Николай Проскурин - Электронные и оптоэлектронные ИС, их характеристики - обзор преимуществ и недостатков. Цифровая микрооптоэлектроника

ВОП – волоконно-оптическая пластина

ВОСС – волоконные оптические системы связи

ВП – виртуальные параметры

ВУ – вычислительное устройство

ВЧ – высокие частоты, высокочастотный (О-очень, У-ультра, С-сверх)

ГИ – генератор импульсов (КГИ – кольцевой ГИ)

ДП – двухполюсник

ЗЗ, ЗП, ЗВ – зоны: запрещенная, проводимости, валентная

ИД – исходные данные

ИК – инфракрасный

ИКМ – импульснокодовая модуляция

ИЛ – инжекционный лазер

ИП – источник питания (Д – дополнительный, О – основной)

ИС – интегральная схема

ИСОС – интегральная схема с оптическими связями

ИФУ – интегральное фотоприемное устройство

К – коллектор

КПД – коэффициент полезного действия

ЛД – лазерный диод

МАЭС – моделирование аналоговых электронных схем

ММП – математическая модель прибора

МОП – металл-окисел-полупроводник

МПК – метод перевернутого кристалла

НЗ – носители заряда

ОИ – оптоэлектронный инвертор

ОЛЭ – оптоэлектронный логический элемент

ОЛУ – оптоэлектронное логическое устройство

ОПЗ – область пространственного заряда

ОСГ – объемная скорость генерации

ОЭ – общий эмиттер

ОЭП – оптоэлектронный прибор

ПВИ – поверхностный вывод излучения

ППС – полупроводниковая структура

ПР – профиль распределения

ПС – программная среда

СД – светоизлучающий диод

УУ – устройство управления

УФ – усилитель фототока

ФД – фотодиод

ФП – фотоприемник

ФР – фоторезистор

ФТ – фототиристор

ФТр. – фототранзистор

ЦС – цифровой сигнал

ЧМ – численное моделирование

Э – эмиттер

DWDM – dense wavelength division multiplexing (мультиплексирование по длине волны высокой плотности)

МВМЕ (MOVPE) – molecular beams metod epitaxy (metalorganic vapor phase epitaxy) молекулярно-лучевой метод эпитаксии (металлорганическая парофазная эпитаксия)

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕЛЕНИЕ – 7.

РАЗДЕЛ 1. ОБЗОР ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

1.1. Характер физических и конструктивно-технологических ограничений микро- и наноэлектроники в цифровых интегральных схемах – 15.

1.2. Преимущества оптоэлектронных приборов в системах передачи информации и управления объектами над проводными линиями – 23.

1.3. Твердотельные оптопары, их разновидности, анализ конструкций – 29.

1.4. Оценка и выбор базиса оптоэлектронной логики на основе анализа схем квазиимпульснопотенциального типа – 39.

1.5. Выводы по разделу – 46.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ (часть 1) – 49.

ПРИЛОЖЕНИЕ А – 52.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.Обработка оптической информации получила широкое применение в технике, в частности – в приборах передачи информационных потоков, в устройствах управления технологическим и бортовым оборудованием. Это связано с преимуществами оптических и оптоэлектронных устройств (средств и способов связи на их основе) над электрическими. В основе оптоэлектроники лежат эффекты взаимодействия между электронейтральными электромагнитными волнами (или фотонами) и электронами веществ (преимущественно твердых тел). Физическуюоснову оптоэлектроники составляют явления, связывающие оптические и электронные процессы – излучения и поглощения электромагнитных колебаний. Функциональноеназначение оптоэлектронных устройств состоит в решении задач информатики: генерации информации на основе внешних воздействий и превращении ее в оптические (или электрические) сигналы, а также ее перенос, преобразование (в т.ч. логическое), хранение, отображение (с возможно-стью ее считывания, записи, стирания, перекодирования, др.). Технологическуюоснову оптоэлектроники определяют концепции микро- и наноэлектроники. В устройствах на основе систем излучатель – фотоприемник, соединенных с волоконнооптическим каналом (кабелем), оптический сигнал от излучателя способен без значительных потерь проходить большие расстояния. Устройства и схемы обработки оптической цифровой информации получили широкое применение. Развитие локальных, региональных, территориальных, глобальных сетей связи основано на внедрении волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Логическая обработка потоков оптических цифровых сигналов, которые передаются по ним, базируется на использовании их отображений в виде электрических сигналов (после преобразования типа излучение – фототок: L→Е с помощью фотоприемников). Для детектирования оптических цифровых сигналов используют фоточувствительные устройства – твердотельные полупроводниковые структуры: фотодиоды, фототранзисторы. Усиленные и сформированные с помощью усилителей фототока в виде потоков электрических сигналов, они обрабатываются полупроводниковыми цифровыми интегральными схемами (ИС) на базе схем вентилей Т 2Л, И 2Л, ЭСЛ, Т 2ЛШ, МОП. Для получения выходных оптических цифровых сигналов (преобразования типа ток – излучение: Е→L) применяют другие схемы. В них усиленные цифровые сигналы из выходов ИС модулируют ток излучателей на полупроводниковых структурах, к которым относят инжекционные лазеры (ИЛ), лазерные диоды (ЛД) и светодиоды (СД). Оптический цифровой сигнал передается на значительные расстояния по волоконно-оптическим каналам, кото-рые созданы на основе диэлектрических оптически прозрачных материалов. С по-мощью оптоэлектронных устройств типа оптронов (оптопар), которые включают в себя твердотельные излучатели и фотоприемники, обеспечиваются многочисленные преобразования типа L↔Е. Недостатками обработки потоков оптических цифровых сигналов ИС является использование заряженных частиц (электронов) и металлических проводников (отсутствие гальванической развязки, ограничение по частоте переключения, сложность передачи по проводнику множества сигналов, др.), преимуществами – развитость элементной базы и относительная их дешевизна.