автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование многоканальных оптоэлектронных коммутаторов

Асланиди Максим Юрьевич

Разработка и исследование многоканальных оптоэлектронных коммутаторов

05.12.13,- Вычислительные системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о МАР 2011

Москва 2011

4840305

Работа выполнена: на кафедре «Вычислительные системы

и сети» Московского государственного института электроники и математики (технического университета)

Научный руководитель:

доктор технических паук, профессор Дмитриев Виктор Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Харченко Виктор Николаевич;

старший научный сотрудник Колтаев Анатолий Петрович

Ведущая организация: Федеральный научно-

производственный центр ОАО «Красногорский завод им С.А. Зверева»

Защита состоится « 17 » марта 2011г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 при Московском государственном институте электроники и математики (технический университет) по адресу :

109028, Москва, Б. Трехсвятителъский пер.,3, зал Ученого Совета. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (технического университета)

Автореферат разослан «_»_2011г.

Ученый секретарь

Диссертациотшого совета Д 212.133.06 Кандидат технических наук, профессор

Н.Н. Грачев

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Современное общество характеризуется внедрением информационных телекоммуникационных технологий, технически реализуемых в системах и сетях различного функционального назначения. Основой их все более успешно становится оптоэлектронные элементы и устройства, позволяющие всецело удовлетворять всё усложняющимся требованиям, предъявляемым к таким системам и сетям, обеспечивать новые функциональные и сервисные возможности, что невозможно решить традиционными техническими методами.

Основными в этой области являются некогерентные оптоэлектронные элементы и устройства, которые отличаются функциональной гибкостью, высокой эксплуатационной устойчивостью, длительным безотказным временем работы и низкой стоимостью. Наиболее эффективно их применение во внутриобъектовых и межобъектовых локальных вычислительных сетях, являющихся основой современных технологий.

Настоящая работа посвящена таким приборам и устройствам некогерентной оптоэлекгроники, выполняющим в информатике функции элементов коммутации информации, которые нашли широкое применение в вычислительных системах и сетях, системах телекоммуникации и автоматики.

Новые разработки оптоэлектронных многоканальных коммутаторов (ОЭМК) обеспечивают принципиально новые потребительские свойства электронной аппаратуры: помехозащищенность от сильных электромагнитных полей, совместимость разнородных блоков в едином комплексе, функциональную, схемо и системотехническую гибкость, выполнение функций, не реализуемых на обычных радиотехнических принципах (например, высокоскоростная параллельная обработка информации).

ОЭМК способствуют решению важной для вычислительной аппаратуры проблемы комплексной миниатюризации на новом физическом и аппаратном уровне. При этом обеспечивается обязательное требование к новым разработкам оптоэлектронных приборов и устройств конструктивно-технологическая

совместимость с уже имеющимися и широко используемыми в вычислительной аппаратуре микросхемами.

Значимость ОЭМК и устройств определяется не только уникальностью выполняемых ими функций, но и тем, что это направление науки и техники уже получило реальное промышленное воплощение, характеризующееся массовым производством приборов и их применением во всех сферах народного хозяйства и специальной техники.

Некоторые схемы прошли практическую апробацию путем применения их в системах в жестких эксплуатационных условиях. Эти системы доказали свою работоспособность при выполнении весьма сложных задач.

Внедрение оптоэлектронных коммутаторов (ОЭМК) в информационные системы происходит эволюционно, и следует различать этапы развития:

• внедрение изделий некогерентной оптоэлекгроники (ИК излучающие диоды, р-1-п фотодиоды, оптопары и оптоэлектронные микросхемы) в периферию современных вычислительных систем средней

производительности (107-180 опер/сек) с целью повышения помехозащищенности проводных линий связи, устройств ввода с перфолент, перфокарт и т.д.;

• внедрение оптоэлектронных каналов (с волоконными и воздушными световодами) во внутриобъекговые информационные системы;

• внедрение оптоэлектронных коммутаторов в устройства обработки информации (оптическая память, процессоры и т.д.)

Цель и основные задачи работы.

Целью настоящей работы является создание методов расчета параметров ОЭМК, которые позволяют сократить время проектирования и изготовления ОЭМК. Основными задачами, решения которых необходимо для достижения поставленной цели являются:

• разработка требований к оптоэлекгронным многоканальным коммутаторам (ОЭМК) со стороны информационных систем и сетей;

• разработка методов математического моделирования работы ОЭМК в различных эксплуатационных условиях;

• разработка метода расчета динамических помех ОЭМК в режиме коммутации «малого» сигнала;

• разработка методологии программно-аппаратной реализации ОЭМК;

• разработка методики выбора системы параметров ОЭМК;

• разработка методов измерения параметров ОЭМК;

• разработка методик испытаний ОЭМК;

Решение этих задач имеет большое значение для дальнейшего совершенствования процесса проектирования и создания ОЭМК конкурентно способных на мировом рынке. 11а защиту выносятся:

• выбор требований к ОЭМК;

• математические модели работы ОЭМК в различных эксплуатационных условиях;

• методика расчета динамических помех ОЭМК в режиме коммутации «малого» сигнала;

• методология программно-аппаратной реализации ОЭМК;

• методика выбора системы параметров ОЭМК;

• методы измерения параметров ОЭМК; Методы исследования.

Для решения поставленных выше задач в качестве методов исследования использовались: теория систем дифференциальных уравнений; теория электрических цепей; моделирования и версификации электронных схем; анализ и статическая обработка полученных экспериментальных результатов. Научная новизна.

