потенциал – напряжение смещения. Мишень представляет собой высокоомную фотопроводящую
структуру. Потенциал задней поверхности мишени устанавливается
электронным лучом и близок, в отсутствии освещения мишени, потенциалу катода. Таким образом, мишень представляет собой набор
элементарных конденсаторов C э , заряженных до напряжения смещения с утечками, образованными сопротивлением материала чувстви-
83
тельного слоя. Причём на мишени видикона столько элементарных
конденсаторов C э , сколько элементов изображения можно получить на
данном ТПИ.
Под действием потока излучения от объекта наблюдения электронно-дырочные пары в материале чувствительного слоя разряжают
эти элементарные конденсаторы C э , и потенциалы на задней поверхности мишени растут в большей или меньшей степени в зависимости от интенсивности облучения, приближаясь к напряжению смещения. В результате этого за один кадр на задней стороне мишени отобразится распределение потенциалов, называемых потенциальным рельефом. При этом участкам, на которые попадает больше фотонов, будет соответствовать «более положительное» значение потенциала.
Электронный луч в видиконе представляет собой проводник, который при сканировании задней поверхности мишени последовательно,
т.е. поэлементно, замыкает вторые электроды элементарных конденсаторов C э , осуществляя их перезарядку, причём в точках с «более положительным» потенциалом требуется больше электронов для установления потенциала катода. Ток перезарядки, снимаемый с сигнальной пластины, на которую замкнуты все первые электроды элементарных конденсаторов C э , формирует на сопротивлении нагрузки Rн информационный видеосигнал о распределении яркости на наблюдаемом изображении.
Спектральная характеристика чувствительности видикона определяется свойствами используемой фотомишени. Имеются видиконы, чувствительные к инфракрасному, видимому, ультрафиолетовому и рентгеновскому излучениям. На рис. 5.8 приведены спектральные характеристики чувствительности некоторых широко используемых в прикладном телевидении типов видиконов.
Фотомишень видикона с омическим контактом S b2 S3 обладает
большой инерционностью, что ограничивает её использование. Поэтому
для устранения этого недостатка в телевидении используется мишень
84
из материала Pb O , имеющая p  i  n структуру. Видиконы с такой
мишенью получили название глетикон или плюмбикон. Они нашли широкое распространение при построении профессиональных цветных телевизионных камер, используемых в студийных условиях на телецентрах.
Расширить диапазон спектральной характеристики чувствительности до 1,1 мкм и уменьшить инерционность до 8 … 10 %, при
значительной линейности световой (энергетической) характеристики, удалось при использовании в видиконе кремниевой диодномозаичной мишени. Такая телевизионная передающая трубка с шагом
диодной мозаики 15 … 20 мкм получила название кремникон.
Второй характеристикой, определяющей параметры видикона, является световая (энергетическая) характеристика. У видиконов эта характеристика зависит от напряжения на сигнальной пластине U с п , в связи с чем, световые характеристики видикона обычно приводят для различных значений U с п .
Анализ световых характеристик, представленных на рис. 5.9, для
трёх значений напряжения на сигнальной пластине: максимального
(U с п1 ), среднего (U с п 2 ) и минимального (U с п3 ), показывает, что эти зависимости для видикона ЛИ-415 нелинейны, причём степень нелинейности
различна для разных значений напряжения. Поэтому при использовании
в системах технического зрения ТПИ типа видикон следует особое
внимание уделять их параметрам и характеристикам, поскольку степень
нелинейности у них изменяется в достаточно широких пределах. Так для
видикона ЛИ-415 эти пределы составляют 0,6 ... 0,8.
Все мишени ТПИ, построенные по типу видикона, имеют коэффициент усиления меньше единицы, а следовательно, регистрируе-
85
мые значения токов iс имеют малые значения. В связи с этим при оптимизации параметров входного звена к первому каскаду предварительного усилителя предъявляются повышенные требования по шуму, поскольку эти параметры в основном будут определять пороговую чувствительность.
Инерционность видикона является главным его недостатком, который проявляется при передаче движущихся объектов в виде тянущегося за ним следа, размазывания контуров, потери чёткости и снижения
контраста. Обычно инерционность оценивается отношением (в процентах) остаточного сигнала спустя кадр после прекращения экспозиции к сигналу во время экспозиции. На практике различают две составляющие инерционности – фотоэлектрическую и коммутационную.
Фотоэлектрическая инерционность обусловлена физическими
процессами в фотомишени. Она зависит от материала, применяемого
фотопроводника, количества примеси в нём, технологии изготовления и
уровня освещённости, в то время как коммутационная инерционность
обусловлена недостаточными значениями тока электронного пучка, в результате чего потенциальный рельеф фотомишени не успевает выравниваться за один цикл развёртки, т.е. за один кадр. Уменьшить коммутационную составляющую можно путём уменьшения ёмкости C э элементарного конденсатора, так как увеличение тока луча приводит к ухудшению
разрешающей способности видикона вследствие увеличения диаметра
сечения считывающего луча.
К достоинствам видикона следует отнести высокую чувствительность, способность к передаче информации о постоянной составляющей, отсутствие искажений сигнала изображения, связанных с эффектом перераспределения электронов.
Промышленностью выпускается около тридцати модификаций
ТПИ типа видикон с размерами диаметра колб – 13,6; 26,7; 30,4; 38,4 мм.
Благодаря простоте электронной коммутации, малым габаритам и высоким эксплуатационно-техническим параметрам видиконы нашли широкое
применение в прикладных телевизионных системах различного назначения, а также они используются в телевизионном вещании в аппаратуре для передачи кинофильмов, где возможно обеспечить высокую
освещённость, что позволяет преодолеть основной недостаток видикона –
инерционность.
86
Лекция 6
Раздел 6.1. Твёрдотельные приёмники оптического изображения на
основе ПЗС и ПЗИ структур. Принципы организации и переноса зарядовых пакетов. Способы организации считывания информации.
Усилители яркости
Внутренняя коммутация осуществляется в твёрдотельных приёмниках изображения, которые, благодаря точности координатной привязки, малым габаритным размерам и хорошей совместимости с технологией обработки информации широко используются в системах технического зрения. Отличительной особенностью внутренней коммутации
является направленный перенос зарядов в полупроводнике вдоль его
поверхности под воздействием тактовых импульсов. В связи с этим
приборы с внутренней коммутацией получили название приборы с переносом заряда или приборы с зарядовой связью (ПЗС). По способу
организации переноса и считывания зарядовых пакетов эти приборы
подразделяются на ПЗС и приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ), а
по пространственной организации светочувствительного массива – на
одномерные (линейные) и двумерные (матричные) приборы.
Принципы организации и переноса зарядовых пакетов. В основе построения ТПИ с зарядовой связью лежит свойство МОПструктур (металл – окисел – полупроводник), способных формировать и
хранить зарядовые пакеты неосновных носителей.
Принцип организации локализованных потенциальных ям на поверхности полупроводника можно пояснить с помощью рис. 6.1.
Так, если на электрод, соединённый с металлом, называемый затвором, подать положительный потенциал, то под действием электрического
поля основные носители, отталкиваясь от границы S i  S i O2 , у поверхности образуют обеднённую область с глубиной порядка 0,1 … 1 мкм при
напряжении U  10 B .
Неосновные носители, в данном случае электроны, под действием
созданного поля будут перемещаться к границе раздела и локализоваться в узком слое порядка 0,01 мкм. В стационарном состоянии эти
87
электроны экранируют внешнее электрическое поле, что приводит к
уменьшению ширины обеднённой области и поверхностного потенциала до значения потенциала инверсии полупроводника.
В приборах ПЗС используется нестационарное состояние, при
котором можно практически пренебречь термогенерацией. Поэтому полученные таким образом потенциальные ямы могут использоваться как
хранилище зарядовых пакетов для неосновных носителей. Причём
глубина этих ям будет определяться величиной приложенного напряжения к затвору.
Время жизни потенциальной ямы ограничено паразитным процессом, термогенерацией неосновных носителей, так как в кремнии под воздействием температуры всегда генерируются пары «электрон-дырка»,
которые электрическим полем разделяются на основные и неосновные
носители.
Накопленные в потенциальных ямах термогенерированные носители являются паразитными. Поэтому время, необходимое для информационного заполнения потенциальной ямы вследствие термогенерации, называется временем релаксации. Следовательно, промежуток времени, существенно меньший по сравнению со временем релаксации, может быть использован для хранения в потенциальных ямах зарядовых
пакетов, несущих информацию о значениях полезного сигнала.
Информационные зарядовые пакеты могут быть организованы
двумя путями – электрическим путем или с помощью световой генерации. При световой генерации фотоэлектрические процессы, возникающие в кремнии, приведут к накоплению неосновных носителей в потенциальных ямах. В этом случае накопленный заряд пропорционален величине освещённости и времени накопления, т.е. времени между двумя
последовательными считываниями информационного пакета.
Организация считывания информационного пакета в ПЗС–
структурах осуществляется путем направленной его передачи из одной
потенциальной ямы в другую, используя принцип перетекания из мелкой потенциальной ямы в более глубокую яму. Поэтому для организации такого перемещения потенциальные ямы располагают на полупроводнике на достаточно близком расстоянии порядка 0,1…1,5 мкм, чтобы их обедненные области перекрывались и потенциальные ямы соединялись, как показано на рис. 6.2.
Рис. 6.2. Перенос зарядового пакета в МОП-структуре.
88
Применение такой двухэлектродной схемы расположения потенциальных ям не позволяет осуществить направленное движение зарядового пакета, поскольку в последующие моменты времени, при равенстве
потенциалов на электродах, он растечётся по двум потенциальным ямам
равномерно. Поэтому для осуществления перемещения зарядового пакета необходимо иметь защитный барьер. В качестве такого барьера можно использовать дополнительную потенциальную яму, запирающую
растекание заряда. Для этого следует использовать трёхэлектродную
конструкцию ПЗС, как показано на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Перемещение зарядовых пакетов в трёхфазном сдвиговом
регистре: а – трёхфазный регистр; б – идеальная тактовая диаграмма.
В трёхэлектродной конструкции, другими словами трёхфазовой
структуре построения ПЗС, каждый электрод прибора подключён к одной из трёх тактовых шин с фазами Ф1 , Ф2 и ф3 , т.е. получается, что
один элемент сдвигового регистра состоит из трёх ячеек элементарных
МОП-конденсаторов.
В течение первого такта работы (момент t1 ) на электроды фазы
Ф1 подано положительное напряжение U 2 . Под этими электродами образуются потенциальные ямы, в которых могут накапливаться и храниться заряды, образованные неосновными носителями. Это может происходить как в результате воздействия светового излучения – тогда заряды будут носителями полезной информации, так и вследствие паразит-
89
ного процесса термогенерации. При этом термогенерированные заряды
составляют паразитную добавку к информационному заряду и являются
источником темнового тока сигнала изображения. Время хранения зарядов t хр равно времени действия напряжения U 2 , а режим работы ячейки под электродами фазы Ф1 в это время называется режимом хранения. В момент t 2 (второй такт) на электроды фазы Ф 2 подается
напряжение U 3 , значение которого превышает в 1,5 ... 2 раза напряжение U 2 . Это напряжение называется напряжением записи. Оно вызывает появление под электродами фазы более глубоких потенциальных ям,
в которые и перетекают электроны из-под электродов фазы Ф1 . Режим, при котором электроны перетекают из одних потенциальных ям
в другие, называется режимом записи. В момент t3 (третий такт)
напряжение на электродах фазы уменьшится до значения U 2 , соответствующего режиму хранения, а напряжение на электродах фазы
Ф 2 уменьшится от значения U 2 до U 1 , что предотвращает возврат зарядового пакета под электроды фазы Ф1 .
Из рис. 6.3а видно, что перенос зарядовых пакетов произойдет
слева направо, так как под электродами фазы Ф1 потенциал остается
низким, равным U 1 . Такой направленный перенос зарядовых пакетов
является одним из достоинств трёхтактных регистров.
Последовательность смены потенциалов тактовых управляющих
импульсов в форме управляющих напряжений, показанная на диаграмме рис. 6.3б, идеальна. Однако для повышения эффективности переноса
зарядов тактовые импульсы, подаваемые на электроды, должны перекрываться и иметь пологий фронт, что задерживает уменьшение глубины потенциальной ямы. Поэтому на практике для управления лучше использовать импульсы трапецеидальной формы. В этом случае остатки
заряда успевают перетечь в соседнюю потенциальную яму, и в результате повысится эффективность переноса заряда.
Способы организации считывания информации. Приёмники
оптического излучения, построенные на основе ПЗС-структур, по способу организации считывания делятся на два класса линейные и матричные. У линейных ПЗС-структур фоточувствительные элементы расположены вдоль одной линии и формируют одну строку изображения
объекта наблюдения. Для получения остальных строк изображения следует воспользоваться оптико-механическим способом сканирования, т.е.
развёртки, используя либо перемещение наблюдаемого изображения над
ПЗС в направлении, перпендикулярном линейке чувствительного слоя,
либо путём перемещения самой однострочной ПЗС над этим изображением в этом же направлении.
90
Такие однострочные ПЗС нашли своё применение в контроле над
технологическими процессами производства, при спектральном анализе
и анализе оптической плотности макро- и микрообъектов, а также в ряде
других областей, где требуется применение систем технического зрения.
Рис. 6.4. Схема организации переноса в матрице ПЗС:
а – кадровый перенос; б – строчный (строчно-кадровый) перенос.
Вторым типом построения твёрдотельных приёмников изображения, построенных на основе ПЗС, являются матричные структуры. Они
представляют собой двухкоординатный массив светочувствительных
элементов, осуществляющих электронное сканирование, как по строке,
так и кадру наблюдаемого изображения. В матричных ПЗС - структурах наибольшее распространение получили два типа организации переноса – это организации с кадровым и строчным (строчно-кадровым) переносом, как показано на рис. 6.4.
В ПЗС с кадровым переносом МОП - ячейки расположены в виде
матрицы с вертикальными столбцами и горизонтальными строками. На
одной половине матрицы располагается секция приёма оптического
изображения, в которой образуются зарядовые пакеты под действием
внешнего излучения, а на второй половине – секция накопления, защищённая от внешнего потока излучения.
Зарядовые пакеты по истечении времени экспозиции сдвигаются в
секцию накопления и далее через выходной регистр строка за строкой
передаются на выходной усилитель, образуя информационный видеосигнал. Во время поэлементного считывания всех зарядовых пакетов
из секции накопления в приёмной секции осуществляется процесс
накопления новых информационных зарядовых пакетов следующего
кадра изображения.
При строчном (строчно-кадровом) переносе между фоточувствительными ячейками находятся экранированные строчные регистры переноса. После завершения экспозиции зарядовые пакеты быстро передаются в строчные регистры, а далее осуществляется их перенос к
сдвиговому регистру и на выходной усилитель.
91
Каждый из вариантов организации переноса имеет свои преимущества и недостатки. В кадровом переносе информационный сигнал
формируется от всего изображения, направленного в секцию накопления, т.е. используется весь поток света – около 100 % . При строчном
переносе строчные регистры занимают много места – до 50 % площади,
на которую направлен внешний поток излучения, что соответственно
уменьшает качественные параметры формируемого информационного
сигнала о наблюдаемом объекте.
Одним из основных достоинств кадрового считывания является
устранение эффекта смазывания изображения, так как зарядовые информационные пакеты считываются из защищённой от внешнего излучения секции хранения и дополнительной засветки при развёртке изображения не происходит.
Принцип кадрового переноса удобен для освещения матрицы со
стороны подложки, что позволяет удвоить квантовую эффективность
прибора и получить более равномерную характеристику спектральной
чувствительности.
На рис. 6.5 приведена схема серийно выпускаемой отечественной
промышленностью матрицы ПЗС с числом элементов 288x232, работающей с кадровым переносом накопленной информации и трёхтактным
регистром управления. Матрица содержит фоточувствительную секцию
накопления, состоящую из 144x232 элементов, секцию памяти, состоящую из 144x233 элементов, сдвиговый регистр на 235 элементов и выходное устройство, состоящее из двух транзисторов.
Рис. 6.5. Схема матрицы ПЗС с кадровым считыванием.
92
В состав выходного устройства входит также вспомогательный регистр, с помощью которого компенсируются помехи от тактовых импульсов. Для усиления сигнала изображения в матрице используется
дифференциальное устройство, в котором происходит компенсация тактовых импульсов, поступающих на его входы в противофазе.
Световая (энергетическая) и спектральная характеристики в
ПЗС-матрицах, прежде всего, определяется эффективностью квантового
выхода, т. е. степенью открытости фоточувствительного слоя. Применение поликремневых электродов позволило решить технологическую задачу малых промежутков между электродами в ПЗС-структурах и существенно улучшить перенос зарядовых пакетов. Но поликремневые
электроды имеют и недостаток, заключающийся в поглощении входного потока излучения от 40 до 90%, особенно в синей области спектра
0,3 … 0,45 мкм. В многослойных структурах ПЗС создаются интерференционные эффекты, что делает характеристику спектральной чувствительности изрезанной, как показано на рис. 6.6.
Рис. 6.6. Спектральная
характеристика матрицы ПЗС.
Кроме того, характеристика спектральной чувствительности
имеет подъём в длинноволновой области спектра и спад в области длин
волн 0,4 ... 0,5 мкм (кривая 1), который обусловлен сильным поглощением на этом участке спектра нанесёнными на полупроводниковую подложку поликремневыми электродами.
Для повышения чувствительности, в синей области спектра, в поликремневых электродах сделаны окна. Площадь этих окон составляет
примерно 15 ... 20 % от площади фоточувствительной поверхности
элемента. Это поднимает чувствительность матрицы на длине волны
  0,4 мкм до 20 % (кривая 2), что позволило использовать матрицу в
цветном телевидении.
Световая характеристика ПЗС в рабочем диапазоне освещённости линейна (рис. 6.7). Точка 1 соответствует выходному сигналу в отсутствие освещения и определяет темновой ток, обусловленный в боль-
93
шой степени термогенерацией неосновных носителей. Точка
2характеризует режим насыщения элемента матрицы, т.е. полное заполнение потенциальной ямы неосновными носителями.
Глубина потенциальной ямы определяется конструктивными параметрами матрицы и потенциалом накопления, значение которого
ограничено напряжением пробоя элементарного МОП-конденсатора.
Повышение эффективности квантового выхода достигается топологическими приёмами: путём открытия поверхности за счёт формы
электродов, применением фотодиодов в качестве фоточувствительных
элементов, а также созданием структур типа виртуальная фаза, где
открыто более 50 % поверхности.
Рис. 6.7. Световая характеристика матрицы ПЗС.
Существенное повышение чувствительности во всем спектральном диапазоне спектральной чувствительности 0,4 … 1,1 мкм достигается путём освещения ПЗС со стороны подложки. Для этого подложка профильным травлением доводится до толщины, меньшей диффузионной длины носителей 8 … 10 мкм. В этом случае значения эффективности квантового выхода составляют 0,8 при   0,5 мкм и 0,3
при   0,35 мкм. Повысить значение эффективности квантового выхода можно также с помощью «многоэтажных» структур, когда фоточувствительный слой наносится на диодную матрицу, а также с помощью матрицы микролинз, собирающих свет со всей площади прибора
на фоточувствительные области.
Приборы с зарядовой инжекцией. Схематически структура ПЗИ
изображена на рис. 6.8.
Каждый её фоточувствительный элемент состоит из двух МОПконденсаторов, между которыми имеется зарядовая связь. Фоточувствительные элементы в ПЗИ объединены в матрицу с координатным управлением по осям x и y таким образом, что один из конденсаторов подсоединён к горизонтальной (строчной) шине, а другой – к вертикальной
(столбцовой). Сдвиговый регистр, управляющий горизонтальными шинами, работает с частотой опроса строк, а регистр, управляющий столб-
94
цами, – с частотой опроса элементов. Помимо этого имеются ключи, подсоединяющие столбцы к источнику опорного потенциала.
Во время накопления на ёмкости строчных шин подаётся обедняющее напряжение и в них собираются фотогенерированные носители.
Столбцовые шины, заряженные от опорного источника и отключённые от
него, находятся в плавающем состоянии. С помощью вертикального регистра снимают смещение со строки, выбранной для считывания. При
этом заряды из всех ячеек строки переходят в столбцовые ёмкости, потенциалы которых изменяются в соответствии с величиной перешедших
зарядовых пакетов. Эти потенциалы считывают поэлементно, подключая
с помощью горизонтального регистра столбцы к шине считывания и выходному устройству. Чтобы подготовить прибор к следующему такту
работы, со столбцов снимают потенциал с помощью ключей опорного
источника, а заряды при этом инжектируются в подложку. При режиме
неразрушающего считывания заряды вновь возвращаются в ячейки
строчных шин. Применение ПЗИ не требует высокой эффективности
переноса, так как число переносов ограничено. ПЗИ отличается высокими перегрузочными свойствами – каждый элемент со всех сторон окружён стоп-канальной областью. Возможность неразрушающего считывания при N считываниях позволяет в N раз улучшить значение отношения сигнал/шум.
Рис. 6.8. Схема матрицы ПЗИ:
а – схема коммутации; б – структура ячейки.
Основные недостатки ПЗИ – большая ёмкость столбцов, что затрудняет считывание зарядов, и ярко выраженный геометрический шум,
95
связанный с отличием ёмкостей столбцов. Для уменьшения ёмкости
столбцов применяют распараллеливание массива элементов матрицы
на ряд отдельных подмассивов. Шумы считывания для ПЗИ примерно
в 20 раз больше, чем для ПЗС. Этот недостаток пока ограничивает широкое распространение ПЗИ.
Усилители яркости. К особым устройствам преобразования оптического излучения следует отнести преобразователи спектра излучения, например, рентгеновского, ультрафиолетового или инфракрасного
излучения, а также преобразователи для усиления яркости слабосветящихся объектов. В качестве таких устройств в системах технического
зрения используется докоммутационное усиление на кремниевой мишени. Мишенью в таких устройствах выступает либо мишень, аналогичная применяемой в кремниконе, либо ПЗС-структура, подложка которой протравлена до толщины 10 … 15 мкм.
На рис. 6.9 представлена структура устройства, использующего
секцию переноса докоммутационного усиления на кремниевой мишени, получившего название супервидикон или суперкремникон.
Спектральная характеристика чувствительности и квантовый выход у супервидикона определяются параметрами фотокатода 1. Квантовый выход такого фотокатода примерно равен 10 %, а реальное
усиление составляет около 200.
Аналогичным образом строится и супер-ПЗС матрица, в которой
секция переноса соединяется с ПЗС-структурой. Так, если электроны с
фотокатода направить на кремниевую мишень, придав им энергию около 10 кэВ, то в мишени будет получено усиление, примерно равное
2000.
Рис. 6.9. Схема устройства супервидикона: 1- фотокатод, 2- фотоэлектроны,
3- ускоряющий фокусирующий электрод, 4- кремниевая диодно-мозаичная мишень, 5- система фокусирующего считывающего луча, 6- магнитная система отклонения и фокусировки, 7- электроны считывающего луча, 8- области мозаики с
контактными площадками к ним, 9- подложка кристаллического кремния N типа,
10- источник смещения сигнальной пластины.
96
Усилителем яркости также называют электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Конструкция ЭОП аналогична конструкции камеры переноса суперкремникона. Отличие заключено только в том, что место кремниевой мишени занимает экран, люминесцирующий под воздействием ускоренных электронов. В ЭОП фотоны, попадающие на фотокатод, освобождают фотоэлектроны с квантовым выходом примерно
равным 10 … 20 %. Эти фотоэлектроны после фокусировки и ускорения до (1 … 1,5)·104 эВ бомбардируют люминофор, испускающий фотоны в характерной для него спектральной области. Общая эффективность
преобразования у ЭОП составляет 1…4 % , что при энергии в (1 … 1,5)
·104 эВ обеспечивает усиление около 200.
Применение стекловолокна в построении ЭОП позволяет обеспечить электростатическую фокусировку, что даёт возможность осуществлять непосредственную без промежуточной оптики стыковку с приборами, имеющими стекловолокно на входе, или стыковку между собой
нескольких секций ЭОП для увеличения коэффициента усиления.
Появление канальных умножителей и микроканальных пластин,
построенных на их основе, позволило создать новое поколение ЭОП.
Микроканальные пластины состоят из канальных умножителей с коэффициентом заполнения площади более чем 60 %. В усилителях яркости,
построенных на микроканальных пластинах, получен коэффициент усиления, достигающий 10 5 … 106.
Микроканальные пластины также используют для получения изображений в дальней ультрафиолетовой области спектра, где их квантовая эффективность составляет 5 … 15 % для длин волн   30 …
150 нм, а также в рентгеновском диапазоне, где эффективность составляет около 1 % при 60 … 100 кэВ и доходит до 5 … 10 % на длинах
волн   0,2…5 нм.
Помимо хорошего пространственного разрешения усилители яркости на микроканальных пластинах позволяют осуществлять за счёт стробирования входного промежутка и временную селекцию с точностью
порядка 3 … 5 нс.
Контрольные вопросы по теме:
1. Каковы физические основы преобразования оптического излучения?
2. Основные параметры и характеристики приёмников оптического излучения.
3. Классификация приёмников оптического изображения.
4. Приёмники изображения с внешним фотоэффектом. Перенос
электронных изображений и фокусировка развертывающего луча.
5. Принцип накопления заряда в приёмниках оптического изображения.
97
6. Принцип работы диссектора.
7. Принцип работы видикона.
8. Принцип работы плюмбикона.
9. Твёрдотельные приёмники оптического изображения на основе
ПЗС и ПЗИ структур.
10. Принципы организации и переноса зарядовых пакетов. Способы организации считывания информации.
11. Усилители яркости. Устройство супервидикона.
Лекция 7
Тема 4. Принцип действия оптических модуляторов.
Методы демодуляции
7.1. Виды модуляции света. Модуляция – это изменение одного
из параметров света: интенсивности, частоты, фазы, поляризации,
направления, частоты распределения мод и др. в зависимости от
управляющего сигнала.
Управляющий
(модулирующий)
сигнал
может
быть
электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим и даже
оптическим.
Для модуляции оптической несущей информационным сигналом
можно использовать следующие виды модуляции:
– по интенсивности (МИ);
– частотную (ЧМ);
– фазовую (ФМ);
– поляризационную (ПМ).
В подавляющем
большинстве используется модуляция по
интенсивности
оптического
излучения.
При
фиксированных
пространственных координатах мгновенное значение электрического
поля монохроматического оптического излучения можно записать в
виде:
Е t   Em cos 0 t   0  ,
где Em – амплитуда поля;
0 и  0 – соответственно частота и фаза оптической несущей.
Тогда мгновенное значение интенсивности
Pмг. = E2(t) = Eм2cos2(0t+),
а усредненное значение по периоду

P  0,5 E m2
Последнее называется средней интенсивностью или мощностью.
98
При МИ именно величина P изменяется в
модулирующим сигналом F(t), то есть P (t ) ~ F(t) .
соответствии с
Широкое применение МИ объясняется тем, что для
используемых в оптических передатчиках полупроводниковых
источников излучения (СИД, ЛД), этот вид модуляции в широком
диапазоне частот выполняется простыми техническими средствами.
Для управления интенсивностью излучения полупроводникового
источника достаточно изменять ток инжекции (ток накачки) в
соответствии с модулирующим сигналом. Это легко обеспечивается
электронной схемой возбуждения.
7.2. Методы модуляции оптической несущей. Фактическим
переносчиком данных в оптическом волокне является оптическая
несущая, излучаемая источником. Она и должна быть, в конечном
счете, промодулирована. Сделать это можно четырьмя способами:
 непосредственной модуляцией оптической несущей линейной
кодовой последовательностью (ЛКП);
 модуляцией несущей с использованием специального
модулятора,
 сигнал которого и видоизменяется с помощью ЛКП;
 модуляцией с использованием промежуточной несущей,
которая затем непосредственно модулирует оптическую несущую;
 модуляцией с использованием поднесущей и модулятора.
Таким образом, различают модуляцию без поднесущей, когда
модулируют непосредственно параметры оптической несущей, и с
поднесущей, когда сначала модулируют промежуточное СВЧ колебание,
которое затем модулирует оптическую несущую.
Модуляция может быть внутренней и внешней.
Непосредственная модуляция оптической несущей. Эта
модуляция
может
быть
осуществлена,
например,
путём
непосредственной модуляции тока накачки лазерного диода по типу
«включено – выключено» в соответствии с ЛКП.
Такая внутренняя модуляция интенсивности излучения ЛД
током накачки может производиться с высокой скоростью. Это
достоинство определяется малым временем жизни электронов п~10-9c в
р-n-переходе и соответственно возможностью быстрого «включения»
инверсной населённости. Переходная характеристика многомодового
лазера (рисунок 7.1) отражает процесс установления стационарного
режима.
99
Рис.7.1 – Переходная характеристика многомодового лазера.
При возбуждении лазера скачком тока I наблюдается задержка
начала генерации на время з. Это время необходимо для возрастания
плотности неравновесных носителей до порогового уровня. Оно
определяется по формуле:
з=п·20lg[I/(I–Iп)],
где Iп – пороговый ток ЛД.
Естественно, что з может быть уменьшено, если через лазер
протекает ток смещения
з=п·20lg[I/(I–Iп+Iсм)]
Переходная характеристика для этого случая представлена на
рис.7.1 штриховой линией.
Быстрое включение инверсной населённости приводит к
появлению затухающих колебаний инверсной населённости, и как
следствие, интенсивности излучения, около их стационарных значений.
Частота этих релаксационных колебаний fрел , например, в идеальном
одномодовом лазере описывается приближённой формулой
1
I
f pее 
(  1) ,
2  п ф I п
где ф10-12 с  время жизни фотона в резонаторе, определяемое
потерями в нём.
Существенным при наличии тока смещения является уменьшение
амплитуды переходного процесса (штриховая линия).
Релаксационным колебаниям в переходной характеристике лазера
соответствует резонанс вблизи
fpез на частотной характеристике
(рис.7.2).