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

• методика выбора требований ОЭМК;

• математические, физические модели работы ОЭМК;

• метод расчета динамической помехи «малого» сигнала;

• методика выбора системы параметров ОЭМК;

• метод измерения параметров ОЭМК;

Практическая ценность работы состоит в разработке и испытаниях экспериментальных образцов ОЭМК. Реализация и внедрение результатов работы.

Предложенные в диссертационной работе методы расчета параметров, их измерения и испытания ОЭМК используются в промышленности на Ф1У11 Научно-исследовательский институт «Сапфир» (г.Москва), в учебном процессе и при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Вычислительные системы и сети» Московского государственного института электроники и математики (ВСиС МИЭМ). Материалы теоретических и экспериментальных исследований используются при изучении курса «Сети ЭВМ и телекоммуникации». Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов (г.Москва , МИЭМ,2007г.,2008г.2009г.), а также на научно-исследовательских семинарах кафедры «Вычислительные системы и сети» МИЭМ с 2007г. по 2009г. Публикации

По теме диссертационной работы опубликованы 4 печатных работы, 1 из которых в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК для публикации результатов диссертаций. Струм-ура н объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 40 наименований, общий объем работы составляет 142 страницы.

Основное содержание работы.

Во введении обоснованна актуальность рассматриваемой темы и исследуемых проблем, сформулирована цель диссертационной работы и решаемые в ней задачи, приведены основные положения выносимые на защиту, публикации. Показано, что работа носит пионерский характер, т.к.создания рассматриваемых оптоэлектронных элементов основана на монолитной технологии.

В первой главе представлена одна из самых распространенных задач в радиоэлектронной аппаратуре и информационных системах, которая до последнего времени не могла быть решена средствами микроэлектроники, задача «бесконтактного» сбора, передачи, коммутации и преобразования информации (наличие бесконтактных датчиков, линий передачи, коммутаторов устройств запоминания и обработки информации) с электрически нейтральной связью между передатчиком и приемником информации. Возможность решения этих проблем на микроэлектронном уровне появилась только тогда, когда начали использовать в качестве носителя информации оптическое излучение.

Наличие оптической связи является важным свойством прибора и устройства, так как оно позволяет создать информационное поле пространственно разделенных,

5

электрически несвязанных цепей источников и приемников сигналов. Это качество чрезвычайно важно для информационных систем, работающих в условиях комплексного воздействия электромагнитных помех различного рода: внутренних (например, при коммутации силовых агрегатов) и внешних (грозовые разряды, электромагнитный импульс ионизирующего излучения и т.п.). Комплексное излучение электромагнитных помех на микроэлектронную аппаратуру информационных систем может привести практически к полной потере ее работоспособности.

Известно, что гальваническая развязка между источником информации и потребителем может быть осуществлена с помощью электромеханических коммутаторов, в которых управление механическими контактами осуществляется с помощью магнитного потока. Однако электромеханические коммутаторы, в частности реле, физически и технологически несовместимы с микросхемами. Кроме того, они не удовлетворяют современным требованиям по быстродействию, надежности, сроку службы, стойкости к климатическим и особенно механическим воздействиям, имеют большую массу и габариты, требуют относительно большой мощности управляющего сигнала.

Ранее для решения отдельных задач конструирования аппаратуры были разработаны схемы бесконтактных коммутаторов. Однако до последнего времени нельзя было говорить о коренном решении проблемы создания твердотельных бесконтактных аналогов реле и других электромеханических коммутаторов. Этот факт косвенно подтверждается тем обстоятельством, что до настоящего времени доля электромеханических коммутаторов весьма значительна в общей номенклатуре элементов аппаратуры.

Принципиальным недостатком ранее разработанных электронных коммутаторов является наличие одной общей точки в коммутируемой цепи и цепи управления. Это обстоятельство приводит к необходимости использования специального блока развязки, который в простейшем случае может быть трансформатором. Если же программа коммутации предусматривает необходимость замыкания ключа на длительный промежуток времени, например при работе цепи управления от потенциальных логических схем, то блок развязки представляет собой более сложную схему, содержащую реактивные элементы. Как известно, реактивные элементы (прежде всего трансформаторы) следует исключать из состава схем, подлежащих интеграции.

До недавнего времени проблема гальванической развязки электронных коммутаторов аналоговых сигналов в информационных системах решалась тремя методами:

^ Непосредственным разделением цепей управления и ключевого электронного элемента (с помощью блока развязки, содержащего трансформатор);

Методом выравнивания потенциала общей точки электронного ключа, имеющего высокое входное сопротивление и схемы управления;

^ Путем использования МДП-транзистора с заданным смещением цепи затвора в качестве коммутатора с двухсторонней проводимостью. Второй и третий методы обеспечивают по существу только возможность управления «подвешенным» ключом (т.е. ключом, не имеющим выходных контактов, подключенных к общей точке). Вместе с тем, коммутационная и управляющая цепи обязательно имеют одну общую точку. Таким образом, можно утверждать, что два

последних метода обеспечивают только квазигальваническую развязку коммутатора с управляющей цепью.

За последние годы получили распространение коммутаторы аналогового сигнала на МДП-транзисторах с квазигальванической развязкой управляющей и коммутируемой цепей. Так как управление состоянием канала МДП-транзистора осуществляется по высокоомным цепям подложки и затвора удается реализовать схему без реактивных элементов.

Во второй главе рассмотрены математические модели ОЭК. В зависимости от системы исходных данных подразделяются на электрические, физико-технологические, формальные.

В электрических моделях ОЭК исходными данными являются электрические параметры (коэффициент передачи по току К!, выходное сопротивление, остаточное напряжение на фототранзисторе в оптоэлекгронном ключе аналогового сигнала и др.), в физико-топологических- геометрические размеры и электрофизические характеристики материалов (ширина активной области в излучающем диоде, размеры эмиттера, примесный профиль и т.д.).