Таким образом, можно считать, что при импульсной модуляции
током накачки с длительностью
 н   п ф
и при аналоговой модуляции с частотами в спектре f<<fpез в каждый
момент времени интенсивность принимает стационарное значение в
100
соответствии со статической ватт-амперной характеристикой лазера.
При
 н   п ф
и
ffpез
существенное значение начинают оказывать переходные процессы.
Рис.7. 2 – Частотная характеристика одномодового лазера.
Расчёты показывают, что при использовании многомодовых
лазеров достаточно просто реализуется импульсно-кодовая модуляция
со скоростью 400Мбит/c.
Для спонтанных источников света, таких как СИД, применима в
основном
внутренняя
модуляция
интенсивности посредством
управления током возбуждения. ВСИД мощность излучения растёт
линейно с увеличением тока инжекции Iн и ограничивается лишь
термическими эффектами.
Метод внутренней модуляции оптической несущей имеет ряд
существенных недостатков:
– нелинейная зависимость мощности излучения от тока из-за
нелинейности ватт-амперной характеристики;
– оказывает влияние на спектр излучения лазера и амплитуды
отдельных мод резонатора;
– не позволяет в полной мере использовать другие более
прогрессивные методы кодирования, основанные на модуляции
амплитуды и фазы, применяемые в специальных модуляторах;
– не удобен для систем с оптическим мультиплексированием с
разделением по длинам волн (МДВ), где несколько источников
модулирующих сигналов одновременно используются для передачи
информации по одной несущей.
Модуляция с использованием промежуточной
несущей.
Вместо применения внутренней модуляции, можно осуществить процесс
модуляции, используя промежуточную несущую, или поднесущую, на
101
радиочастоте в диапазоне fн=10МГц–10ГГц. Этой модулированной
поднесущей можно затем модулировать основную оптическую
несущую. Главное отличие этой схемы модуляции от схемы прямой
модуляции в том, что при этом могут быть использованы различные
стандартные методы и устройства модуляции: амплитудные, частотные,
фазовые и комбинированные, хорошо разработанные для диапазона
радиочастот.
Схема использования промежуточной несущей показана на рис.7.3
(в качестве примера приведена амплитудная манипуляция тока
возбуждения лазера).
Использование поднесущей необходимо и при многоканальной
модуляции в системах с оптическим мультиплексированием по длинам
волн (МДВ). В этом случае отдельные входные потоки модулируют свои
поднесущие, которые затем мультиплексируются в одну поднесущую,
модулирующую оптическую несущую.
Рис.7.3 – Модуляция с использованием промежуточной несущей.
7.3. Типы оптических модуляторов. Оптические модуляторы применяются при внешней модуляции уже сформированного светового луча.
Различают следующие типы модуляторов:
– акустооптические, использующие законы акустооптики;
– электрооптические, использующие законы электрооптики;
– электрооптические, использующие полупроводниковые усилители.
Акустооптические
модуляторы.
Принцип
действия
акустооптического модулятора (АОМ) основан на зависимости
показателя преломления оптически прозрачных материалов (например,
102
ниобата лития LiNbO3) от давления. Это давление может быть создано
акустическими (ультразвуковыми – УЗ) волнами, генерируемыми
пьезоэлектрическим преобразователем – пьезокристаллом (ПК).
ПК наклеивают на акустооптический материал для создания
акустооптической ячейки (АОЯ), являющейся основным элементом
модулятора (рис.7.4). Акустическая волна создаёт в оптической среде
структуру с периодически изменяющимся показателем преломления,
играющую роль дифракционной решётки.
Линии равного показателя преломления (на рис.7.4 они показаны
сплошными горизонтальными линиями) отстоят на длину акустической
волны λав. Чтобы не было отражённой акустической волны, применяют
поглотитель.
При входе падающего пучка в АОЯ в результате его взаимодействия с фронтом звуковой волны от ПК возникает дифракция света на
ультразвуке, приводящая к расщеплению падающего пучка на проходящий и дифрагированный. Характер взаимодействия зависит от соотношения диаметра пучка δ , длины световой волны λ и угла падения θ. В
оптических модуляторах используются условия возникновения дифракции Брэгга, т.е. когда выполняется соотношение
λавsinθ=mλ,
где λав играет роль постоянной решётки d;
m – порядок дифракции (m=0,1,2,…);
λ – длина световой волны.
Рис.7.4 – Схема прохождения пучка света в АОМ.
103
Для целей модуляции обычно используется дифрагированный
свет, так как полная (100%) модуляция проходящего света требует очень
большой акустической мощности. Модуляция создаётся амплитудномодулированной звуковой волной, взаимодействие с которой и модулирует интенсивность дифрагированной волны, играющей роль выходной
волны для модулятора. Быстродействие модулятора определяется временем прохождения звукового сигнала через поперечное сечение светового пучка и имеет порядок 10-7с.
АОМ является достаточно простым и надёжным устройством, хотя
и имеет определённые недостатки, основные из них следующие:
– нелинейность характеристики преобразования;
– уменьшение реализуемой глубины модуляции с ростом частоты
модуляции, что ограничивает их использование в высокоскоростных
схемах;
– смещение частоты модулированного лазерного излучения на величину акустической модулирующей частоты;
– невысокая эффективность дифракции, определяемая как отношение интенсивностей дифрагированного и падающего пучков (её увеличение достигается за счёт увеличения мощности акустического сигнала).
АОЯ может быть использована в различных типах акустооптических приборов: дефлекторах, сканнерах, модуляторах, фильтрах и процессорах – в зависимости от того, каким параметром оптического луча
осуществляется управление.
Электрооптические модуляторы. Оптические характеристики
любой среды, например, такие, как показатель преломления, влияют на
характер и поляризация света, зависят от распределения связанных
зарядов (электронов и ионов) в среде. Под действием приложенного
электрического поля оно может меняться, что приводит к изменению так
называемого эллипсоида показателя преломления и состояния
поляризации. В средах, не имеющих центральной симметрии, указанное
действие проявляется в виде линейного электрооптического эффекта
Поккельса. В средах с центральной симметрией, напротив, наблюдается
квадратичный электрооптический эффект Керра. Эти два наиболее
значительных электрооптических эффекта могут быть использованы при
построении электрооптических модуляторов.
Электрооптические модуляторы на основе эффекта Поккельса.
Линейный эффект Поккельса на практике проявляется в преобразовании характера поляризации входной световой волны при приложении напряжения к кристаллу. Для некоторых кристаллов (например,
ниобата лития) этот характер поляризации может достигать величины
90о в зависимости от приложенного напряжения.
104
Можно сформировать схему модулятора, если поместить такой
кристалл (называемый ячейкой Поккельса – ЯП) между двумя пластинами линейного поляризатора и анализатора, плоскости поляризации
которых повёрнуты на 90о (рис.7.5).
В этой схеме при отсутствии напряжения на ЯП плоскость поляризации луча, прошедшего через ячейку, дополнительно не вращается и
световой луч, плоскополяризованный линейным поляризатором на входе, на выход анализатора (а значит и модулятора) не проходит.
Рис.7.5 – Схема электрооптического модулятора на ячейке Поккельса.
Если подавать напряжение на ЯП, то ячейка будет дополнительно
поворачивать плоскость поляризации вправо. При определённом напряжении угол между плоскостями поляризации луча на выходе ячейки и
анализатора практически сокращается до нуля, обеспечивая в результате
полное прохождение входного луча на выход модулятора.
Таким образом, ЯП позволяет осуществить модуляцию световой
волны по интенсивности за счёт эффекта Поккельса при амплитудной
модуляции подаваемого на неё напряжения. Частота модуляции может
достигать 10ГГц и выше, глубина модуляции – до 99,9%. Реализация такого типа модуляторов характерна для использования объёмной оптики,
тогда как для интегральной оптики более характерным является применение управляемых направленных ответвителей и модуляторов, использующих схему интерферометра Маха-Цендера.
Электрооптические модуляторы на основе интерферометра
Маха- Цендера.
Такой модулятор в соответствии со схемой интерферометра МахаЦендера (ИМЦ) состоит из двух идентичных плеч интерферометра
(рис.7.6).
105
Рис.7.6 – Схема электрооптического модулятора
типа интерферометра Маха-Цендера.
На схеме показаны два типа электродов: электроды для создания
модулирующего электрического поля и электроды для создания постоянного электрического поля, позволяющего задавать рабочую точку на
передаточной характеристике такого модулятора.
Модулирующее напряжение U должно быть разнополярным, чтобы замедлить движение оптической несущей в одном плече и ускорить
его в другом.
Модулирующие электроды достаточно протяжённы для обеспечения эффективного распределённого (на длине L) взаимодействия полей
электрической и оптической волн.
В зависимости от приложенного к электродам напряжения U и
длины волны L в зоне взаимодействия полей, распространяющиеся по
этим плечам моды, приобретают сдвиг фаз
Δφ=kmΔnmL,
где Δnm = nmrE/2 – амплитуда изменения эффективного показателя преломления моды;
nm– эффективный показатель преломления моды;
r– электрооптический коэффициент рабочей оптической среды;
Е – напряженность электрического поля, создаваемая напряжением U;
km – волновой вектор моды.
На выходе ИМЦ происходит модуляция входного светового потока по интенсивности ввиду интерференции достигших его световых мод.
При фазовом сдвиге до Δφ=π и более произойдет ослабление сигнала на выходе модулятора порядка 20дБ.
Передаточная характеристика ИМЦ (рис.7.7), представляет собой
синусоиду, из которой для управления процессом модуляции выбирают
одну из полуволн, задавая на ней определённое напряжение смещения
Uсм с помощью системы электродов напряжения смещения. Это напряжение может быть выбрано как для работы в линейной, так и в квадратичной области передаточной характеристики.
106
Рис.7.7 – Передаточная характеристика модулятора типа ИМЦ.
Такой тип модулятора наиболее широко используется в различных
приложениях, и прежде всего в системах нового поколения и мультиплексирования по длинам волн.
7.4
Демодуляция.
Фотодетектор,
входящий
в
состав
фотоприемника, является квадратичным прибором, выходной ток
которого пропорционален квадрату амплитуды оптического поля, то
есть мощности падающего на фоточувствительную поверхность
оптического сигнала. Следовательно, подавая модулированный по
интенсивности оптический сигнал непосредственно на фотодетектор,
можно очень просто преобразовать его в электрический с сохранением в
идеальном случае формы модулирующего сигнала.
При демодуляции используется в основном два вида приёма
оптических сигналов: непосредственный приём фотодетектором
(некогерентный приём) и когерентный приём, в котором применяется
гетеродинное или гомодинное преобразование частоты независимо от
вида демодуляции (синхронная или несинхронная), осуществляемой на
промежуточной частоте.
Непосредственный приём. Рассмотрим основные вопросы, касающиеся приёма оптического сигнала с МИ. Классическая схема в этом
случае для приёма оптического излучения, промодулированного цифровыми сигналами, показана на рис.7.8.
107
Рис.7.8 – Структурная схема приёма оптического излучения, промодулированного цифровым сигналом.
Детектируемый фотодиодом ток сначала усиливается малошумящим усилителем, а затем фильтруется, чтобы уменьшить влияние шума
и получить достаточно высокий уровень сигнала на входе схемы принятия решений (порогового устройства – ПУ). Принятие решений осуществляется с помощью устройства восстановления синхроимпульсов
(УВСИ). Часто в схему приёмника вводится схема АРУ. Она компенсирует дрейф рабочей точки характеристик, а также изменения коэффициентов усиления усилителей и умножения (при использовании ЛФД) или
входного уровня.
При приёме оптических сигналов с аналоговой МИ непосредственный оптический приём аналогичен приёму с прямым усилением
высокочастотных сигналов, Согласно структурной схеме на рис.7.9 оптическое излучение падает непосредственно на ФД.
Рис.7.9 – Структурная схема непосредственного приема оптических сигналов
с аналоговой МИ.
За ФД следует усилитель переменной составляющей выходного
тока детектора. Между фотодетектором и усилителем, а также в схеме
усилителя возможна установка фильтров, которые отделяют составляющие спектра сигнала от шумов. Затем следует плоско-линейный выравниватель и фильтр нижних частот.
Когерентный приём.
Когерентные ВОСП являются перспективными. В их основе лежит
когерентный приём оптических сигналов – гетеродинный или гомодинный, независимо от вида модуляции (синхронная или несинхронная).
Структурная схема когерентной ВОСП показана на рис.7.10.
108
Рис.7.10 – Структурная схема когерентной ВОСП.
Лазерный излучатель оптического передатчика (ОП) генерирует
оптический сигнал, спектральная полоса которого должна быть максимально узкой, чтобы эффективность гетеродинирования была наилучшей. В частности, при гетеродинном приёме цифровых АМ, ЧМ и ФМ
сигналов отношение ширины полосы излучения Δλ к скорости передачи В, т.е. Δλ/B, должно составлять 10-2–5·10-3 , а при гомодинном приёме и ФМ оно равно 0,5·10-3.
Оптический вентиль (В) предназначен для изоляции ОП от обратного отражённого излучения, которое может привести к дестабилизации
процесса генерации (перескок с одной лазерной моды на другую) и уширению линии генерации. Основным видом модуляции является цифровая (АМ, ЧМ и ФМ), которая реализуется с помощью внешнего электрооптического модулятора (М), на который подаётся цифровая информация. В качестве среды распространения используется одномодовое однополяризационное ОВ, сохраняющее одно состояние поляризации излучения, поскольку когерентное оптическое детектирование весьма чувствительно к поляризационным состояниям передаваемого сигнала и излучениям местного лазерного гетеродина (поляризации обоих лучей
должны совпадать). При использовании обычного одномодового волокна на приёмной стороне необходимо устанавливать поляризационный
контроллер (корректор ПК), совмещающий плоскость поляризации излучения местного гетеродина (Гет) с плоскостью поляризации сигнального излучения.
В оптическом гетеродинном приёмнике принимаемый сигнал
суммируется в оптическом соединителе (ОС) с излучением местного гетеродина и подаётся на квадратичный (по полю) фотодетектор (ФД). Излучение местного гетеродина, как и лазера передатчика, должно быть
узкополостным. В результате нелинейного преобразования суммарного
сигнала фотодетектором на его выходе появляется сигнал промежуточной частоты (ПЧ), амплитуда, частота и фаза которого пропорциональны
соответствующим параметрам сигнального излучения. Затем сигнал ПЧ
демодулируется обычным способом в сигнал НЧ. Демодуляция сигнала
109
ПЧ может осуществляться синхронным или несинхронным демодулятором (ДМ) (по огибающей, квадратичным методом), а также в случае
цифровой ФМ – фазоразностной схемой.
НЧ сигнал непосредственно выделяется после процесса оптического смешения, так как частота местного гетеродина совпадает с частотой несущей оптического сигнала. Контур автоматической подстройки
частоты (АПЧ) необходим для регулирования частоты лазерного местного гетеродина и удержания значения разностной частоты в пределах
частотной полосы усилителя ПЧ, следующего за ФД. В случае гомодинного приёма необходим контур фазовой автоподстройки.
Контрольные вопросы по теме:
1. Принципы действия оптических модуляторов?
2. Управление искусственной анизотропией кристалла при помощи внешнего поля.
3. Устройство электрооптического модулятора.