Математические модели ОЭК можно разделить на статические и динамические. Статические отображают статическое состояние ОЭК при неизменных внешних управляющих напряжениях и не учитывают его временных (переходных) характеристик, динамические - дополнительно отражают переходные процессы, происходящие в ОЭК при изменении во времени управляющих сигналов.

При разработке физических моделей ОЭК, работающих при комплексном воздействии эксплуатационных факторов (в том числе ИИ) представляется записать систему уравнений, описывающих движение носителей заряда в ОЭК в виде:

ох

(1)

дх

(2) (3)

^.^♦-■Ц^о-« (4)

от у ох

5;(АП) , „ в ¿(АП) ДП

+1 & ( }

Г

где в =

2У,!Ь

Физически оправданные граничные и начальные условия, которые используются при решении уравнений (1-5) отличаются многообразием.

В частности, на границах области объемного заряда р-п перехода в невырожденном полупроводнике при условии рпо»П/> и Про»/?л имеем:

(6)

Здесь и напряжение на р-п переходе : Про и р„0 равновесные концентрации электронов в дырочном полупроводнике и дырок в электронном проводнике, соответственно на свободной поверхности полупроводника циничные условия записываются в виде

-А

др ' дх

= 5,

(7)

где - скорость поверхностной рекомбинации дырок; IV - координата свободной поверхности полупроводника.

Физическая модель излучателя ОЭК.

Рассмотрим плоскую конструкцию излучателя, предоставленную на рисЗ. Как видно из рисунка, возникающие, вследствие этой комбинации не основных носителей заряда, излучение у р-п - перехода выводится из кристалла А.?Ос1 через п-область. Критерием оценки оптимальной конструкции кристалла излучателя является к.п.д. источника излучения. Полный поток мощности излучения для рассматриваемого случая получен в виде:

0 Л, 0 л,

Р = \ \vWPi(Л)Т{Л,0)ехр[кпх„]аЛ49 +1 ¡т1{Л)р,(А)Т(Л,в)г(Л)ехр[2крхр-кпхп]аЛНв

о Л

о 4

(8)

где г](Х)- коэффициент выхода излучения, т.е. та его часть, которая не претерпевает полного внутреннего отражения; Т(Х,в)- коэффициент пропускания лучей, выходящих из кристалла;/?^- полный поток мощности излучения, генерируемый вблизи р-п - перехода в интервале длин волн

Рис.1. Плоская конструкция излучателя ОЭМК.

Оценим к.п.д. конструкции кристалла (ОЭМК)

Пренебрегаем (ввиду малости величины) отражением от базового контакта и поглощением в материале т.к., п -область кристалла может быть сделана тонкой, т.е. будет мала, отсюда имеем

е5ф(-1№)=е>ф(-1 *0.01)= 1 При Тср=0,54; т|=0,085 получим:

кп.б. = — -Тср-г)-\00% = 0,54,0,085,100% = 4,5% Р,

Расчет фотоэлектрических характеристик интегрального фотодиода ОЭМК

На рис.2 представлена одномерная модель фотодиода с гетеропереходом. Интегральный фотодиод освещается со стороны р- области, /о#)-плотность потока излучения да дайне волны А на поверхности полу проводника.

В узкозонной области фотодиода лоток излучения за счет поглощения уменьшается экспоненциально по закону Бугера-Ламберта

/«=</<*". (9)

Уменьшение 1(х) внутри элементарного интервала запишем в виде

сИ(хГ-а1ое-™ск, (10)

Соответствующее число фотонов поглощенных на длине волны А внутри этого интервала, определяется выражением

Ы=а1огш(Ь)Л1с,

(П)

° хр хп Ь

Рнс.2. Одномерная модель фотодиода с гетеропереходом.

На рис.3 приведены расчетные кривые зависимостей РьРп,Рш, я от длины волны падающего излучения.

Расчетные кривые РьРп, РипйА от длины волны падающего излучения X

Рис.3. Расчетные зависимости коэффициентов р,,Рп, Рш

Переходные процессы в ОЭМК

Анализ переходных процессов в ОЭМК необходим для разработки принципов конструирования быстродействующих приборов, построения схем и систем на их основе, определения реакции ОЭМК и систем на их основе при воздействии импульса ионизирующего излучения.

Для анализа переходных процессов и построения динамической математической модели ОЭМК необходимо решение системы нестационарных уравнений непрерывности. Однако решение такой системы представляется возможным только для расчета переходных процессов первичных фототоков (фототоков одиночных р-п переходов). Для расчета же переходных процессов в оптоэлектронных схемах и устройствах в объем виде такой подход неприемлем из-за больших объемов вычислительных ресурсов и громоздких вычислений.

В работе применен метод заряда, для анализа переходных процессов в полупроводниковых приборах и микросхемах, он позволяет получить конечные результаты в относительно простом виде, причем практически с той же точностью, что и в случае расчета, выполненного путем решения классической системы диффузионных уравнений при традиционных предпосылках. Вместе с тем, использование метода заряда, позволяет более наглядно дать качественное описание физических процессов в ОЭМК в переходном режиме.

Расчет первичных фототоков

Величина первичного фототока, входящего в зарядовые уравнения, в зависимости от формы воздействия оптического или ионизирующего импульса может быть получена в виде:

УО = ^|ф(г)Л#(/-г)Л- (14)

о

Где Кф = чувствительность к-го перехода многослойной фоточувствителыюй структуры к действию потока светового или ионизирующего

излучения при условии холостого хода на других переходах; = ф -

переходная характеристика первичного фототока при воздействии светового или ионизирующего излучения.