4. Принцип действия электрооптических модуляторов на основе
интерферометра Маха- Цендера?
5. Основы непосредственного приёма?
6. Основы когерентного приёма?
Лекция 8
Тема 5. Видеопреобразователи на управляемых транспарантах
с жидкими кристаллами. Полупроводниковые оптически управляемые транспаранты. Оптические изоляторы
Раздел 8.1. Видеопреобразователи на управляемых транспарантах с жидкими кристаллами
В настоящее время перспективным видом устройств отображения
информации коллективного пользования являются проекционные
устройства, использующие в качестве промежуточного носителя информации управляемые транспаранты (УТ) на жидких кристаллах (ЖК). Эти
устройства имеют ряд преимуществ по сравнению с другими транспарантами, что позволяет использовать УТ на ЖК в устройствах отображения больших массивов информации на большом экране.
По способу проекции устройства отображения информации делятся на эпископические и диаскопические. В первом случае УТ должен работать на «отражение», а во втором - на «просвет».
По способу управления транспарантами СОИ подразделяются на
устройства с электрическим, оптическим и термооптическим управлением. При этом в УТ могут быть использованы нематические жидкие кристаллы (НЖК), смеси НЖК и холестерических жидких кристаллов
(ХЖК), холестерические и смектические жидкие кристаллы (СЖК).
110
С помощью оптически управляемых СОИ возможно преобразование некогерентного изображения в когерентное. Это свойство можно
использовать для создания объемных устройств отображения информации на голографической основе.
Любое проекционное устройство отображения информации на
большом экране, структурная схема которого приведена на рис. 8.1, содержит:
Рис. 8.1. Обобщенная схема проекционного устройства отображения информации.
1. Проектор с УТ на жидких кристаллах, предназначенный для
увеличения изображения, формируемого в реальном масштабе времени
в плоскости управляемого транспаранта. В проектор входят осветитель,
управляемый транспарант, проекционный объектив, экран.
2. Устройство ввода информации, в которое входят источник луча
управления, модулятор света, дефлекторы, зеркала.
В зависимости от типа применяемого УТ, работающего на «отражение» или «просвет», в проекторе могут быть использованы два вида
проекции - эпископическая и диаскопическая. Эпископической называется проекция с непрозрачного управляемого транспаранта, образованная лучами света, отраженного от него. Работающие таким образом
устройства называются эпипроекторами. Диаскопической называется
проекция изображения с прозрачного управляемого транспаранта, образованная лучами света, прошедшими сквозь него. Работающие таким
образом устройства называются диапроекторами. С помощью диапроектора при тех же энергетических затратах обеспечивается большая освещенность экрана.
В эпипроекторе, обобщенная функциональная схема которого
приведена на рис. 8.2, световой поток проекции изображения от осветителя 1 падает на выходную поверхность транспаранта 2, отразившись от
которой через объектив 3 проецируется на экран 4. Световой поток
111
управления f(x,y,z) подается на входную поверхность УТ 2. При этом
оптические потоки управления и проекции изображения развязаны пространственно внутри управляемого транспаранта.
Рис. 8.2 - Функциональная схема эпипроектора:
1 - осветитель, 2 - управляемый транспарант, 3 - объектив, 4 – экран.
В диапроекторе, обобщенная функциональная схема которого
представлена на рис. 8.3 световой поток проекции от осветителя падает
на входную поверхность управляемого транспаранта 5 и, пройдя через
него, проецируется объективом 6 на экран 7. Световой поток управления
I(x,y,z) в таком устройстве может подаваться как на входную, так и на
выходную поверхность транспаранта. Но в этом случае лучи управления
и проекции должны быть разделены по спектру или во времени. Последний способ развязки используется реже.
Рис. 8.3 -Функциональная схема диапроектора:
1 - зеркало, 2 - лампа, 3 - тепловой фильтр, 4 - конденсор, 5 - управляемый
транспарант, 6 - объектив, 7 – экран.
Осветитель состоит из лампы 2, для удобства и безопасности помещенной в специальный кожух. Последний служит также в качестве
несущей конструкции для держателя лампы и оптических элементов.
Лампа излучает световой поток, который проходит через проекционный
объектив 6 на экран 7. Для увеличения этого светового потока применяются зеркало 1 и конденсорные линзы 4. Зеркало может иметь сферическую, эллиптическую или параболическую форму в зависимости от того,
применяется оно вместе с линзами или отдельно. Распространение получили зеркала с наружным отражающим слоем и интерференционные
112
зеркала «холодного света» с наружным покрытием. Интерференционный
слой обладает большой прочностью, сравнимой с прочностью стеклянной поверхности отражателя, посеребренного с задней стороны.
В связи с тем, что лампа 2 наряду со светом излучает и тепло, последнее может вызвать перегрев и порчу конденсорных линз 4, а также
нагрев транспаранта 5. Это способствует преждевременному выходу из
строя ЖК и транспаранта в целом. Для отвода тепла используется тепловой фильтр 3, который обычно помещается между лампой 2 и конденсорной линзой 4. Наиболее эффективными являются многослойные тепловые фильтры, отражающие инфракрасные лучи и пропускающие свет
видимого диапазона.
Рис. 8.4 Зависимость между размером экрана Н, приемлемым расстоянием
наблюдения Д и числом деталей изображения М, которые можно отобразить на
экране.
Объем эффективно отображаемой информации ограничивается
возможностями зрительного восприятия оператора (полем зрения и разрешающей способностью глаза).
При нормальном комнатном освещении глаз человека в состоянии
различить параллельные черные линии с угловым расстоянием в 1 мин.
Занимая фиксированное положение, оператор может без особого напряжения рассматривать площадь, угловой размер которой составляет порядка 50°. Поэтому объем информации, которую можно отобразить на
экране, зависит от его угловых размеров. На рис. 8.4 показана зависимость между размером экрана Н (экран имеет квадратную форму), приемлемым расстоянием от экрана до наблюдателя Д и числом деталей
изображения М, которое можно отобразить на экране.
Раздел 8.2. Оптические изоляторы
Оптический сигнал, распространяясь по волокну, отражается от
различных неоднородностей, в особенности от мест сухого стыка, образуемых оптическими соединителями. В результате такого отражения
часть энергии возвращается обратно. Если в качестве источников излучения используются лазерные диоды, то отраженный сигнал, попадая в
резонатор лазера, способен индуцировано усиливаться, приводя к паразитному сигналу. Особенно это не желательно, когда источник излуче-
113
ния генерирует цифровой широкополосный сигнал (>100 МГц), или аналоговый широкополосный сигнал (в смешанных волоконнокоаксиальных сетях кабельного телевидения до 1 ГГц). В сложных широкополосных сетях, когда имеется множество подключений коннекторов и другие оптические устройства (разветвители, WDM устройства,
оптические усилители), такая обратная связь усиливается и приводит к
росту уровня шума источника излучения. Наиболее кардинальный способ подавления обратного потока основан на использовании оптических
изоляторов. Оптический изолятор обеспечивает пропускание света в
одном направлении почти без потерь, а в другом (обратном) направлении с большим затуханием. Оптические изоляторы сегодня являются
ключевым элементом многих лазерных систем, оптических усилителей,
а также используются в качестве отдельного элемента оптической линии
связи.
Вращение плоскости поляризации
В основе работы оптического изолятора лежит эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации света оптически неактивными веществами под действием продольного магнитного поля.
Угол поворота плоскости поляризации равен θ=VBZd, где V – постоянная Верде (Verdet) – удельное магнитное вращение, зависящая от
природы вещества, температуры и длины волны света, ВZ – продольная
составляющая индукции магнитного поля, d – длина пути света в веществе – размер ячейки Фарадея. Направление вращения зависит только от
природы вещества и направления магнитного поля. Знак вращения отсчитывается для наблюдателя, смотрящего вдоль магнитного поля. Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникновением
асимметрии оптических свойств вещества под действием магнитного
поля.
Зависимость вращения плоскости поляризации от длины волны
света называется вращательной дисперсией.
Принцип действия оптического изолятора
Оптический изолятор состоит из трех элементов: поляризатора 1
(входного поляризатора), ячейки Фарадея 2 и анализатора 3 (выходного
поляризатора), рис. 8.5. Параметры ячейки Фарадея выбираются так,
чтобы ось поляризации света, проходящего через нее, разворачивалась
на 45°. Под таким же углом устанавливаются оси поляризаторов. Входной полезный сигнал, проходя через поляризатор 1, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую, рис. 8.5 а. Далее вертикально поляризованный свет проходит через ячейку Фарадея 2, разворачивает плоскость поляризации на
45° и беспрепятственно проходит через анализатор 3.
При распространении света в обратном направлении (рис. 8.5 б) он
также поляризуется в плоскости анализатора 3, затем, проходя через
ячейку Фарадея 2, становится горизонтально поляризованным. Таким
114
образом, оси поляризации света и поляризатора 1 составляют угол 90°,
поэтому поляризатор 1 не пропускает обратное излучение.
Технические параметры
Основными требованиями, предъявляемыми к оптическому изолятору, являются малые вносимые потери в прямом направлении (~ 1-2 дБ)
и высокая изоляция (потери при распространении обратного сигнала) в
обратном направлении (>30 дБ). Кроме того, должны обеспечиваться
прозрачность во всем диапазоне рабочих длин волн, стабильность параметров при изменении температуры. В диапазоне длин волн 1,3-1,55 мкм
магнитооптическим материалом, используемом в ячейке Фарадея, является Y3 Fe3 O12. На длине волны 0,85 мкм используется парамагнитное
стекло.
Параметры оптических изоляторов, выпускаемых фирмами EOT
(Electro-Optic Technology), OFR (Optical For Research, Inc.) приведены в
табл. 8.1.
Оптические изоляторы часто интегрируются в лазерный передающий модуль. Высокая эффективность такого решения связана с тем, что
выходной оптический сигнал от лазерного светодиода имеет эллиптическую поляризацию. Оптический изолятор устанавливается так, чтобы
плоскость поляризации анализатора 1 совпадала с плоскостью поляризации максимальной составляющей выходного сигнала от лазерного светодиода.
Рис. 8.5. Схема оптического изолятора:
а) полезный сигнал в прямом направлении проходит свободно;
б) сигнал в обратном направлении поглощается поляризатором; в) вид оптического изолятора (справа) рядом с лазерным диодом.
Оптические изоляторы также являются неотъемлемой частью оптических усилителей на примесном волокне. В этом случае устанавливается пара оптических изоляторов – один на входе, другой на выходе оптического усилителя. Поскольку оптические усилители, как правило,
осуществляют усиление мультиплексного оптического сигнала, то необ-
115
ходимо, чтобы оптические изоляторы имели высокие характеристики во
всем диапазоне длин волн, представленных в оптическом сигнале. Для
этой цели используются специальные широкозонные оптические изоляторы.
Таблица 8.1. Технические параметры оптических изоляторов
Модель
Пиковая изоляция
(на центральной длине
волны)
Полоса с изоляцией до
90% от пиковой
Вносимые потери
Обратные потери
Рабочая температура
Температура
хранения
Относительная
влажность
IO-G-1310 (1310 нм)
IO-G-1550 (1550
нм)
> 36 дБ
8 – 16 дБ
1*2% отЯ,=1310 нм
1*2% от Я , =1550 нм
0,7-И,2 дБ
> 55 дБ
-20 * +55°С
0,7*1,2 дБ
> 55 дБ
-20 * +55°С
-35 н- +80°С
-35 * +80°С
95%, 0°С *
40°С
95%, 0°С * 40°С
Раздел 8.3. Полупроводниковые оптически управляемые
транспаранты. Cреди различных типов оптически управляемых транспарантов наиболее известны устройства, в которых используется изменение фотопроводимости в слое полупроводника в результате освещения. Этот слой, следовательно, является необходимым элементом многослойной структуры типа конденсатора, на обкладках которого присутствуют электрические заряды, создаваемые электронным пучком или
приложенным электрическим напряжением. Другим элементом структуры будет являться слой электрооптического материала (рис. 8.6).
Запись информации производится путём экспозиции модулированного светового пучка (управляющая волна I1) на фотопроводник с
одновременной подачей постоянного напряжения. При этом происходит
перераспределение разности потенциалов, приложенной к структуре.
Модулированный световой пучок создаёт в фотопроводнике заряженные
носители, дрейфующие к поверхности фотопроводник - электрооптический материал. Прикладываемое к транспаранту электрическое поле
пространственно ослабляется фотоносителями пропорционально интенсивности падающего света. Это приводит к изменению оптических
свойств электрооптического материала в соответствии с управляющей
волной.
Для неразрушающего считывания записанных данных надо использовать свет с другой длиной волны. Считывание может производиться в проходящем или отражённом свете. При работе в отражённом
116
свете между фотопроводником и электрооптическим материалом помещается оптический разделительный слой.
В результате считывающая волна I0, прошедшая через электрооптический слой, претерпевает амплитудную или фазовую модуляцию.
После прекращения импульса напряжения структура релаксирует к исходному состоянию. Иногда для стирания применяется засветка.
Рис. 8.6. Устройство полупроводникового оптически управляемого транспоранта
При планарной конструкции транспаранта для модуляции могут
применяться продольный эффект Поккельса на кристаллах типа DKDP,
KDP, ADP; электропоглощение вследствие действия эффекта ФранцаКелдыша в широкозонных полупроводниках типа GaAs, CdS, GaP; динамическое рассеяние в жидких кристаллах и другие.
Контрольные вопросы:
1. Видеопреобразователи на управляемых транспарантах с жидкими кристаллами.
2. Структурная схема любого проекционного устройства.
3. Принцип действия оптического изолятора.
4. Требования к оптическим изоляторам
5. Полупроводниковые оптически управляемые транспаранты.
Лекция 9
Тема 6. Цифровые оптические процессоры. Оптические технологии в информатике. Аналоговые оптические вычисления и
процессоры
Раздел 9.1.Цифровые оптические процессоры
В 1984 году Б. Дженкинс из Университета Южной Калифорнии
продемонстрировал первый цифровой оптический компьютер, выполнявший достаточно сложную последовательность команд. Взаимодействие двух лучей осуществлялось элементом, состоящим из жидкого
кристалла и фотопроводника. Проходя, свет влияет на электрическое
117
поле, приложенное к жидкому кристаллу, отчего меняется прозрачность
элемента. Быстродействие определяется инерционностью жидкого кристалла. В 80-е годы прошлого века интенсивно работали над созданием
полностью оптических компьютеров нового поколения. Сердцем такого
компьютера должен был стать оптический процессор, использующий
элементы, в которых свет управляет светом, а логические операции
осуществляются в процессе взаимодействия световых волн с веществом.
Значительные усилия, направленные на создание оптического компьютера, привели к определенным успехам. Так, в 1990 г. в лабораториях
американской фирмы "Белл" был создан макет цифрового оптического
устройства (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Макет цифрового оптического устройства фирмы Bell .
С его помощью была продемонстрирована возможность выполнения цифровых и логических операций с высокими параметрами быстродействия и потребления энергии. Основу процессора разработанного оптического компьютера составляли двумерные матрицы бистабильных
элементов (размерностью 4x8) на основе квантоворазмерных полупроводниковых структур, обладающих нелинейными электрооптическим
свойствами (self-electro-optic-effect devices - SEED).
Первоначально остановимся на основных параметрах оптических
бистабильных элементов. Система называется бистабильной, если она
имеет два устойчивых состояния (мультистабильная - более двух) при
одних и тех же контролируемых параметрах. В бистабильных системах,
которые мы рассмотрим ниже, контролируемым параметром является
интенсивность света на входе в систему, а два устойчивых состояния соответствуют двум значениям интенсивности света на ее выходе. Очевидно, что бистабильная система должна быть нелинейной, так как нельзя получить два значения интенсивности света на выходе IT при простом
умножении интенсивности света на входе I0 на постоянное число (рис.
9.2, а, б, в). Для получения многозначности нелинейного пропускания
системы (T=IT/I0), то есть бистабильного режима, необходимо в нелинейной системе осуществить обратную связь.
118
Рассмотрим в общем виде поведение нелинейной системы с обратной связью (рис. 9.2). На нелинейную систему (представлена на схеме в виде прямоугольника; зависимость I/T=f(Iin) нелинейная) помимо
излучения интенсивностью I0 на вход подается часть I/T отраженного от
прозрачной пластинки выходного
излучения I/T,
то
есть
система
охвачена положительной обратной связью. Таким образом, интенсивность излучения внутри системы Iin = I0+I/T Пропускание системы до частично отражающей свет пластинки на выходе:
T(Iin ) 
I/ T
1 1
 
Iin
I0
 I 0
(9.1)
где зависимость I/T и соответственно Т/ от Iin нелинейная.
Рис. 9.2. а- схема нелинейной оптической системы с обратной связью; б, в зависимости пропускания системы от интенсивности внутри элемента и на вставках
зависимость интенсивности на выходе от интенсивности на входе для систем S (б) и
N (в) типа.
Правая часть уравнения (9.1) представляет собой прямую с наклоном 1/(I0).
Проанализировать поведение нелинейной системы с обратной связью можно, применяя графический метод. Решением (9.1) будут точки
пересечения нелинейной функции T/(Iin) с прямой. Зададим нелинейную
зависимость T/ от Iin в виде кривой, представленной на рис. 9.2, б. Это
типичная зависимость для нелинейной насыщающейся системы: линейный рост пропускания сменяется его резким увеличением с ростом интенсивности света на входе I0 и затем насыщением при относительно больших значениях I0. При увеличении I0 уменьшается наклон
прямой и пропускание плавно увеличивается до значения, обозначенного цифрой 1 на рис. 9.2, б. Когда I0 достигает значения I0T, проис-
119
ходит резкое увеличение пропускания (скачок из точки 1 в 2) и затем
снова его плавное изменение. При обратном движении резкое уменьшение пропускания (переход из точки 3 в 4) происходит при меньшем значении входной интенсивности света I0.
Итак, в области значений интенсивности света на входе в нелинейную систему
с
положительной
обратной
связью I0<I0<I0
возникает многозначность пропускания (бистабильный режим работы):
пропускание (выходная интенсивность излучения) принимает два устойчивых значения при одном и том же значении I0. Бистабильная система
с таким видом гистерезиса называется системой S-типа. Точное решение
напоминает латинскую букву S (см. вставку на рис. 9.2, б), однако часть
решения в области, обозначенной штриховой линией, неустойчива. Аналогично можно проанализировать работу нелинейной системы с положительной обратной связью N-типа (рис. 9.2, в), у которой нелинейно
растет поглощение при увеличении входной интенсивности света и <0.
Бистабильные системы можно классифицировать по способу
осуществления обратной связи и механизму нелинейного пропускания. В оптическом бистабильном элементе SEED обратная связь
осуществляется за счет приложения электрического поля к квантоворазмерной структуре, причем само поле возникает при прохождении
через структуру светового излучения. Нелинейное пропускание элемента SEED связано с уменьшением экситонного поглощения. При больших
концентрациях экситонов и свободных носителей происходит просветление в области экситонного резонанса. Это связано, во-первых, с тем,
что в присутствии большого числа электронов и дырок кулоновское взаимодействие между электроном и дыркой ослабляется (этот эффект
называется экранированием). Во-вторых, при большой концентрации экситонов они начинают интенсивно взаимодействовать, разрушая друг
друга. Поэтому экситонное поглощение исчезает при концентрации экситонов Nex(πaex)-3aex - боровский радиус экситона.
Рис. 9.3. Спектр поглощения полупроводниковой структуры с квантовыми
ямами при отсутствии возбуждения (1) и при возбуждении экситонов и носителей
заряда большой плотности. hv0 - энергия экситонного перехода.
SEED был разработан в 1986 г. и представляет собой PIN1 фотодиод из GaAlAs р-области и n-области, слаболегированная i-область состо-
120
ит из 100 чередующихся слоев GaAs и GaAlAs толщиной по 95 нм, образуя структуру множественных квантовых ям (MQW - multiple quantum
well). В элементе SEED обратная связь осуществляется за счет приложения электрического поля к квантоворазмерной структуре, причем само
поле возникает при прохождении через структуру светового излучения.
Нелинейное пропускание элемента SEED связано с уменьшением экситонного поглощения вследствие смещения пика экситонного поглощения из-за квантового эффекта Штарка. SEED обладает двумя стабильными состояниями при заданном уровне мощности падающего излучения, включение которых определяется предысторией ранее проводившейся засветки и является оптическим бистабильным устройством. В
симметричном SEED'e (S-SEED рис. 9.4), состоящем из двух PIN фотодиодов, которые включены последовательно в питающую цепь, при
освещении одного из диодов в цепи возникал ток, который вызывал падение напряжения на структуре сверхрешетки и приводил к увеличению
пропускания света через вторую структуру.
Рис. 9.4. Оптический логический элемент S-SEED. PIN - диод со структурой
р-n перехода, в центре которого находиться слаболегированная область.
Таким образом, возникала положительная обратная связь, и совокупность таких элементов могла образовать логические ячейки «или не», «или - и» и т.д. Первый оптический компьютер состоял из 4 каскадов и располагался на оптической плите размером I Х I м. Пространственное распределение излучения на выходе каждого из каскадов компьютера определялось состоянием входящей в его состав жидко- кристаллической маски, управляемой обычным компьютером и распределением света на его входе. Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером через голографическую решетку Даммена. Важным
достоинством первого оптического компьютера явилась возможность
последовательного объединения его отдельных каскадов благодаря искусственному аналогу эффекта внутреннего усиления. Параметры системы были следующие: разрядность - 32 бита (массив 4x8); логика - бинарная; тактовая частота - 1,1 МГц (определялась быстродействием ЖК
маски); число переключений в секунду - 40 Мб/с. Одним из достижений
данного процессора была величина энергии на одно переключение, ко-
121
торое составляла 20 фДж и была на 6 порядков меньше величины энергии переключения в электронных компьютерах того времени.
Второе поколение оптических цифровых компьютеров представлено компьютером DOC-II (digital optical computer), разработанного
в научно-исследовательской фирме США Opticomp Corporation. В DOCII использован принцип векторно-матричного умножения, однако вектор
и матрица являются булевскими логическими.
Рис. 9.5. Оптический компьютер DOC-II.
В данном устройстве входной поток данных образовывался
излучением линейки 64 независимо модулируемых полупроводниковых лазеров. Свет от каждого лазера линейки отображался на одну строчку матричного пространственного модулятора света с размером 64x128 элементов. Отдельный элемент матрицы представлял
собой акусто-оптическую брэгговскую ячейку на основе полупроводника GaP. Свет, выходящий из рядов пространственного модулятора, попадал линейку из 128 лавинных фотодиодов. DOC-II
имел 64x128 = 8192 межсоединений и работал на частоте передачи
данных 100 Мб/с , что соответствует 0.8192x1012 переключений в секунду. Энергия на одно переключение составляет 7.15 фДж (~ 30000
фотонов). Для иллюстрации быстродействия представим, что нужно
найти какое-то слово в тексте. Типичный современный персональный компьютер Duron 1,6/256 MB/WinXPSP1 на поиск слова в документе WinWord состоящем из 953 страниц текста тратит чуть
больше трех секунд (а именно 3,175). В то время, как оптический
компьютер DOC-II просматривает за 1 секунду 80 000 страниц
обычного ASCII-текста.
Принципиальным недостатком макетов первых оптических компьютеров являлась неинтегрируемость их отдельных компонентов. Исходя из этого, основной задачей следующего этапа работ по оптическому компьютеру было создание его интегрального варианта.
В конце 90-х годов прошлого века велись работы по созданию
интегрального модуля оптического компьютера с логической матрично-тензорной основой, названного НРОС (High Performance Optoelectronic Communication). В устройстве планировалось использовать входную матрицу VCSEL лазеров, соединенную планарными
122
волноводами и обычной оптикой с матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов, и выходную систему,
состоящую из матрицы лавинных фотодиодов, совмещенной с матрицей вертикально-излучающих диодов. Опытные образцы показали производительность 4.096 Тб/с, а оценки показывают, что данная
система способна развить скорость 1015 операций в секунду с энергией менее 1 фДж на одно переключение. Однако в связи с мировым
кризисом фотоники и рынка ВОЛС работы были прекращены. В настоящее время фирма Opticomp Corporation разработала новый интегральный оптический элемент, состоящий из матрицы VCSEL лазеров и фото
детекторов, соединенных волноводом и планирует использовать данные
устройства, как для обработки информации, так и для создания сверхбыстрых переключателей в сверхплотных волоконных линиях связи.
Лекция 10
Раздел 10.1. Оптические логические элементы
Для создания цифровой машины принципиально уметь строить
основные логические элементы И, ИЛИ, НЕ. Ниже рассмотрены основные принципы, предлагаемые сегодня для построения таких элементов,
управляемых светом.
Волноводные логические элементы
Волноводный модулятор представляет собой интерференционный
прибор, осуществляющий амплитудную модуляцию входного оптического сигнала, представляющего собой линейно поляризованное световое излучение лазера. Входной волновод модулятора разветвляется на
два параллельных канала, которые затем снова сливаются, образуя выходной волновод. Волновод изготавливается из материала, обладающего
электрооптическим эффектом. Обе ветви волновода симметричны, поэтому входной световой сигнал на разветвлении делится на две равные
по амплитуде волны, которые далее распространяются по параллельным
каналам с относительным сдвигом фаз. Разность фаз этих волн определяется электрическим напряжением, приложенным к управляющим
электродам. Логическая "1" отождествляется со значением напряжения
U0, а двоичный "0"- с нулевым потенциалом. Таким образом, если
напряжение U0 приложено к четному числу управляющих электродов,
то волны, сходящиеся в выходном разветвлении, усиливают друг друга,
образуя выходной оптический сигнал с амплитудой, практически равной
амплитуде входного сигнала, который принимается за единичный сигнал. В противном случае волны практически полностью гасят друг друга, образуя нулевой выходной сигнал.
123
Рис. 10.1. Волноводный модулятор.
Рис.10.2. Условные обозначения волноводных логических устройств.
Оптический транзистор (трансфазор)
Трансфазор представляет собой оптический аналог электронного
транзистора и является оптически бистабильным прибором, способным
переключаться в одно из двух четко различимых состояний за время,
измеряемое пикосекундами. Он может иметь такие же малые размеры,
как и электронный транзистор. Для поддержания бистабильного состояния в трансфазоре требуется мощность порядка 10 мВт и энергия переключения порядка 10 фемто Дж. На основе трансфазора реализуется
124
функционально полная система логических элементов, из которых можно строить любые логические схемы и функциональные узлы вычислительных машин.
Для образования основных логических элементов И, ИЛИ и НЕ в
оптических компьютерах можно использовать бистабильные оптические
устройства. Такое устройство представляет собой резонатор ФабриПеро, заполненный нелинейным веществом (например, антимонид индия - InSb). Показатель преломления данного вещества зависит от интенсивности падающего пучка, поэтому на выходе можно получить два
стабильных состояния, одно из которых условно принимается за "0", а
другое за "1".
Один и тот же трансфазор (оптический транзистор) может служить
как элементом И, так и элементом ИЛИ, в зависимости от подведённых
к нему пучков. Если два падающих пучка подобраны так, что ни один из
них сам по себе не способен переключить трансфазор, а оба вместе обладают достаточной интенсивностью для его переключения, то образуется оптический элемент И. Если же падающие пучки подобраны так,
что любой из них способен переключить трансфазор, образуется оптический элемент ИЛИ. Элемент НЕ можно создать, используя в качестве
выходного сигнала отражённый пучок. Так как он является инверсией
прошедшего пучка, то повышение интенсивности падающего пучка приводит к снижению интенсивности на выходе и наоборот (см. рисунки).
Рис.10.3. Схема логических оптических элементов.
125
Резонатор Фабри-Перо.
В качестве бистабильного оптического элемента применяется резонатор Фабри-Перо, заполненный нелинейной средой, показатель преломления которой n зависит от интенсивности I по закону:
.
Схематически интерферометр Фари-Перо изображён на рисунке:
Рис. 10.4. Схема интерферометра Фари-Перо.
Прозрачность резонатора T зависит от фазового набега между
зеркалами
(10.1)
В резонаторе, заполненном нелинейной средой, полный фазовый
набег зависит от интенсивности:
(10.2)
где - констата,
. Cхема совместного решения уравнений (10.1) и
(10.2) представлена на рисунке (10.5).
126
Рис.10.5. Cхема совместного решения уравнений (10.1) и (10.2)
Пересечение прямой с наклоном
с кривой пропускания резонатора дает положение рабочей точки - результат совместного решения (10.1) и (10.2). Прослеживая за изменением положения рабочей точки при изменении входной мощности Iвх, можно построить зависимость
, приведённую на рисунке (10.6):
Рис.10.6. Зависимость
Среда, заполняющая резонатор, и имеющая кубическую нелинейность, характеризуется двумя важными параметрами: величиной нелинейного коэффициента n2 и временем релаксации нелинейного отклика
Tнл (инерционностью).
На рис.10.7 систематизированы экспериментальные данные по
различным нелинейным материалам:
127
Рис.10.8. Результаты систематизации экспериментальных данных по различным нелинейным материалам (по величине нелинейного коэффициента n2 и временем релаксации нелинейного отклика Tнл (инерционностью)).
Из рисунка видно, что вещества обладающие сильной нелинейностью, имеют достаточно большое время переключения, поэтому выбирают вещества с наиболее оптимальными значениями n2 и Tнл (обведены
кружками).
Лекция 11
Раздел 11.1. Оптические технологии в информатике
Оптику можно определить как науку о распространении света и
его взаимодействии с веществом. Установлено, что свет есть проявление
одного из фундаментальных взаимодействий — электромагнитного взаимодействия и переносится фотонами - частицами с нулевой массой покоя и нулевым электрическим зарядом. В настоящее время к оптическому диапазону относят диапазон длин волн от единиц нанометров до сотен микрометров (см. рис. 11.1).
128
Рис. 11.1 Шкала электромагнитных волн.