Квантовая чувствительность к-го перехода многослойной фоточувствительной структуры, т.е. величина фототока на один падающий на фоточувствительную поверхность квант излучения, может быть оценена по формуле

кф=g(\-ЮмЛ (15)

Где коэффициент отражения оптического излучения от поверхности (для ионизирующего излучения он равен нулю); ц^ квантовый выход;Д- коэффициент «собирания» к-и переходом генерированных излучением носителей.

Квантовый выход в диапазоне принимаемых длин волн можно считать постоянным и равным единице (каждый поглощенный квант света создает одну электронно-дырочную пару), коэффициент отражения зависит от состояния поверхности и может достигать 50%.

Рассмотрим переходную характеристику первичного фототока. Расчет будем вести на основе решения нестационарного уравнения непрерывности

дАр „ дАр дАр Ар ....

3/ дх дх тр

Где х- расстояние отр-п перехода; I время; Вр- коэффициент диффузии; т,- время жизни дырок; до- скорость генерации пар электрон-дырка; а - коэффициент поглощения; для и-области фотодиода, что является характерным для приемников ОЭМК. Так как ИК-излучения от арсенид-галлиевого излучающего диода (с длиной волны 0,87 0,92 мкм) приникает на глубину 60 70 мкм при глубине залегания р-п перехода 3 5 мкм. С учетом соотношения между диффузионной длиной неосновных носителей и напряженностью электрического поля граничные условия записываются в виде:

Для упрощения расчета Е(х). /л{х) заменим их средними значениями:

Г <18>

0.1И'

Где ч> эффективная ширина п базы фотодиода; Е напряженность электрического поля; ¡1 - подвижность дырок.

Решая уравнение (16) с учетом граничных условий, получаем для первичного фототока переходную характеристику :

Л#(0 = *

(19)

Щ

Где I// = ——--нормированное электрическое поле (<р = кТ /а );

2(рт!1Р

В третей главе рассмотрен принцип действия оптоэлектронного устройства используемого в качестве бесконтактного коммутатора аналоговых сигналов, и заключается в том, что электрическое управление состоянием контактов (включено -выключено) осуществляется с помощью светового потока. Главными элементами коммутационных систем являются аналоговые коммутационные микрокоммутаторы (рис.4). В оптоэлектронных коммутаторах аналоговых сигналов (ОКАС), как в электромеханических коммутаторах, осуществляется гальваническая развязка в управляющей коммутируемой цепях. В качестве выходной схемы оптоэлектронного коммутационного элемента для коммутации аналогового сигнала ОКАС могут бьггь использованы фоточувствительные биполярные структуры и составные схемы на основе фоточувствительных биполярных структур (составные ОКАС). Величина остаточного напряжения иостО определяет в основном точность работы ОКАС. Уменьшение иостО и симметричность ОКАС при коммутации двухполярного сигнала наиболее эффективно достигаются с помощью компенсационной схемы включения выходных элементов. На рис.5 показаны различные варианты компенсационных включений ОКАС на основе фоточувствительных и составных биполярных структур.

Рис.4. Структурна» схема оггтоэлекгрогаюй информационной системы: БУ буферное устройство; МКЭ - матрица коммутационных элементов; УС матрица счшывашм; МЯП - матрица ячеек памяти; УУ устройство управления; ДА дешифратор адреса; ВК узел выборки кристалла.

Рнс.5. Прннцнпнальные электрические схемы оптоэлекгронных коммутационных элементов.

Оптимальное, согласование фотодиода и выходной транзисторной структуры обеспечивается в случае равенства входного сопротивления транзистора 0,88 выходного сопротивления фотодиода, т.е.

^епт =0№ф/1ф

(20)

№ схемы включ ения Схема включения Ток коммутации и коэффициент передачи тока Остаточное напряжение Сопротивл ение в открытом состоянии Максимал ьное коммутир уемое напряжен ие

1 2 3 4 5 6

1 О-и-и-О ФД1 ^ ^ ФД; ^ —* СЛ ^ 1„м - 200..ЛОООмкА К, = 5-Ю"2 1 Кп ¡1 «1...2 мВ 2т/рт = 100...200Ом Пробнвное напряжение (Упр)

2 = 2 мА К,(В„ + 1) = 10 дв тгФт ~Г " ' т в1 » 40...100л«£В 2тг(рт = 50...1000л<

3 /„. = 40...100лй ^1(В„+В + 1) = 10-' 0,5 ттт —- » ' т В1 =1 20...50мкВ 0,5 тгф7 -20...400м

4 ' I Г-Г-ГУТ! К*. = ЬиЛ К, В" =5-10'2 &В * 40...100а1КВ Лтг<рТ

5 0 та УТ; 0 ^Ы-Д. —и-у—С+-И— с сд' Ся< и =2^1 крш. =10-' дв а 100...200« кВ 2 тгсрт = 50...1000и

6 ®д К- г , ^ , I к \Х!> ФдэФД| —с=н»-с ФД. |>.ф /„„ = 40...100лЫ ^(В„ + В + 1) = 2...5 м 0,5тг<рТ — я »50..100мкВ 0,5 тг<рт = 2О...4О0л< иэ„

Оптоэлектронные многоканальные коммутаторы.

Вых.1

а)

_[ I Пых.п

Пуфо—

б)

Рис. 6. Электрические схемы опгоэлекгрогаюй матрицы (а) и оптозлекгронной коммутационной ячейки (6): УК - управлянящш ключ; УФС - устройство формирования сигнала

Рассматриваемые на базе диодных ОЭК оптоэлектронные коммутаторы являются приборами дискретного действия (включено -выключено) и, как правило, программа их работы задается цифровыми устройствами. Поэтому необходимым «нижним» уровнем интеграции оптоэлекгронных многоканальных коммутаторов ОЭМК является обеспечение возможности управления ключевым элементом сигнала от стандартных логических ТТЛ-схем.

Интеграция «вширь» предполагает увеличение числа коммутируемых каналов в одной интегральной схеме. Дальнейшим уровнем повышения интеграции «вглубь» является объединение диодных ОЭМК и схем управления.

В четвертой главе рассмотрена и получена система параметров оптоэлектронных коммутаторов. Система параметров ОЭМК базируется на анализе физических процессов, происходящих в приборах, используемых в различных схемах и системах.

Физическая интерпретация исключает возможность введения в системы таких параметров, которые характеризуют прибор лишь в частных случаях применения. Кроме того, выбор электрических и температурных режимов измерения параметров также должен основываться на результатах исследования физических процессов в ОЭМК.

Работа ОЭМК должна описываться следующей системой характеристик:

• электрических (прямая и обратная ветви вольтамперной характеристики), позволяющих описать работу в ОЭМК в электрической схеме;

• спектрофотометрических, списывающих энергию излучения, его спектральный состав и распределение излучения в пространстве;

• передаточно-преобразовательных, устанавливающих связь между электрическими и спектрофотометрическими параметрами.

Полупроводниковые излучающие диоды благодаря высокой эффективности, долговечности находят широкое применение в ОЭМК.

Полученная система параметров излучающих диодов для ОЭМК представлена в таблице 2.

Таблица 2.

Система параметров излучающих диодов для ОЭМК

Электрические и светотехнические параметры

Постоянное прямое излучение, В

Мощность излучения, Вт Р

Сила излучения. Вт/ср I

Длина волны излучения, мкм Лпах

Ширина спектра излучения, мкм Н,

Длительность, с:

фронта нарастания импульса излучения ^нар

спада импульса излучения '1'сп

Время задержки, с:

При включении ^зд.вкл

При выключении ^зд.еыкя

Конструктивный параметр:

Площадь светоизлучающей площадки, мм2 5

Максимально допустимые параметры режима эксплуатации:

Постоянный прямой ток, А К

Импульсный ток, А ^пр.и

Средний прямой ток, А

Постоянное обратное напряжение, В

Средняя (постоянная) рассеиваемая электрическая мощность, Вт

Важнейшие параметры указанных групп излучающей мощность излучения, длина волны в максимуме спектральной полосы, полуширина полосы, быстродействие и прямое напряжение. В ряде случаев для оценки эффективности излучающих диодов используют такой параметр, как внешний ход излучения.

Фотоприемник как преобразователь энергии излучения является важнейшим элементом любого ОЭМК. Именно фотоприемник в современных ОЭМК определяет основные выходные параметры: ток, коммутируемое напряжение, быстродействие и др.

Свойства фотоприемников для ОЭМК наиболее полно могут быть описаны системой параметров, выражающих зависимость уровней сигнала и шума на выходе фотоприемника от различных факторов: силы падающего излучения, скорости изменения воздействующего излучения, температуры окружающей среды, напряжения питания и др.

Основными характеристиками фотоприемника для ОЭМК являются: ^ амплитудная (энергетическая или световая), определяющая зависимость фототока (фотоЭДС) от уровня возбуждающего потока излучения;

^ временная, определяющая зависимость выходного сигнала от скорости изменения потока излучения;

шумовая, определяющая зависимость спектральной плотности мощности шума от частоты;

вольт-амперная, определяющая зависимость общего тока через приемник (фототока и темнового тока) от значений приложенных напряжений;

Полученная система параметров фотоприемников для ОЭМК представлена в таблице.

Таблица 3

Спектрофотометрические параметры

Длина волны в максимуме чувствительности, мкм ^пах

Спектральный диапазон, мкм дя

Электрические параметры

Фототок при заданной мощности излучения, А Ч

Темповой ток, А 1т

Емкость, Ф с

Сопротивление, Ом Кфп

Остаточное напряжение, В и ост

Длительность, с:

Фронта нарастания сигнала ^ нар

Спада сигнала

Время задержки, с:

При включении ^зд.вкл

При выключении ^зд.выкл

Конструктивный параметр:

Площадь фоточувствительной площадки, мм1 5

Максимально допустимые параметры режима эксплуатации:

Выходной ток, А

Выходное обратное напряжение, В ^•ыхоф.шах

Мощность рассеяния на выходе, Вт р выхтах

За последние годы проблема получения достоверных результатов измерений параметров в оптоэлектронике существенно обострилась. Это вызвано ужесточением

требований к точности измерений, необходимостью автоматизации измерений при массовом выпуске ОЭМК и ОЭМК (например, оптоэлектронных каналов, волстронов).

Поскольку ОЭМК являются изделиями, поставляемыми на предприятия всех отраслей народного хозяйства, выпускающих и эксплуатирующих радиоэлектронную аппаратуру, то проблема обеспечения единства измерений параметров в производстве ОЭМК у изготовителя и на входном контроле у потребителя является важнейшей.

Необходимость непрерывного повышения точности измерения параметров ОЭМК, единства их измерений, особенно при отсутствии стандартизованных методов измерения новых функциональных групп ОЭМК и ОЭМК для перспективных радиоэлектронных и вычислительных систем и комплексов, требует серьезного внимания к методологии измерения параметров ОЭМК и их аппаратурной реализации.

Сущность всех методов светотехнических измерений параметров излучающих диодов состоит в фотоэлектрическом сравнении параметров исследуемых приборов с соответствующими параметрами контрольных образцов, сила или мощность излучения которых известна с высокой точностью, в этом случае искомое значение параметра излучения рассчитывается по формуле:

~ Лол0 Офпк ¡1фп0 ) (21)

Где 1шл - сила излучения контрольного излучающего диода; ¡ф„о,1фт - фототок фотоприемника фотометра при освещении его излучением контрольного и исследуемого излучающего диодов, соответственно.

При этом необходимо выполнение следующих требований: ^ спектральная и пространственная плотность потока излучения контрольного образца должна полностью соответствовать аналогичным характеристикам испытуемого прибора;

^ расстояние от фотоприемника фотометра до контрольного и исследуемого источников излучения должны быть равны, а их оптические оси в пространстве совпадать с оптической или геометрической осью фотоприемника.

Очевидно, что использование метода сравнения (замещения) обеспечивает контроль параметров излучения с погрешностью, не превышающей погрешность излучения аналогичных параметров контрольного образца. Методы определения мощности излучения контрольного образца излучающего диода, с учетом спектральных характеристик излучателя и фотоприемника даны.

Для фотоприемников ОЭМК наибольший интерес представляет измерение фототока и темнового тока. При измерении используют эталонный источник излучения или реальный источник, чувствительность фотоприемника, к которому необходимо определить. Структурная схема измерения фототока и темнового тока фотоприемника приведена на рис. 7. Фотоприемник освещают и измеряют его общий ток при тех же значениях питающих напряжений, что и при измерении темнового тока. Значение фототока определяют из соотношения

1ф=1общ~1Т (22)

где 1ф - фототок; 1„бщ- общий ток; 1„ - темповой ток.

Pre. 7. Блок схема измерения фототека и темнового тока фотоприенгапса: БП1, БП2 блоки питания; ИД излучающий диод; ИФ - измеряемый фотоприемник; РП- регистрирующий прибор, RI I

измеритель сопротивления

Чувствительность фотодиодов на определенной длине волны определяется методом сравнения с калиброванным фотодиодом при засветке одним и тем же излучающим диодом. Чувствительность прибора на данной длине волны вычисляют по формуле

S1=SK/IK (22)

где Six - чувствительность калиброванного фотодиода на данной длине волны; 1К- показания регистрирующего прибора с калиброванным фотодиодом; I - показания регистрирующего прибора с измеряемым прибором.

В заключении сформулированы выводы по диссертационной работе в целом.

Общие выводы.

1. Проведен анализ эффективности применения ОЭМК в зонах сбора, передачи и обработки информации современных информационных систем. Приведены количественные примеры, на основе полученных расчетных соотношений, эффективности применения ОКАС, по сравнению с электромеханическими и электронными аналогами. Проведенный численный анализ указывает на превосходство ОЭМК в части обеспечения помехоустойчивости, гальванической развязки, скорости передачи и обработки информации на 2-3 порядка перед приборами - аналогами (электромеханические и электронные реле, проводные линии передачи и т.д.), что обуславливает необходимость их развития и внедрения в информационные системы. Разработаны требования к параметрам ОЭМК.

2. Рассмотрены основные физические процессы проходящие в ОЭМК при работе в различных эксплуатационных условиях. На базе математического моделирования разработаны физические модели работы ОЭМК.

3. На основе анализа переходных процессов в ОЭМК проведен расчет динамических помех в режиме коммутации «малого» сигнала, позволяющий получить ОЭМК с низким уровнем динамической помехи.

4. На основе анализа технологии создания ОЭМК разработана методология программно-аппаратной реализации ОЭМК, что позволяет создать экспериментальные образцы ОЭМК.

5. На основе апализа областей применения ОЭМК, разработана методика выбора системы параметров ОЭМК

6. Рассмотрены идеальные условия измерения параметров ОЭМК, определяющие источники погрешности метода измерения. Сюда входят погрешности за счет приближенного соблюдения заданных условия измерения (холостой ход, короткое замыкание и т.д.); предложенные методы измерения незначительно искажают идеальное условие измерения, определяющие теоретическое значение параметра (например невозможно измерить сопротивление ОЭМК в открытом состоянии Rotko при выходном токе 1вьк=0);обеспечивают заданную погрешность, предусматривают; предусматривают возможность автоматизации процесса измерешм.

Основные публикации по теме диссертации.

1. Асланиди М.Ю., Дмитриев В.П, Разработка принципиальной электрической схемы оптоэлектронного интегрального коммутатора,-М.-, Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: сборник научных трудов.-2009-с. 194-197

2. Асланиди М.Ю. Система параметров оптоэлектронных коммутаторов аналоговых сигналов и методы их измерения, - М.- Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: сборник научных трудов.-2009-с.201-208

3. Асланиди M.IO. Физико-топологическая модель ОЭМК - г. Таганрог «Известия ЮФУ. Технические науки»,- 2010 - №2 (103)-с.162-168

4. Дмитриев В.П.и Асланиди М.Ю. Optoelectronic sensors for operating «Information Systems,-Information and Telecommunication technologies in Intelligence systems»-2007,-Maiorka c.154-163.

Сдано в набор 01.02.11 г., подписано в печать 10.02.11 г. Гарнитура Times. Печать трафаретная. Формат 60*841/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 52.

Типография ООО НПКП «МАВР», Лицензия Серия ПД № 1107 362040, г. Владикавказ, ул. Августовских событий, 8, тел. 44-19-31

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ эффективности применения оптоэлектронных коммутаторов (ОЭМК) в информационных системах.

1. Анализ. 1.2. Постановка основных задач исследований.

Выводы.

Глава 2. Физические основы работы оптоэлектронных коммутаторов.(ОЭМК).

2.1. Основные уравнения физических процессов, протекающих в ОЭМК.

2.2. Физическая модель излучателя ОЭМК.

2.3. Расчет фотоэлектрических характеристик интегрального фотодиода ОЭМКП.

2.4. Электрические модели оптоэлектронных коммутаторов.

2.5. Переходные процессы в ОЭМК.

2.5.1. Методы заряда при анализе переходных проъ^ессов в ОЭМК.

2.6. Расчет первичных фототоков.

Выводы.

Глава 3. Аппаратная реализация оптоэлектронных коммутаторов.

3.1. Оптоэлектронные коммутаторы аналоговых сигналов.

3.2. Оптоэлектронные многоканальные коммутаторы.

3.3. Переходные процессы в оптоэлектронных ключах, работающих в режиме коммутации малых сигналов.

Выводы.

Глава 4. Эксплуатация оптоэлектронных коммутаторов.

4.1. Система параметров оптоэлектронных коммутаторов.

4.2. Система параметров излучающих диодов для ОЭМК.

4.3. Система параметров фотоприемников для оптоэлектронных коммутаторов.

4.4. Система параметров оптоэлектронных коммутаторов.

4.5. Методы измерения параметров оптоэлектронных приборов.

4.5.1. Методы измерения параметров излучающих диодов для ОЭМК.

4.5.2. Методы измерения параметров фотоприемников для оптоэлектронных коммутаторов.

4.5.3. Экспериментальные исследования натурных образцов оптоэлектронных матричных коммутаторов.

4.6. Экспериментальные исследования ОЭМК.

Выводы.

Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники, посвященный одновременному использованию оптических электрических методов обработки, коммутации, передачи и хранения информации. Ее физическую основу представляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и оптических в электрические.

Одним из основных преимуществ оптоэлектронных проборов является гальваническая развязка между управляющим входом и коммутационным выходом. Это позволяет создавать пространственно раздельные поля информационных сигналов, что позволяет на порядки повысить устойчивость к электромагнитным наводкам и помехам информационных сетей.

Основу таких полей составляют оптоэлектронные комхмутаторы (ОЭК), в простейшем случае состоящие из светодиода и фототранзистора.

Дальнейшее развитие ОЭК направлено на повышение уровня интеграций за счет многоканалыюсти. Применение таких коммутаторов позволяет создавать сложные вычислительные и телекоммуникационные системы, управляющие большим числом источников информационных сигналов.

По общему мнению отечественных и зарубежных специалистов, оптоэлектронные коммутаторы в ближайшем будущем найдут широкое применение в различных системах связи, в радиоэлектронных бортовых системах обработки информации.

Перенос и коммутация информации с помощью световых импульсов по сравнению с электрическими сигналами дают существенное преимущество. Прежде всего следует отметить, что частота световой волны Г >1015 ГЦ, что на порядок выше частоты электрических сигналов и волн, используемых в современной связи или компьютерной технике.

Кроме того, поскольку длина световой волны ничтожна, мала, то имеется возможность коммутации информационных сигналов с необычайно высокой скоростью.

Целью настоящей работы является создание методов расчета параметров ОЭМК, которые позволяют сократить время их проектирования и изготовления. Основными задачами решения, которые необходимы для достижения поставленной цели являются:

• разработка требований к оптоэлектронным многоканальным коммутаторам

ОЭМК) со стороны информационных систем и сетей;

• разработка математических моделей работы ОЭМК в различных эксплуатационных условиях;

• расчет динамических помех ОЭМК в режиме коммутации «малого» сигнала;

• разработка аппаратной реализации ОЭМК;,

• выбор системы параметров ОЭМК и методов измерения их процессов;

• проведение экспериментальных исследований ОЭМК.

Методы исследований. Для решения поставленных выше задач в качестве методов исследования использовались: теория систем дифференциальных уравнений; теория электрических цепей; моделирование и версификации электронных схем; анализ и статическая обработка полученных экспериментальных результатов.

Достоверность научных результатов. Достоверность научных результатов, выводов, рекомендаций, а также корректность разработанных математических моделей, подтверждается путем сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также сравнение полученных результатов с результатами исследований, опубликованными ранее в отечественных и зарубежных научных публикациях.

Научная новизна работы.

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

• Разработаны математические модели ОЭМК, позволившие создать основы их проектирования в вычислительных сетях.

• Проведен расчет динамической помехи ОЭМК в режиме коммутации «малого» сигнала, позволивший устранить причины возникновения помехи и проектировать высокоточные, помехоустойчивые коммутаторы.

• Разработаны принципы аппаратной реализации ОЭМК, позволяющие разработать структурную схему ОЭМК, схемотехнику применения в вычислительных сетях.

• Разработанные методы измерения параметров ОЭМК, позволяющие вести контроль параметров на этапах производства и эксплуатации.

Значения полученных результатов для теории и практики.

Значения диссертационной работы для теории состоит в получении новых научных результатов в области математического моделирования аппаратной реализации ОЭМК. Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Выбраны требования к параметрам ОЭМК, позволившие оценить качество работы ОЭМК.

2. Разработаны экспериментальные образцы ОЭМК позволившие оценить возможность работы ОЭМК в различных эксплуатационных условиях.

3. Разработаны методы испытаний ОЭМК, позволившие выбрать систему параметров ОЭМК.

На защиту выносятся;

• выбор требований к ОЭМК;

• разработка математических моделей работы ОЭМК в различных эксплуатационных условиях;

• расчет динамических помех ОЭМК в режиме коммутации «малого» сигнала;

• аппаратная реализация ОЭМК;

• выбор системы параметров ОЭМК;

• методы измерения параметров ОЭМК. Публикации:

По материалам данных исследований опубликовано 4 работы:

1. Асланиди М.Ю., Дмитриев В.П. Разработка принципиальной электрической схемы оптоэлектронного интегрального коммутатора.- М.: Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: Сборник научных трудов. 2009.С.194 - 197

2. Асланиди М.Ю. Система параметров оптоэлектронных коммутаторов аналоговых сигналов и методы их измерения, — М.: Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: Сборник научных трудов.2009.С.201- 208

3. Асланиди М.Ю. Физико-топологическая модель ОЭМК - Таганрог «Известия ЮФУ. Технические науки», 2010. № 2 (103)-С.162 -168

4. Дмитриев В.П. и Асланиди М.Ю. Optoelectronic sensors for operating «Information Systems,-Information and Telecommunication technologies in Intelligence systems» -Maiorka 2007.C. 154-163.

Выводы

1.На основе анализа физических принципов работы оптоэлектропных приборов в качестве информационных устройств, их эквивалентных схем выбраны основные параметры этих приборов. Причем параметры оптоэлектронных приборов с внутренним оптическим взаимодействием, описывающие их свойства в качестве устройств информационных систем сбора и передачи информации, могут быть разделены на группы:

• входные параметры, определяемые входной цепью — излучающим диодом (1пр, Свх, 10бр и др.);

• выходные параметры, определяемые фотоприемником (1у1, Свых.11дНф и др.);

• параметры передачи и усиления выходных электрических сигналов (К! , КПД и дрО;

• параметры, характеризующие быстродействие передачи электрических сигналов со входа на выход (время включения, время задержки включения, время выключения, время задержки выключения, длительности фронта нарастания и спада и т.д.);

• параметры, характеризующие величину гальванической развязки (сопротивления изоляции) и емкости связи между входом и выходом ОЭМК (Киз?Сиз,ииз).

2. Расчет параметров ОЭМК необходимо вести на основе разработанных физических и электрических моделей, полученных в предыдущих главах. Причем для возможности простого и удобного расчета параметров выбираются эквивалентные четырехполюсники

3. При разработке методов измерения определены теоретические значения параметров и предложены конкретные измерения параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ эффективности применения ОЭМК в вычислительных системах и сетях, разработаны требования к параметрам ОЭМК.

2. Рассмотрены особенности физических процессов, проходящих в ОЭМК в различных режимах эксплуатации. На основе анализа этих особенностей разработаны физические модели элементов ОЭМК. На основе этих моделей проведен расчет параметров экспериментальных образцов ОЭМК.

3. На основе анализа и решения нестационарных уравнений непрерывности рассчитаны переходные характеристики «первичных» фототоков с учетом изменения времени жизни носителей заряда, время действия импульса ионизирующего излучения.

На основе решения системы уравнений заряда получены расчетные соотношения переходных процессов многослойных фоточувствительных структур в режиме «малого» сигнала. На основе полученных расчетных соотношений определено оптимальное сочетание параметров быстродействующих, вносящих малые искажения в коммутируемый информационный сигнал, многослойных фоточувствительных структур.

4. Разработаны принципы конструирования и микросхемотехники ОЭМК, устойчивых к комплексному воздействию различных эксплуатационных факторов, в том числе и к воздействию ионизирующих излучений.

5. На основе анализа физических процессов, принципов схемного использования с помощью предложенных математических моделей разработаны системы параметров ОЭМК.

6. На основе критерия «идеальных» условий измерения («холостой ход, «короткое замыкание» и т.д.) теоретически и экспериментально обоснованы методы измерения ОЭМК.

7. На основе разработанных математических моделей, методов измерения и особенностей применения ОЭМК в различных вычислительных системах разработаны методики испытаний ОЭМК. На базе этих методик проведены испытания экспериментальных образцов ОЭМК.

1. Асланиди М.Ю. Дмитриев В.П. Разработка принципиальной электрической схемы оптоэлектронного интегрального коммутатора— М.: Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: Сборник научных трудов. 2009.С.194 197

2. Асланиди М.Ю. Система параметров оптоэлектронных коммутаторов аналоговых сигналов и методы их измерения, — М.: Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: Сборник научных трудов.2009.С.201- 208

3. Асланиди М.Ю. Физико-топологическая модель ОЭМК — Таганрог «Известия ЮФУ. Технические науки», 2010. № 2 (103)-С.162 168

4. Дмитриев В.П. и Асланиди М.Ю. Optoelectronic sensors for operating «Information Systems,-Information and Telecommunication technologies in Intelligence systems» -Maiorka 2007.C.154-163.

5. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. М: Высшая школа, 1986. - 464 с.

6. Дмитриев В.П. и др. Коммутационные устройства радиоэлектронной аппаратуры. -M : Радио и связь, 1985. 264 с.

7. Дмитриев В.П., Гребнев А.К. Перспективы применения оптоэлектронных приборов и устройств для передачи и обработки информации //Электроника и техника СВЧ и КВЧ. Том 5. Вып.З. 1999.

8. Дмитриев В.П. и др. Волсторны — новый класс изделий электронной техники // Электронная промышленность. 1983. Вып.6 123.С. 11-12.

9. Дмитриев В.П. и др. Характеристики и методы расчета оптоэлектронных приборов- М: ВИНИТИ // Итоги науки и техники СССР., 1989. т.24. С. 3-59 Сер. Электроника

10. Дмитриев В.П., Гребнев А.К., Набатов И.Н. Оптоэлектронные коммутаторы аналоговых сигналов на основе биполярных структур // Электронная техника. 1981. Вып.1. С. 42-41-46. (сер. Радиодетали и радиокомпоненты)

11. Горохов В.А., Дмитриев В.П., Носов Ю.Р. Принципы конструирования оптоэлектронных коммутаторов аналоговых сигналов // Микроэлектроника. М: Сов. Радио, 1975, вып.8. С. 47-62.14.17.