Волновая и корпускулярная природа света обуславливает
многочисленные преимущества оптических технологий для задач
передачи, хранения и обработки информации:
1. Частота оптического излучения составляет 1014- 1015 Гц, что
позволяет создать 10 информационных каналов со спектральной шириной 100 ГГц;
2. Передача информации происходит действительно со скоростью
света с = 3·108 м/с;
3. Большое число световых пучков могут свободно проходить по
одной и той же области пространства, пересекаться и не влиять друг на
друга;
4. Использование двумерного (изображения) и трехмерного (голограммы) характера световых полей;
5. Параллельная передача и обработка информации с одновременной работой на различных длинах волн;
6. Когерентная обработка оптической информации с использованием фазовых соотношений;
7. Два состояния поляризации (горизонтальная и вертикальная или
круговая, по левому или правому кругу) увеличивают вдвое объем переносимой информации;
8. Оптическая система ничего не излучает во внешнюю среду,
обеспечивая защиту от перехвата информации и нечувствительна к электромагнитным помехам.
Основные параметры светового когерентного излучения, или
световой волны, посредством которых может кодироваться информация, следующие:
Амплитуда
Фаза
Частота
Поляризация
Разрешаемые элементы в изображении (пиксели).
Используя комбинации этих независимых параметров, возможна передача огромных массивов информации и их обработка со
сверхвысокой скоростью. Возможности оптических технологий уже
129
в настоящее время широко используются в информатике - впечатляющий пример - волоконно-оптические линии связи.
Концептуально, любой компьютер можно представить в виде следующей схемы (рис.11.2), фактически имитирующей работу человеческого мозга.
Рис. 11.2 Концептуальная схема компьютера.
Устройства ввода информации соответствуют органам чувств человека (зрение, обоняние, осязание и т.п.), долговременная (например,
жесткий диск) и кратковременная (кэш в процессоре) запись информации в компьютере соответствует человеческой памяти, процессор соответствует мозгу, обрабатывающему поступающий поток информации. В
современном электронном компьютере можно отметить следующие оптические узлы и элементы: устройства ввода информации - оптический
сканер, оптическая мышь; устройства обмена информацией - инфракрасный порт, оптоволокно; устройства вывода информации - лазерный
принтер, дисплей, голографический (объемный) дисплей; устройства
памяти - долговременная память на перезаписываемых оптических дисках, магнитооптические диски, голографические диски. В октябре 2003
г., фирмой "Lenslet" (Израиль) был представлен первый коммерческий
оптический процессор "Enlight 256", способный производить 8 Тера операций с плавающей запятой в секунду. Основу процессора составляет
блок оптического векторно-матричного умножения, созданный на основе пространственного модулятора света - матрицы, размером 256x256
элементов. Данный процессор уже используется в военных целях, в системах безопасности, для обработки больших потоков видеоинформации. Следует отметить, что данный процессор в большей степени «электронный», так как входные, выходные и управляющие сигналы - электрические.
Можно провести классификацию оптических устройств обработки
информации - оптических процессоров, исходя из степени оптической
интеграции. Первым классом следует наименее «оптический» (1) электронный процессор с оптическими межсоединениями, вторым следует
130
(2) аналоговый оптический процессор, (3) цифровой оптический процессор, (4) полностью оптический процессор. Если первые три класса реально созданы, то четвертый в настоящее время интенсивно исследуется.
В дальнейшем мы подробно рассмотрим аналоговые и цифровые оптические процессоры.
Раздел 11.2.Аналоговые оптические вычисления и процессоры.
Информация, существующая в реальном мире, например звук,
свет, электрическая волна, обычно изменяется непрерывно. Способ
представления числового значения в виде непрерывно изменяющейся
величины называется аналоговым представлением. В отличие от этого
способа, в современных компьютерах информация представляется в виде ограниченного числа цифр, например 1 или 0. Такой способ представления информации называется цифровым.
В том случае, когда речь идет об аналоговых оптических компьютерах, часто термин «аналоговый» употребляется в двух смыслах. Вопервых, он означает непрерывную величину, характеризующую каждую
точку в окружающем пространстве (например, интенсивность света).
Другими словами, какую бы точку в пространстве мы ни взяли, интенсивность света в этой точке изменяется непрерывно.
Во-вторых, термин «аналоговый» означает, что объектом являются
все точки непрерывных координат, а не дискретное (точечное) представление всей информации в окружающем пространстве, как это делается
при обработке изображений в современных компьютерах. Если информация, являющаяся объектом обработки, медленно изменяется в пространстве, то обработку можно осуществлять в дискретных координатах;
однако если взять способ одновременной обработки по всем точкам, не
прибегая к подобной дискретизации, то степень пространственного изменения информации не будет играть роли. Можно сказать, что в этом
смысле свет вполне соответствует термину «аналоговый».
Обсудим основные методы аналоговых вычислений, производимых в аналоговых оптических компьютерах, с использованием основных
законов оптики. Прежде всего, обратимся к рис. 11.3, поясняющему, как
с помощью светового луча можно выполнять хорошо знакомые всем нам
операции сложения и умножения.
На рис. 11.3 а, б показано, как несколько световых лучей собираются в одной точке. В данном случае собираются три луча: А, В и С, и
если измерить интенсивность света в этой точке, то легко догадаться,
что полученное значение представляет собой сумму интенсивностей лучей А, В и С. Если воспользоваться линзой, то можно облегчить фокусировку лучей, т.е. еще более упростить выполнение операции сложения.
131
Рис.11.3. Основные аналоговые оптические операции: а — сложение; б
—сложение с помощью линзы; в — умножение на основе эффекта пропускания света; г — умножение на основе эффекта отражения света.
Следует отметить, что такие простейшие операции сложения возможны лишь при использовании частично-когерентных световых пучков, сложение когерентных происходит с учетом фазовых характеристик
- поскольку складываются не интенсивности, а амплитуды падающих
волн. Однако в этом случае возможно управление результатом сложения
и выполнять вычисления, более сложные и с более высокой точностью.
Теперь рассмотрим операции умножения и деления. Такие операции возможны с использованием оптических элементов с управляемой
прозрачностью Т (отношением интенсивности выходного светового луча
I к интенсивности входного I/), например, с использованием свойств
жидких кристаллов, либо с управляемым коэффициентом отражения R,
на основе свойств полупроводников. И в этом случае, так же как и при
сложении, при использовании когерентного лазерного луча умножаются
амплитуды, а не интенсивности.
Основными операциями аналогового оптического компьютера являются только две операции - сложение и умножение, однако одни лишь
эти операции не позволяют выполнять сложных вычислений. Как уже
упоминалось ранее, отличительным свойством света является способность его равномерного распространения во всех направлениях. Благодаря этой особенности появляется возможность параллельной (одновременной) обработки больших объемов информации, и в этом смысле
применение оптического компьютера имеет большое значение, однако
для этого недостаточно использовать лишь свойство прямолинейного
распространения света. Необходимо воспользоваться другими свойствами света, такими как преломление (рефракция) и дифракция, лежащими
в основе работы линз и дифракционных элементов (решеток, голограмм).
Рассмотрим свойства линз, которые играют центральную роль в
аналоговых оптических компьютерах. Тонкая линза представляет собой
простейший оптический прибор с двумя сферическими поверхностями.
132
Как показано на рис. 11.4, если перед линзой, например с левой стороны
(входная плоскость), поместить некоторый предмет, то с противоположной стороны мы получим перевернутое и уменьшенное изображение того же предмета. Аналоговая операция инвертирования и масштабирования произведена со скоростью света - попробуйте провести такую же
операцию с данным оптическим изображением (имеющем размер 6x12
см, обладающем 60000x120000 элементами разрешения, что соответствует минимально 7,2 Гб используя программу, например, Adobe Photoshop).
Рис.11.4. Операция инвертирования и масштабирования, выполняемая линзой
при построении изображения.
Если входная и выходная плоскости оптической системы совпадают с передней и задней фокальной плоскостями сферической линзы и
на вход такой системы поступает оптический сигнал U1(x1,y1), то на выходе появляется сигнал, связанный с входным сигналом, следующим соотношением:
(11.1)
Таким образом, выходной сигнал рассматриваемой простейшей
оптической системы с точностью до постоянного множителя совпадает с
Фурье-образом входного сигнала. Следует отметить, что Фурье-образ
входного оптического сигнала существует в виде физически реального
пространственного распределения комплексных амплитуд света. Благодаря этому когерентные оптические системы могут быть эффективно
использованы для решения широкого круга задач, связанных с получением, преобразованием и обработкой Фурье-спектров, корреляционных функций и сверток. Рассмотрим простейшую оптическую систему,
осуществляющую двумерное Фурье-преобразование транспаранта, содержащего изображения полос А В С D с различным периодом (пространственной частотой) и ориентацией (рис.11.5).
133
Рис. 11.5. Оптическая система, осуществляющая двумерное Фурье-преобразование.
Отметим следующие свойства устройства:
каждой пространственной частоте изображений в Фурьеплоскости (частотной плоскости) соответствует две точки (действительная и мнимая), например для А это точки а и а/ (вертикальные полосы –
точки по горизонтали) или для В это точки b и b' (полосы под углом 45°
- точки по диагонали, перпендикулярной направлению полос);
чем выше пространственная частота (меньше расстояние между
полосами), тем на большем расстоянии от центра располагаются точки
(сравни А и С);
расположение полос в частотной области отражает ориентацию
полос, но не место этих полос в плоскости изображения.
Поскольку Фурье-образы двухмерных оптических сигналов реализуются в виде реальных физических сигналов с помощью простейшей
оптической системы, над ними можно производить различные математические операции методами пространственной фильтрации. Оптическая система обработки информации методами пространственной фильтрации (рис. 11.6) состоит из следующих компонентов: источника света
S, двух последовательно расположенных простейших систем преобразования Фурье, устройства ввода информации, пространственного операционного фильтра и детектора выходных сигналов. Устройство ввода
информации, операционный фильтр и детектор выходных сигналов располагаются соответственно во входной (x1,y1), спектральной (хн,ун) и
выходной (х0 ,у0) плоскостях системы. Плоскости имеют одинаковые
масштабы.
134
Рис.11.6. Схема когерентной оптической системы пространственной фокусировки: (x1 ,y1) –транспорант, формирующий изображение; (x2 ,y2) - фильтр; (x3 ,y3) –
выходная плоскость.
Линза Л2 осуществляет преобразование Фурье сигнала U1(x1 ,y1),
созданного транспарантом, поэтому в спектральной плоскости системы
непосредственно перед операционным фильтром распределение комплексных амплитуд света пропорционально Фурье-образу входного сигнала, т.е.
(11.2)
Амплитудный коэффициент пропускания операционного фильтра
(11.3)
Функция Н соответствует математической операции, которую
необходимо выполнить над входным сигналом, ее называют передаточной функцией фильтра. В результате пространственной фильтрации получается сигнал, описываемый распределением комплексных амплитуд:
(11.4)
Отфильтрованный сигнал подвергается повторному преобразованию Фурье с помощью линзы Лз. В результате в выходной плоскости
системы свет будет иметь распределение:
(11.5)
Направления координатных осей в выходной плоскости системы
выбраны противоположно направлениям осей координат во входной
135
плоскости для того, чтобы учесть инверсию, которая получается в
результате двух последовательных преобразований Фурье и выражается соотношением
. Соотношение (11.5) можно записать в виде
свертки:
(11.6)
где
) - обратное преобразование Фурье передаточной функции
фильтра.
Таким образом, оптическая система, представленная на рис. 11.6,
способна выполнять линейные интегральные преобразования типа
свертки, описываемые уравнением (11.6). В частном случае, когда Н = 1,
искомая система превращается в систему, создающую изображение
входного сигнала. Так как входной сигнал оптической системы является
финитным, ее Фурье-образ имеет неограниченную протяженность. Поэтому ошибка в выходном сигнале оптической системы, обусловленная
потерей части Фурье-образа, соответствующей высоким пространственным частотам, неизбежна. Сейчас была рассмотрена оптическая система
аналогового процессора, предназначенного для параллельной обработки
двумерных сигналов. На практике часто приходится иметь дело с одномерными сигналами. Оптическая система когерентного аналогового
процессора, способного параллельно обрабатывать множество одномерных сигналов, представлена на рис. 11.7. Такой процессор называют
астигматическим.
Рис. 11.7. Когерентный аналоговый астигматический процессор, реализующий произвольное матричное преобразование входного вектора-строки в выходной
вектор-столбец.
Здесь LED- линейка светоизлучающих диодов. Они расположены
на фокальной линии цилиндрической линзы L1. T- оптический транспарант с записанной на нем матрицей пропускания T(i,j). Строки
136
матрицы параллельны образующей первой линзы. L2 - цилиндрическая
линза, образующая которой параллельна столбцам матрицы
транспаранта. Она собирает лучи, прошедшие через элементы одной
строки, на одном пикселе многоэлементного линейного фотоприемника
D. Нетрудно видеть, что входной X и выходной Y вектора связаны
линейным преобразованием
В качестве другого примера практического использования аналоговых оптических компьютеров рассмотрим операционные устройства, выполняющие операции с множеством числовых данных.
Объектом операций, или данными, будем считать вектор, состоящий из n чисел, и двумерную матрицу размерностью n х n. На рис. 11.8
показан пример структуры базового оптического арифметического
устройства, выполняющего умножение вектора и матрицы при n = 3.
Рис. 11.8. Принцип действия оптического операционного устройства, выполняющего умножение вектора на матрицу.
Слева показаны три источника света, расположенные горизонтально. В центре расположена маска, имеющая форму решетки размером
3x3, а справа — вертикально три оптических датчика. Кроме того, создадим оптическую систему таким образом, чтобы свет, излучаемый одним из источников, например X1 распространялся веерообразно по вертикали, как показано на рисунке, и падал только на часть маски a11, a12 ,
a13 (в данной схеме оптическая система не показана). Свет от соседнего
с X1 источника Х2 распространяется также вертикально веерообразно и
падает на соседние участки маски a21 , a22 , a23 и до других участков не
доходит. Интенсивность света, прошедшего через маску, определяется
произведением интенсивности входного луча на коэффициент пропускания аи данной маски.
Далее, свет, прошедший через маску, фокусируется с помощью
другой оптической системы (также не показанной на рисунке), но только
по горизонтали. Световые лучи, прошедшие через элементыa11 , a21 , a31 в
137
верхней части маски, достигают только самого верхнего оптического
датчика у\. Аналогично световые лучи, прошедшие через второй ряд
ячеек маски a12 , a22 , a32 достигают только датчика у2. В конечном итоге
интенсивность света в i-ш оптическом датчике будет определяться суммой трех произведений Gjf, и Xj (см. формулу, приведенную на рис.
11.8), которая по определению представляет собой произведение вектора
х на матрицу а.
Разумеется, число элементов п вектора и матрицы не обязательно
может равняться трем, оно может быть любым. Возможность параллельной (одновременной) обработки множества данных можно назвать
классической отличительной чертой аналогового оптического компьютера. Этот принцип впервые был предложен в 1975 г. в Станфордском
университете (США) и лег в основу многих оптических информационных устройств, разработанных впоследствии, в частности в основу первого коммерческого цифрового оптического компьютера Enlight256,
представленного компанией "Lenslet" в октябре 2003 г.
Контрольные вопросы по теме:
1. История возникновения цифровых оптических процессоров.
2. Основные элементы цифровых оптические процессоров.
3. Что такое бистабильные оптические системы?
4. Особенности второго поколения оптических цифровых компьютеров.
5. В чем состоит идея интегрального модуля оптического компьютера с логической матрично-тензорной основой.
6. Основные принципы волноводных логических элементов.
7. Основные принципы аналоговых оптических вычислений и
процессоров.
138
Глоссарий фотоника
Английский
термин
Русский термин
Описание
CCD (chargecoupled
device) sensor
ФПЗС
(Фоточувствительный
прибор с зарядовой
связью),
ПЗСматрица
Прибор с переносом заряда, предназначенный для преобразования энергии
оптического излучения в электрический сигнал, в котором зарядовые пакеты перемещаются
к
выходному
устройству вследствие направленного
перемещения потенциальных ям, и
фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам
CMOS sensor
КМОП-матрица
(Комплементарная
логика
на транзисторах металлоксидполупроводник)
Прибор, предназначенный для преобразования энергии оптического излучения
в электрический сигнал, выполненный на
основе КМОП-технологии.
Элементарная
светочувствительная
ячейка ФПЗС или КМОП-матрицы, в которой происходит накопление заряда
Часть общего заряда, которая переносится из одной потенциальной ямы в следующую
Минимум потенциальной энергии, который образуется в полупроводниковом
материале ФПЗС под воздействием
напряжения, приложенного к затвору переноса, и который собирает любые существующие подвижные заряды
Максимальное количество заряда, которое может быть накоплено в потенциальной яме и перенесено без превышения
емкости в соседние ямы
ФПЗС, в котором накопленный заряд
каждого фоточувствительного элемента
последовательно переносится к выходному устройству после окончания экспонирования.
ФПЗС, содержащий конгруэнтные секцию накопления и защищенную от света секцию хранения.
Pixel
Пиксель
Charge
packet
Зарядовый пакет
Poten
al well
Потенциальная яма
Poten
al
well
capacity
Емкость
альной
ямы
Full-frame
CCD
Полнокадровый
ФПЗС
Frame
transfer CCD
ФПЗС с кадровым
переносом
Interline
CCD
ФПЗС со строчнокадровым переносом
ФПЗС, секция накопления которого разделена вертикальными сдвиговыми регистрами, защищенными от света.
Linear CCD
Линейный ФПЗС
ФПЗС, в котором фоточувствительные элементы расположены в один ряд.
потенци-
139
Английский
термин
Русский термин
Satura
on
Насыщение
TDI
(Time
Delay
Integra
on)
ВЗН - Временная задержка
накопления)
Front-side
illuminated
CCD
Back-side
illuminated
CCD
ФПЗС с передней
засветкой
ФПЗС с обратной
засветкой
Etaloning
Эффект интерференции падающей и отраженной
волн
Epitaxial
silicon
Эпитаксиальный
кремний
AR-coa ng
Просветляющее покрытие
Deep
on
Глубокое обеднение
deple
“Bulk”
silicon
«Толстый» кремний
Hi-Rho CCD
ФПЗС с защитным
диодом
Open
electrode
Открытый электрод
IMO – inverted mode
opera
on
(MPP)
AIMO – advanced
Инвертированный
режим
Усовершенствованный
Описание
Состояние максимального заполнения
потенциальных ям ФПЗС носителями
заряда без их растекания
Режим работы ФПЗС, при котором скорость построчного перемещения заряда
синхронизируется со скоростью движущегося объекта. Заряд всех столбцов
суммируется.
ФПЗС, с фоточувствительной областью,
расположенной со стороны управляющих электродов.
ФПЗС, с фоточувствительной областью,
расположенной со стороны подложки.
Эффект периодической зависимости заряда, накопленного в пикселе, от длины
волны в ближнем инфракрасном диапазоне, вызванной интерференцией падающих и отраженных волн внутри полупроводника.
Разновидность высокоомного кремния,
полученного эпитаксиальным способом.
Покрытие, наносимое на поверхность
оптических приборов для уменьшения
коэффициента отражения.
Технология уменьшения количества
носителей заряда в относительно большой области полупроводника
посредством легирования и прикладывания напряжения с целью увеличения
глубины потенциальной ямы.
Разновидность сверхчистого высокоомного кремния
Разновидность ФПЗС с глубоким обеднением, в которых для подавления тока
между передней и задней поверхностями
дополнительно вводится защитный диод.
Особый тип электрода в ФПЗС, имеющий предельно малую площадь поверхности для уменьшения поглощения
ультрафиолетового излучения.
Режим работы ФПЗС, в котором значение напряжения на затворе накопления
изменено на обратное, что уменьшает
темновой ток.
Инвертированный
режим
работы
ФПЗС, полупроводник электродов кото-
140
Английский
термин
inverted
mode
opera on
Русский термин
Описание
инвертированный
режим
рой дополнительно легируется.
Clock voltage
Напряжение на затворе
переноса
Clock
dithering
Зарядовое колебание
Dynamic
range
Динамический
пазон
Signal charge
Заряд сигнала
QE (Quantum
e ciency)
КЭ (Квантовая
эффективность)
Readout
Считывание
Binning
Биннинг
Напряжение, прикладываемое к затвору
переноса ФПЗС для перемещения зарядового пакета к выходному устройству.
Метод уменьшения темнового тока
ФПЗС
путем периодической смены
напряжений на затворах переноса.
Отношение напряжения или тока насыщения к среднему квадратичному
напряжению или току темнового шума. Измеряется в дБ.
Количество электрического заряда, представляющее сигнал.
Физическая величина, равная отношению числа фотонов, поглощение которых вызвало образование квазичастиц, к
общему числу поглощенных фотонов.
Измеряется в %.
Преобразование зарядовых пакетов в
электрические импульсы выходного сигнала
Процесс суммирования зарядов смежных
ячеек в одинсуперпиксель в процессе
считывания информации из ФПЗС.
Blooming
Pixel rate
Frame rate
Блюминг
ние
заряда)
Скорость
ния
пикселей
Скорость
ния
кадра
диа-
(Растека-
считыва-
считыва-
Photometric
sensi vity
Фотометрическая
чувствительность
Output
sensivity
Выходная
чувствительность
Integral
sensi5vity
Интегральная
чувствительность
Spectral sensi
Спектральная
Явление неуправляемого перетекания
или переноса заряда в соседние пиксели
Количество пикселей, считываемых за
секунду
Количество кадров, считываемых за секунду
Амплитуда сигнала, вызываемого световым потоком в 1люкс за секунду. Измеряется в В/(люкс*сек)
Отношение амплитуды выходного сигнала к образовавшемуся заряду. Измеряется
в В/еОтношение
изменения
выходного
сигнала ФПЗС к вызвавшему его изменению освещенности, энергетической
освещенности, световой экспозиции
или энергетической экспозиции в заданном спектральном диапазоне.
Зависимость чувствительности от длины
141
Английский
термин
vity
Русский термин
чувствительность
Описание
волны излучения.
Величина обратная величине минимального потока излучения, который
вызывает на выходе сигнал, равный собственному шуму. Она обратно пропорциональна квадратному корню из площади приёмника излучения. Измеряется
в 1/Вт.
Пороговая чувствительность, умноженная на корень квадратный из произведения полосы частот в 1 Гц и площадь в 1 см2. Измеряется в см*Гц1/2/Вт.
Detec*vity
Пороговая
чувствительность
Specific
Detec%vity
Удельная
обнаружительная
способность
Noiseequivalent
power
(NEP)
Эквивалентная
мовая
мощность
Ac ve pixel
Активный пиксель
Passive pixel
Пассивный пиксель
Rolling shu
er
Строковый затвор
Global shu
er
Кадровый затвор
Half-Global
Shu-er
Полукадровый
твор
шу-
за-
Это оптическая мощность, приложенная к входу фоточувствительного
устройства, создающая на выходе электрическую мощность равную шумовой.
Пиксель КМОП-матрицы со встроенным
внутрь активным усилителем.
Пиксель КМОП-матрицы без усилителя.
Затвор по очереди обрабатывает одну
строку кадра задругой, тем самым
накопление происходит в разные промежутки времени. Весь процесс начинается с того, что накопление заряда от падающего света начинается только водной
строке в нижней части фоточувствительной области. После завершения процесса накопления происходит считывание
данной строки, в то время как строка,
находящаяся выше, только начинает
накапливать заряд.
Затвор одновременно работает со всеми пикселями матрицы, открывая или
перекрывая световой поток. При этом
накопление происходит сразу во всех
пикселях фоточувствительной области.
Как только этап накопления заканчивается, весь кадр отправляется на дальнейшую обработку.
Затвор напоминает отчасти кадровый,
так как одновременно процесс экспозиции начинается во всех пикселях матрицы. В дальнейшем происходит этап считывания нижних строк, в то время как
верхние строки продолжают накапливать
свет. В итоге строки, считанные последними, будут иметь наибольшее время
142
Английский
термин
Русский термин
Описание
накопления.
Dark
noise
(Dark
current)
Темновой
(Темновой
ток)
шум
Signal-toNoise ra o
(SNR)
Отношение
нал/Шум
Сиг-
Bit depth
Разрядность
Leakage
current
Ток утечки
Progressive
scan
Прогрессивная
развертка
Smear
Смазывание
IR (infrared )
range
Инфракрасный (ИК)
диапазон
Безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к
мощности шума.
Число, определяющее глубину цвета
пикселя. Чем больше это число, тем
большее количество оттенков может
иметь пиксель. Количество оттенков
равно возведенной в степень разрядности
двойке.
Ток между одиночными электродами,
одиночным электродом и группой электродов или группами электродов, измеренный в статическом режиме работы
ФПЗС при заданной разности потенциалов между ними
Метод последовательного считывания
строк
Смазывание в изображении, вызванное
попаданиемфотонов на пиксели в момент
переноса зарядового пакета.
Диапазон инфракрасного излучения с
длиной волны от 740нм до 1000 мкм.
NIR
range
(near IR)
SWIR range
(shortwavelength
IR)
MIR or IIR
range
(middle
or
intermediate
IR)
LWIR range
(longwavelength
IR)
FIR
range
(Far IR)
Ближний ИК
диапазон
Длины волн от 740 нм до 1400 нм
(В астрономии от 0.7 мкм до 5 мкм)
Коротковолновый
ИК
диапазон
Длины волн от 1.4 мкм до 3 мкм
Средневолновый ИК
диапазон
Длины волн от 3 мкм до 8 мкм
(В астрономии от 5 мкм до 40 мкм)
Длинноволновый ИК
диапазон
Длины волн от 8 мкм до 15 мкм
UV range
Дальний ИК
диапазон
Ультрафиолетовый
(УФ)
диапазон
Электрический ток, который протекает
по фоточувствительному элементу, в отсутствие падающих фотонов.
Длины волн от 15 мкм до 1000 мкм
(В астрономии от 40 мкм до 350 мкм)
Длины волн от 10 нм до 40 нм
143
Английский
термин
UVA range
or black light
Near
UV
range (NUV)
UVB range
or
medium
wave
Middle UV
(MUV)
Ultraviolet C,
short wave,
or
germicidal(UVC)
Far (FUV)
Vacuum
(VUV)
Low (LUV)
Super (SUV)
Русский термин
УФ-А диапазон или
черный свет
Ближний УФ
диапазон
Описание
Длины волн от 400 нм до 315 нм
Длины волн от 400 нм до 300 нм
УФ-А диапазон
Длины волн от 315 нм до 280 нм
Средний УФ
диапазон
Длины волн от 300 нм до 200 нм
УФ-С или
коротковолновый
диапазон
Длины волн от 280 нм до 100 нм
Дальний УФ
диапазон
Вакуумный УФ диапазон
Низкий УФ диапазон
Супер УФ диапазон
Длины волн от 200 нм до 122 нм
Длины волн от 200 нм до 100 нм
Длины волн от 100 нм до 88 нм
Длины волн от 150 нм до 10 нм
Extreme
(EUV)
Beyond UV
range or Xrays
ROI – region
of interest
Экстремальный УФ
диапазон
Диапазон
рентгеновского
излучения
Область интереса
Выделенная область изображения
MROI – mulple region
of interest
Система с поддержкой нескольких
Областей интереса
Данная система позволяет выделять более одной области интереса в изображении, получаемого с сенсора.
Высокое разрешение
Изображение с разрешением 1920×1080
Контрастность
изображения
Отношение яркостей самой светлой и
самой тёмной частей изображения.
Разрешающая особность или разрешение (для ПЗС- и
КМОП-матриц)
Количество пикселей по ширине на количество пикселей по длине сенсора
HD
(High
definion)
ImageСontras
t
Resolu on
(for CCD and
CMOS)
Temperature
of
opera on
Phase-locked
loop system
Рабочая температура
Система фазовой автоподстройки частоты
Длины волн от 121 нм до 10 нм
Длины волн менее 10 нм
Максимальная температура сенсора и
окружающей среды, при которой сенсор имеет возможность правильно
выполнять свои функции. Измеряется в
°C.
Система автоматического регулирования, подстраивающая частоту управляемого генератора так, чтобы она была
144
Английский
термин
Русский термин
Response me
Время отклика
Mechanical
shu er
Механический
затвор
Electronic
Shu er
Электронный затвор
Rotary
shu er
Дисковый секторный
затвор
disc
Diaphragmshuer
Диафрагменный
затвор
Central shu er
Центральный затвор
Описание
равна частоте опорного сигнала. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи. Выходной сигнал управляемого генератора
сравнивается на фазовом детекторе с
опорным сигналом, результат сравнения
используется для подстройки управляемого генератора
Время, необходимое для установления
сигнала на выходе, соответствующего
входному воздействию. Измеряется в
миллисекундах.
Механическое устройство, используемое
для перекрытия светового потока, проецируемого объективом на фотоматериал
Электронные затворы применяются в современной цифровой фототехнике, и
представляют собой не отдельное
устройство, а принцип дозирования экспозиции цифровой матрицей. Выдержка
определяется временем между обнулением матрицы и моментом считывания информации с неё. Применение электронного затвора позволяет достичь более
коротких выдержек (в том числе и выдержки синхронизации со вспышкой) без
использования более дорогостоящих высокоскоростных механических затворов.
Кроме того, выпускаются матрицы, имеющие индивидуальный электронный затвор в каждом пикселе. В этом варианте
осуществляется настройка оптимального
времени экспозиции для каждого пикселя в зависимости от уровня освещённости в данном участке кадра.
Дисковый секторный затвор состоит из
вращающегося на оси металлического
сектора с отверстием, который приводится в действие пружиной, связанной со
спусковым рычагом.
Центральный затвор, максимальная степень раскрытия лепестков которого регулируется, за счёт чего затвор одновременно играет роль диафрагмы.
Центральный затвор, как правило, устанавливается между линзами объектива
или непосредственно за задней линзой.
Он представляет собой ряд тонких сегментов, приводимых в действие систе-
145
Английский
термин
Русский термин
Focal-plane
shu4er
Фокальный затвор
Diaphragm
Диафрагма
Depth of field
(DOF)
Глубина резко
изображаемого
пространства (ГРИП)
Описание
мой пружин и рычагов. При экспонировании сегменты открывают действующее
отверстие объектива симметрично относительно его центра и, следовательно,
сразу освещают поверхность светочувствительного элемента.
Фокальный затвор располагается вблизи
фокальной плоскости, непосредственно
перед светочувствительным материалом.
По принципу действия фокальные затворы обычно относятся к шторным (шторно-щелевым). Представляет собой пару
шторок (из прорезиненной ткани или
тонких металлических ламелей). Затвор
приводится в действие системой пружин
или электродвигателем. Во взведенном
состоянии фотоматериал перекрыт первой шторкой. При спуске затвора она
сдвигается под воздействием пружины,
открывая путь световому потоку. По
окончании заданного времени экспозиции световой поток перекрывается второй шторкой. На коротких выдержках
вторая шторка начинает движение еще
до того, как первая полностью откроет
кадровое окно. Щель, образующаяся
между шторками, пробегает вдоль кадрового окна, последовательно освещая
его. Длительность выдержки определяется шириной щели. Перед началом съемки
следующего кадра затвор взводится заново, при этом шторки возвращаются в
исходное положение таким образом, что
щель между ними не образуется. Затвор
может быть с вертикальным или горизонтальным ходом штор.
Устройство объектива фотокамеры, позволяющее регулировать относительное
отверстие, то есть изменять количество
проходящего через объектив света,
что определяет соотношение яркости
оптического изображения фотографируемого объекта к яркости самого объекта,
а также устанавливать необходимую
глубину резкости.
Глубина резко изображаемого пространства на фотографическом изображении
— это расстояние между передней и
задней границами резко изображённо-
146
Английский
термин
Русский термин
Shu-er
E ciency
Эффективность
затвора
Camera lens,
photographic
lens or
photographic
objec%ve
Объектив
Op.cal aberra
on
Абберация
Homocentrici
ty
Гомоцентричность
Ideal op
cal system
Абсолютная оптическая система
Описание
го пространства, измеренное вдоль оптической оси, в пределах которого
объекты съёмки на снимке отображаются безусловно, резко.
Соотношение, определяющее количество света, попадающего нафоточувствительный элемент за время экспозиции
при и наличии затвора, количеству света без
затвора
Оптическое устройство, предназначенное для создания действительного оптического изображения. Обычно объектив состоит из набора линз (в некоторых объективах из зеркал), рассчитанных для взаимной компенсации аберраций и собранных в единую систему
внутри оправы.
Ошибка или погрешность изображений в
оптической системе, вызываемая отклонением луча от того направления, по
которому он должен был бы идти в идеальной оптической системе. Аберрацию
характеризуют различного вида нарушения гомоцентричности в структуре пучков лучей, выходящих из оптической
системы.
Световой пучок, имеющий точечную
вершину, все составляющие лучи (или
их продолжения) которого проходят через одну точку. Для нахождения вершины гомоцентрического пучка достаточно
знать траектории лишь двух его лучей.
Эта особенность широко используется
при построении изображений в абсолютных оптических системах. Понятие
гомоцентрического пучка является идеализацией.
Оптическая система, формирующая
стигматическое изображение трехмерной области. Для формирования стигматического изображения необходимо,
чтобы испущенные каждой точкой оптического объекта лучи после прохождения через оптическую систему пересекались в одной точке. Следовательно,
абсолютная
оптическая система не
нарушает гомоцентричности проходящих через неё световых пучков. Самим
названием подчеркивается, что абсо-
147
Английский
термин
Русский термин
Описание
лютные оптические системы нельзя
реализовать практически, хотя бы вследствие явления дифракции.
S gma
c image
Оптическое изображение, каждая точка
которого соответствует одной точке
изображаемого оптической системой.
Стигматическое
изображение
DIL (DIP) Dual In-line
Package
PGA - Pin
Grid Array
LCC
(Leadless
Chip
Carrier)
PLCC (Plas c
Leaded
Chip Carrier)
иСLCC
(Ceramic
Leaded Chip
Carrier)
Корпус DIP
Корпус PGA
Корпус LCC
Корпуса
CLCC
PLCC
QFP (Quad
Flat Package)
Корпус QFP
BGA
Корпус BGA
(Ball
и
Корпус с двумя рядами контактов.
Представляет собой прямоугольный
корпус с расположенными на длинных
сторонах контактами. В зависимости от
материала корпуса выделяют два варианта исполнения:PDIP (Plas cDIP), CDIP
(Ceramic DIP).
Корпус с матрицей выводов. Представляет собой квадратный или прямоугольный корпус с расположенными в нижней
части штырьковыми контактами. В современных процессорах контакты расположены в шахматном порядке. В зависимости от материала корпуса выделяют
три варианта исполнения: PPGA (Plas c
PGA) имеет пластиковый корпус; CPGA
(Ceramic PGA) — имеет керамический
корпус; OPGA (Organic PGA) — имеет
корпус из органического материала;
Представляет собой низкопрофильный
квадратный керамический корпус с расположенными на его нижней части контактами, предназначенный для поверхностного монтажа.
Представляют собой квадратный корпус
с расположенными по краям контактами,
предназначенный для установки в специальную панель (часто называемую
«кроваткой»). Внастоящее время широкое распространение получили микросхемы флэш-памяти в корпусе PLCC,
используемые в качестве микросхемы
BIOS на системных платах.
Плоский корпус с четырьмя рядами контактов. Представляет собой прямоугольный корпус с расположенными по краям
контактами. В зависимости от материала
корпуса выделяют два варианта исполнения: PQFP (Plas c QFP) — имеет пластиковый корпус; CQFP (Ceramic QFP)
— имеет керамический корпус;
Представляет собой корпус PGA, в ко-
148
Английский
термин
Grid Array)
LGA (Land
Grid Array)
SECC (Single
Edge
Contact Cartridge)
SECC2
MMC Mobile
Module
Connector)
Русский термин
Корпус LGA
Картридж SECC
Картридж SECC2
Картридж MMC
Focal length
Фокусное
расстояние
Bayonet
Байонет
Ji er
Фазовое
фронта
сигнала.
дрожание
цифрового
Описание
тором штырьковые контакты заменены
на шарики припоя. Предназначен для
поверхностного монтажа. Чаще всего
используется в мобильных процессорах,
чипсетах и современных графических
процессорах.
Представляет собой корпус PGA, в котором штырьковые контакты заменены
на контактные площадки. Может устанавливаться в специальное гнездо, имеющее пружинные контакты, либо устанавливаться на печатную плату. В зависимости от материала корпуса выделяют
три варианта исполнения: CLGA
(Ceramic LGA) — имеет керамический
корпус; PLGA (Plas c LGA) — имеет
пластиковый корпус; OLGA (Organic
LGA) — имеет корпус из органического
материала;
Полностью закрытый картридж с теплоотводной пластиной, обеспечивающей
тепловой контакт между корпусом
картриджа и процессором.
Картридж без теплоотводной пластины.
Картридж с открытым кристаллом процессора, предназначенный для мобильных компьютеров.
Физическая характеристика оптической
системы. Для центрированной оптической системы, состоящей из сферических поверхностей, описывает способность собирать лучи в одну точку при
условии, что эти лучи идут из бесконечности параллельным пучком параллельно оптической оси.
Предназначен для очень быстрой смены
объективов (достаточно поворота на небольшой угол, а не несколько оборотов,
как у резьбового крепления). Более долговечны, чем резьбовые и не засоряют
фотокамеру стружками, но требуют аккуратного обращения.
Нежелательные фазовые и/или частотные случайные отклонения передаваемого сигнала. Возникают вследствие нестабильности задающего генератора,
изменений параметров линии передачи
во времени и различной скорости рас-
149
Английский
термин
Русский термин
Noise
(general)
Шум (общее понятие)
Noise Power
Density
Плотность мощности
Шума
Описание
пространения частотных составляющих
одного и того же сигнала.
Электрический ток, появляющийся за
счет флуктуаций в устройстве. Обычно
измеряется в В., однако, в ряде случаев
его измеряют в единицах величин, характеризующих данное устройство. К
примеру, для электронных весов шум
будет измеряться в мг. (подразумевается
ошибка в определении веса вызванная
непосредственно шумом)
Интегральная характеристика, определяющая мощность шумового сигнала в
заданной полосе частот. Измеряется в
В2/Гц.
Плотность шума
Интегральная
характеристика,
формально равняющаяся корню из плотности мощности шумового сигнала в заданной полосе частот. Обычно измеряется в В/Гц1/2.Однако в ряде случаев его
измеряют в единицах величин, характеризующих данное устройство. К примеру,
для акселерометров плотность
шума будет измеряться вмg/Гц1/2.
Spectral
Response
Спектральный
отклик
Энергетическая спектральная характеристика фоточувствительных устройств.
Определяет удельную энергию, выделяющуюся от падающего фотона с заданной длиной волны на квадратном
сантиметре поверхности светочувствительного
прибора.
Измеряется
в
2
Дж/см . Формально равна квантовой эффективности умноженной на энергию
фотона с заданной длиной волны.
Time
of
Flight (ToF)
Времяпролетная
технология (ВП)
Технология получения трехмерного
изображения, с помощью измерения
времени пролета лазерного импульса до
объекта и обратно.
Back
Thinning
Утоньшение
ложки
FT
CCD
storage sec
on
Секция хранения (в
ФПЗС с
кадровым
переносом)
Noise
Density
под-
Уменьшение толщины подложки ФПЗС
с целью увеличения квантовой эффективности.
Часть ФПЗС с кадровым переносом закрытая от падающего светового потока,
предназначенная для переноса в нее
накопленного светочувствительной областью заряда с целью последующего
считывания.
150
Английский
термин
Русский термин
CID (Charge
Injec on
Device) sensor
ФПЗИ
(Фоточувствительный
прибор с зарядовой
инжекцией)
Threshold
exposure
Пороговая
ция
Fixed-Pa ern
Noise
Структурный шум
Fill-Factor
Фил-фактор
Homojunc%o
n
Гомопереход
Heterojuncon
Гетеропереход
Floa
ng
di usion
region
Absorptance
BLIP
temperature
экспози-
Область плавающей
диффузии
Коэффициент
поглощения
Минимальная
температура работы
ИКдетектора
Flip-chip
bonding
Монтаж кристаллов
на
подложке лицевой
поверхности
Grating
Решетка
Описание
Прибор с зарядовой инжекцией, предназначенный для преобразования энергии
оптического излучения электрический
сигнал, в котором зарядовые пакеты
считываются посредством регистрации
изменения напряжения при их переходе
между двумя секциями – секцией
накопления и секции считывания, и фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам.
Минимальная экспозиция, при которой
можно зафиксировать нужный эффект с
требуемой точностью.
Шум, обусловленный неодинаковостью
пикселей или токоведущих элементов
матрицы.
Отношение площадей светочувствительной и не светочувствительной поверхностей пикселя.
Приграничная область между двумя
одинаковыми веществами, с разным типом проводимости. (пример:Si(n)–Si(P)
(кремний n-типа – кремний p-типа))
Приграничная область между двумя
различными веществами, с разным типом проводимости. (GaAS-AlGaAs)
Область активного пикселя, в которую
перекачивается заряд, накопленный в
фотодиоде, для последующего преобразования в аналоговый сигнал.
Отношение поглощенной мощности к
полной мощности падающего света
Максимальная температура объекта
съемки
(без охлаждения детектора),
при которой темновой шум ниже уровня
фотосигнала.
Метод гибридизации двух чипов вместе
«лицом к лицу» для уменьшения размеров результирующего чипа и достижения низких емкостей и индуктивностей
контактов, что очень важно для быстрой
работы сенсора.
Оптическое устройство, состоящее из
периодических канавок, каналов или полостей, специально созданных на подложке. Дифракционная решетка используется для наблюдения эффекта
дифракции электромагнитных волн.
151
Английский
термин
Longitudinal
optical
(LO) phonons
Русский термин
Продольные фононы
Metal organic
vapour phase
epitaxy
(MOVPE)
Металлоорганическая газофазная эпитаксия
Optical
coupler
Readout
integrated
circuit
(ROIC)
Оптический светоделитель
Встроенная
чтения
цепь
Описание
Квазичастицы, характеризующие продольные колебания кристаллической
решетки (колебания вдоль направления
волны, проходящей сквозь вещество).
Разновидность газофазной эпитаксии, в
которой металлоорганические прекурсоры используются в качестве осаждаемых
веществ.
Структура, используемая для увеличения коэффициента поглощения.
Электронная цепь, служащая для считывания сигналов с детектора, встроенная
непосредственно в матрицу. Также она
иногда называется мультиплексором.
Список основной литературы:
1. Сидоров А.И. Основы фотоники: физические принципы и методы преобразования оптических сигналов в устройствах фотоники. Учебное пособие.
СПб.: ФГБОУ ВПО «СПб НИУ ИТМО», 2014 г. – 148 с.
2. Никоноров, Н.В. Нанофотоника и наноплазмоника: уч.пособие / Н.В. Никоноров, А.И. Сидоров; М-во образования и науки РФ, Университет ИТМО,
[Каф. ОТиМ]. – СПб.: Университет ИТМО, 2015. – 108 с.
Список дополнительной литературы
3. Фриман, Р. Волоконно-оптические системы связи / Р. Фриман. – М.: Техносфера, 2004. –350 с.
4. Панов, М.Ф. Физические основы интегральной оптики / М.Ф. Панов,
А.В. Соломонов, Ю.В. Филатов – М.: Академия, 2010. – 432 с.
5. Никоноров Н.В., Шандаров С.М. Волноводная фотоника. Учебное пособие, курс лекций. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008 г. - 143 с.
6. Ларкин А. И. Когерентная фотоника/ А. И. Ларкин, Ф. Т. С. Юу — М.:
БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. — 317 с.
7. Цаплин А.И. Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность:
учеб.пособие / А.И. Цаплин. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. унта, 2012. – 399 с.
Электронные издания:
1. Игнатов, А.Н. Оптоэлектроника и нанофотоника. [Электронный ресурс] /
СПб.: Лань, 2011. – 528 с. – Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/690 .
2. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. – Лань, 2010. – 704 с. Режим электронного доступа http://e.lanbook.com/
books/element.php? pl1_cid =25&pl1_id=597
3. Киселев, Г.Л. Квантовая и оптическая электроника. [Электронный ресурс] — Электрон. дан. — СПб.: Лань, 2017. — 316 с. — Режим доступа:
http://e.lanbook.com/book/91904
4. Зверев, В.А. Оптические материалы. [Электронный ресурс] / В.А. Зверев,
Е.В.Кривопустова, Т.В. Точилина. — Электрон. дан. — СПб.: Лань, 2015. —
400 с. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/67465
152
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Поволжский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23
________________________________________________________________
Подписано в печать 18.06.18 г. Формат 60х84/16.
Бумага офсетная № 1. Гарнитура Таймс.
Заказ № 1010025. Печать оперативная. Усл. печ. л. 9.34 Тираж 300 экз.
_________________________________________________________________
Отпечатано в издательстве учебной и научно литературы
Поволжского государственного университета
телекоммуникаций и информатики
443090, г. Самара, Московское шоссе, 77, т. (846) 228-00-44
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
3 867 Кб
Теги
zhukova, posobie, osnovy, gluschenko, uchebnoy, 2018, fotoniki, ch1
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа