Застосування лазерів в обчислювальній техніці.
Введення
Поряд з науковими і технічними застосуваннями лазери використовуються в
інформаційних технологіях для вирішення спеціальних завдань, причому ці застосування
широко поширені або перебувають у стадії досліджень. Найбільш
поширеними прикладами таких застосувань є оптична цифрова
пам'ять, оптична передача інформації, лазерні друкувальні пристрої, крім
того вони застосовуються в обчислювальній техніці в якості різних пристроїв.
Лазери в обчислювальній техніці
Принципово досягнуті малі часи перемикання уможливлюють застосування
лазерів і комбінацій з лазерами, включаючи інтеграцію в мікроелектронних
переключательних схемах (оптоелектроніка):
як логічних елементів (так-ні, або);
для введення та зчитування з запам'ятовуючих пристроїв в обчислювальних машинах.
З цією метою розглядаються виключно інжекційні лазери.
Переваги таких елементів: малі часи перемикання та зчитування, дуже
маленькі розміри елементів, інтеграція оптичних та електричних систем.
Досяжними виявляються часи перемикання приблизно 10-10 с (відповідно
цього швидкі часи обчислення); ємності пристрою, що запам'ятовує 107 біт/см2,
і швидкості зчитування 109 біт/с.
Лазерний принтер
Для друку в обчислювальній техніці і в інших випадках часто застосовується
лазерне випромінювання. Перевага їх у більш високій швидкості друку в порівнянні
зі звичайними способами друкування.
Принцип дії їх такий: що надходить від зчитує оригіналу світло
перетвориться в ФЕУ в електричні сигнали, які відповідним чином
обробляються в електронному пристрої разом з керуючими сигналами (для
визначення висоти шрифту, складу фарби і т.д.) і слугують для модуляції
лазерного випромінювання. За допомогою записуючої головки експонується розташована
на валику плівка. При цьому лазерне випромінювання поділяється на ряд рівних за
інтенсивності часткових променів (шість або більше), які за допомогою модуляції
за даних умов підключаються або розірвано.
Застосовувані лазери: іонний аргоновий лазер (потужність не більше 10 мВт),
инжекционный лазер.
Оптичний цифровий пам'ять
Для стає все більш тісного зв'язку між обробкою даних, тексту і
зображення необхідно застосовувати нові методи запису інформації, до яких
ставляться такі вимоги:
більш висока ємність пристрою, що запам'ятовує;
більш висока ефективність зберігання архівних матеріалів,
найкраще співвідношення між ціною і продуктивністю.
        Це може бути досягнуто за допомогою запису та зчитування цифрового
інформації.
Принцип дії. Інформація (мова, музика, зображення, дані), що містяться в
вигляді електричних сигналів, перетворюється на цифрові величини і виражається тим
самим у вигляді послідовності імпульсів, що записується в різній
формі (у вигляді поглиблень або отворів різної довжини і відстаней між ними
або магнітним способом) на диску пристрою, що запам'ятовує.
При зчитуванні зчитує світло, відбите (розсіяний у зворотному напрямку)
від цих поглиблень (отворів), модулюється і за допомогою фотоприймача
перетворюється у відповідний електричний сигнал.
Лазерно-оптичне зчитування інформації. За допомогою цього способу в приладі,
аналогічному програвача, відтворюється неконтактних способом записана на
диску інформація (діаметр дисків до 30 см), причому застосовуються лазерні диски
тільки для зчитування, наприклад відеодиски, компакт-диски.
Принцип дії. Кодування інформації відбувається шляхом створення
інформаційних мікроуглубленій, що мають різну довжину і різні відстані
між ними. Інформація на диску зберігається, таким чином, в цифровій формі,
записаної по спіралі, яка складається з інформаційних ямок.
Лазерний відеодиск характеризується наступними параметрами:
відстань між двома профілюючими доріжками 1,6 мкм;
ширина поглиблення 0,4 мкм;
максимальна довжина поглиблення 3,3 мкм;
мінімальна довжина поглиблення 0,9 мкм;
максимальна відстань між поглибленнями 3,3 мкм;
мінімальна відстань між поглибленнями 0,9 мкм.
При виготовленні відеодисків нанесений раніше на підкладку зі скла фотолак
експонується за допомогою спеціальної оптичної системи випромінюванням
короткохвильового лазера (Криптонові лазер, l = 0,35 мкм). Після цього слід
багатоступеневий процес прояви, в результаті якого утворюється зразковий
диск, який використовується потім для виготовлення інших дисків шляхом відбитку.
На отримані після відділення від зразкового диска відбитки наноситься дзеркальне
покриття і шар лаку, так що отримані при записі мікроуглубленія не можуть
бути закриті частинками пилу. Пил і подряпини на захисному шарі не заважають,
оскільки вони знаходяться поза площиною фокусування зчитує, оптики (рис.2).
При зчитуванні мікроскопічних маленьких структур використовуються ефекти
дифракції і інтерференції світла. Оптична зчитувальні система для відеодисків
складається з:
He-Ne-лазера (потужність мВт), який випромінює лінійно поляризований світло;
дільника пучка, який поділяє світ на три пучка з співвідношеннями
інтенсивностей 1:3:1 (дифракційна сітка. Працююча на просвіт з мінус
перше, нульовим і плюс перший порядками дифракції);
призми Волластоном (оптична довжина шляху залежить від напрямку поляризації);
пластинки l/4;
зчитує об'єктива, яка переміщується за принципом котушки з рухомим
серцевиною в напрямку оптичної осі (обмежений дифракцією мікрооб'єкт
дуже малої маси);
системи фотоприймачів (квадратних приймачів), а також циліндричної лінзи.
Розсіяний у зворотному напрямку від диска світло лазерного пучка відображається на
квадратному приймачі, промені, використані для спостереження за доріжкою, потрапляють на
приймачі (рис. 3)
Таким чином, стає можливим формування керуючих сигналів для
коректної фокусування зчитують променів на інформаційній доріжці і забезпечення
спостереження за доріжкою.
Оптична голівки, що зчитує для цифрового лазерного програвача. Зворотно
розсіяний від лазерної пластинки світло потрапляє на фотодіоди F1-F4. Виникаючі
при цьому фотоструму комбінуються один з одним таким чином, що стає
можливим отримання як керуючих сигналів для радіальної корекції, так і
керуючого сигналу для установки на різкість зчитує, оптики (рис. 4).
Радіальний керуючий сигнал формується комбінацією струмів фотодіодів (F1 + F2) -
(F3 + F4). Якщо зчитує об'єктив сфокусований на інформаційну площину
диску, то після призм 4 з'являються два різких зображення між фотодіода F1,
F2, а також F3, F4. Якщо фокальна площину зчитує об'єктиву знаходиться за
або перед інформаційної площиною, то зображення стають неявно і
рухаються один до одного або один від одного. Тоді за допомогою комбінації струмів
фотодіодів (F1 + F2) - (F3 + F4) може бути отриманий керуючий сигнал для установки
на різкість голівки, що зчитує.
Одноразова запис інформації. Цей принцип дозволяє здійснити одноразову
запис і багаторазові зчитування інформації. Для цього на нижній стороні дуже
плоскої скляної пластини наноситься шар телуру. Дві круглі скляні
пластини юстіруются щодо один одного таким чином, що шари телуру
захищені зовні скляними пластинами.
На шарах телуру, що знаходяться на внутрішніх сторонах пластин, записується
інформація. Пластини забезпечені спіральної доріжкою (спіральної канавкою глибиною
приблизно l/4), яка служить для юстування зчитує або записуючого променя.
Під час запису одного біта інформації в шарі телуру імпульсно підвищується потужність
напівпровідникового лазера за час 50 нс до 12 мВт, при цьому в шарі виникає
отвір діаметром приблизно 1 мкм. Запис і зчитування здійснюються за допомогою
однакового пристрої, причому при зчитуванні потужність напівпровідникового лазера
зменшується до 1 мВт (рис. 5).
За допомогою таких методів запису і зчитування досягаються ємності запам'ятовуючого
пристрої (діаметр диска 30 см) 1010 біт інформації (передня і задня
сторона); вільно обрані часи доступу становлять 150 мс.
Застосовувані лазери:
He-Ne-лазер;
напівпровідниковий лазер (усе більш часто).
Області застосування:
запам'ятовуючий пристрій для зберігання банку даних з частим доступом;
запам'ятовуючий пристрій для зберігання архівних даних з відстроченим доступом;
зовнішнє додаткове запам'ятовуючий пристрій з вільно вибирається адресацією
в ЕОМ;
відеодиски для навчання;
відеодиски для бібліотек та архівів;
запам'ятовуючі диски для управління і канцелярського справи;
аудіодиски з високоякісним відтворенням звуку.
Оптична цифровий запис інформації у магнітних шарах. В якості носія
інформації використовується тонкий Магнітооптичний шар (перевага: повторна
запис даних).
Принцип дії. Запис інформації відбувається завдяки тому, що маленькі
області магнітного шару нагріваються за допомогою сфокусованого лазерного променя,
причому одночасно накладається магнітне поле, напруженість якого менше,
ніж коерцитивної сила. У нагрітих таким чином при накладеному магнітному полі
областях зникає намагніченість (запис точки Кюрі). Зчитування здійснюється
таким же лазером при зменшеної потужності, причому площину поляризації
відбитого від диска світла в залежності від напрямку намагнічування маленьких
областей повертається на величину 0,5 - 8 град (в залежності від
магнітооптичні шару) (Магнітооптичний ефект Керра).
Оптичне пристрій записуючої і голівки, що зчитує аналогічно системам,
використовуваним в описаних вище пристроях зчитування та запису інформації.
Додатково варто звернути увагу на рис. 6.
Світло, відбите від маленьких перемагніченних областей, є еліптично
поляризованим і за допомогою відповідної фазової пластинки перетвориться в
лінійно поляризований. Лінійно поляризований світ поділяється на дві
складові, які можуть реєструватися окремо. Обидва прийнятих сигналу
подаються на диференційний підсилювач і посилюються. Посилений сигнал прямо
пропорційний поляризаційні ефекти Керра.
Магнітооптична запис дозволяє в даний час мати:
ємність пам'яті пристрою, що запам'ятовує 105 біт/см2;
число циклів (запис, зчитування, стирання) 106;
вільно обрані часи доступу 150 мс;
застосування в якості оперативної пам'яті в ЕОМ.
Оптичний цифровий метод запису вимагає максимальної оптичної і механічної
точності, а також:
гранично малого обмеженого дифракцією зчитує об'єктиву;
зчитує об'єктива (мікрооб'ектіва) дуже малої маси (0,6 г і менше)
радіальних відхилень зчитує об'єктива з точністю ± 1 мкм;
ширини розподілу інтенсивності зчитує плями по половині інтенсивності
приблизно 1 мкм.
Цифрове оптичне запам'ятовуючий пристрій дозволяє робити неруйнуючої
зчитування накопиченої інформації.
Оптична передача інформації
Застосування світла для надіслати повідомлення, відомо давно. Перш за все в першу
половині цього століття були успішно застосовані інфрачервоні пристрої для
передачі інформації в спеціальних системах, однак внаслідок некогерентного
випромінювання і тим самим дуже обмеженою дальності дії (недостатня
спрямованість світлового пучка) і модуляційних здібності подібні системи
передачі не отримали широкого розповсюдження. Лише з розробкою лазера в
розпорядженні фахівців виявився джерело світла з відмінними когерентним
властивостями (велика довжина когерентності), випромінювання якого при великій частоті
n (не більше 1015 Гц) і тим самим великий можливої смузі модуляції і малої
ширині лінії підходить для оптичної передачі інформації.
Розвиток в цій галузі в останні роки відбувалося інтенсивно і призвело до
тому, що в даний час вже існує велике число ліній з лазером в
як джерело світла. Оптичні системи передачі інформації працюють з
несучими частотами 1013 - 1015 Гц, відповідними довжинах хвиль l = 33е0, 33 мкм.
Застосовувана довжина хвилі з цього діапазону для передачі інформації залежить від:
постановки завдання з передачі інформації (необхідна смуга частот модуляції,
відстань, що передає середа);
джерела світла, який є в розпорядженні (в основному напівпровідникові
інжекційні лазери і світлодіоди, в окремих випадках мініатюрні твердотільні
лазери, СО2 лазер);
модуляційних здібності;
системи передачі (через вакуум, повітря, спеціальні гази, скловолокно);
можливості демодуляції.
Принципово система для оптичної передачі інформації складається з шести
компонентів (мал. 7).
При використанні напівпровідникових лазерів в якості джерел світла зовнішній
модулятор може бути виключений (напосредственная модуляція лазера за допомогою
збудливого струму в цьому випадку має перевагу).
Завдання оптичної передачі інформації є передача випромінювання від передавача
до приймача, і тим самим вирішальне значення набуває середу розповсюдження
сигналу. Властивості середовища в основному визначають конструкцію і розміри всієї системи
передачі, включаючи вибір джерела світла і приймача.
Передавальні середовища
Слід розрізняти передачу інформації в наступних середовищах: земній атмосфері,
лінзових світловода, оптичних хвилеводах.
Передача інформації в земній атмосфері.
Відповідні втрати називаються втратами вільного простору. До цих
втрат слід додати втрати при поширенні випромінювання через атмосферу за
рахунок поглинання, розсіяння, рефракції.
Для визначення сумарних втрат на затухання для обраної лінії передач
необхідні великі вимірювання протягом великих проміжків часу при самих
різноманітних атмосферних умовах при використанні джерел світла різних
довжин хвиль (рис. 9)
Оптична передача інформації в земній атмосфері розглядається тільки для
щодо короткі відстані, при цьому повинні допускатися певні
короткочасні збої при передачі інформації: надійність лінії передачі не більше
99%.
Лінзові світлопроводи. Можливість виключення заважає впливу атмосфери на
поширення лазерного пучка полягає в тому, щоб провести світло в
певній атмосфері (газ з малим поглинанням) всередині труби, при цьому
необхідні Лінзові і дзеркальні системи для подфокусіровкі і відхилення
випромінювання.
Як лінз застосовуються скляні або навіть газові лінзи.
Перевага: малі втрати на поглинання і розсіювання.
Недолік: необхідна досить точна юстирування багатьох оптичних елементів, що
важко досягти при коливаннях температури і вібрації для великих проміжків
часу; крометого, прокладка лінзових світловодів з великими довжинами вимагає
більших витрат.
Оптичні хвилеводи. Оптичний хвилевід - це скловолокно, що складається з
серцевини і оболонки, причому серцевина має більш високий показник
заломлення (nK) у порівнянні з показником заломлення оболонки (nM).
Внаслідок повного внутрішнього віддзеркалення світло поширюється в межах
серцевини волокна, при цьому необхідно використовувати скла з малим загасанням і
дисперсією.
В залежності від структури світловода розглядають різні механізми
розповсюдження (рис.10).
1. Багатомодові світлопроводи із ступінчастим профілем показника заломлення. Повний
внутрішнє віддзеркалення має місце, коли випромінювання падає на кордон під кутом
меншим, ніж 2amax (кут введення світлових променів в хвилевід).
2. Одномодові світлопроводи із ступінчастим профілем показника заломлення. Діаметр
серцевини 5-10 мкм зумовлює роз?? остраненіе тільки однієї моди, при цьому
теоретично ширина смуги передачі В> 100 ГГц. Виготовлення вкрай малого
діаметра серцевини потребує дуже великої точності, при цьому виникає проблема
введення випромінювання в оптичне волокно.
3. Багатомодові світлопроводи з градієнтним профілем показника заломлення.
Показник заломлення в області серцевини безупинно зменшується від середини до
краю. Випромінювання за рахунок заломлення хвилеподібно поширюється близько осі
оптичного волокна. Оскільки всі промені мають приблизно однакові часи
розповсюдження, то градієнтні волокна мають дуже велику ширину пропускання.
Суттєвими вимогами до оптичного світловод є необхідність
слабкого затухання і великий ширини смуги пропускання.
Загасання в оптичних волокнах зумовлено поглинанням і розсіюванням, в
Зокрема, на домішки. Додаткові втрати виникають через неоднорідностей в
поперечному перерізі волокна і з-за його кривизни. Саме загасання залежить від
застосовуваного скла для серцевини і оболонки, від різних домішок, а також від
довжини хвилі (рис. 11).
Світлові промені, що розповсюджуються під різними кутами до осі скловолокна
(моди), проходять різні довжини шляхів, що приводить до різних часів
розповсюдження. Різниця в часі розповсюдження призводить за рахунок межмодовой
дисперсії до обмеження ширини смуги пропускання. Для кінцевої ширини спектра
Dl джерел світла дисперсія матеріалу світловода призводить також до
додаткового обмеження ширини смуги передачі (рис. 12).
Внаслідок високої несучої частоти світлового пучка можна використовувати для
модуляції практично дуже високі частоти. Що використовуються для передачі
інформації смугу частот називають шириною смуги частот сигналу, вона може
досягати декілька гігагерц. Тим самим можлива одночасна передача дуже
великого обсягу інформації.
Для досягнення гарних характеристик передачі оптичного хвилеводу
істотними є:
малі зміни геометричних розмірів, а також гарна центровка серцевини;
малі зміни профілю показника заломлення.
Для застосування в оптичних системах передачі інформації світлопроводи повинні бути
виконані у вигляді оптичних кабелів. Існує велика кількість конструкцій
кабелю.
Джерела світла для волоконно-оптичних систем зв'язку
Для оптичної передачі інформації в діапазоні довжин хвиль від 0,4 до 30 мкм в
Як джерела світла застосовують світлодіоди, лазери у всьому діапазоні довжин
хвиль.
Джерела світла для оптичного зв'язку у вільному просторі.
He-Ne-лазер, l = 0,63 мкм - випромінювання лежить у видимому оптичному діапазоні, що
сильно полегшує юстування лінії передачі;
CO2-лазер, l = 10,6 мкм - придатний для більш протяжних ліній передач, оскільки
за допомогою цих лазерів досягаються більш високі вихідні потужності в безперервному
режимі (10-15 Вт).
Недоліками обох лазерів є їх низький ККД, а також їх великі розміри.
Nd-ІАГ-лазер, l = 1,06 мкм, і його друга гармоніка, l = 0,53 мкм - цей лазер
використовується переважно для передачі інформації між наземними станціями і
супутниками.
Джерела світла для оптичного зв'язку по світловодів. Ці джерела повинні
задовольняти таким умовам:
довжина хвилі випромінювання повинна лежати в діапазоні мінімального загасання;
випромінює поверхня повинна відповідати приблизно діаметру світловода для
хорошого узгодження джерела світла і світловода без фокусуючих елементів.
Ці вимоги виконуються за допомогою напівпровідникових елементів. Тому в
Як джерела світла служать:
світлодіоди
напівпровідникові інжекційні лазери, що працюють в безперервному і імпульсному
режимах
З-за малого загасання в світловод на довжині хвилі l-1, 3 мкм і l = 1,55 мкм
розроблені спеціально для цих довжин хвиль лазери на подвійний гетероструктурі
InGaAsP/InP, причому досягається вихідна потужність 15 мВт.
Для протяжних ліній зв'язку як джерела світла використовуються лазери. Вони
мають, щоправда, також деякі суттєві недоліки у порівнянні з
світлодіодами. До них відносяться:
більш сильна залежність від температури частоти випромінювання;
більш низький термін служби;
вища вартість.
Модуляція
Модуляція - це зміна параметрів світлового променя в залежності від
керуючого (модулюючого) сигналу, що несе інформацію, при цьому розрізняють
дві основні форми модуляції: зовнішню і пряму.
При зовнішньої модуляції поляризований світловий промінь проходить поза джерела світла в
модулятор, в якому в такті переданого сигналу змінюється амплітуда або фаза
випромінювання. Модулятор працює, загалом, на основі електрооптичних ефекту.
За прямої модуляції випромінювання модулюється безпосередньо за рахунок порушення
джерела світла, тобто джерело світла сам модульований випромінює світло. Пряма
модуляція може бути реалізована тільки в світлодіодах і інжекційних лазерах,
що досягається шляхом модуляції струму накачування.
Аналогова модуляція має недолік у порівнянні з іншими різними
можливостями імпульсної модуляції, включаючи і КІМ.
Відношення сигнал/шум на приймачі, необхідне для неспотвореного виявлення
сигналу, має бути вищими порівняно з імпульсно-кодовою модуляцією
на 20 дБ.
В оптичних системах передачі інформації особливо вигідні системи з ІКМ.
Приймачі
Виявлення модульованого випромінювання при одночасній демодуляції, тобто
відтворення інформації, що передається, здійснюється за допомогою
оптоелектронних приймачів (детекторів).
Застосовувані фотодетектори повинні мати такі характеристики:
високу чутливість в спектральному діапазоні застосовуваного джерела світла;
високу тимчасовий дозвіл;
малі шуми;
нечутливість до температури;
просту можливість з'єднання з світлопроводом;
великий термін служби;
низьку вартість.
Застосовуються спеціальні фотодіоди, які найбільш повно задовольняють цим
вимогам.
Ретранслятори
Через втрат і дисперсії в світловод виникає ослаблення та спотворення
поширюється імпульсу, так що після певної відстані необхідна
регенерація імпульсу. Ця регенерація здійснюється на ретрансляторів. Завдання
цього пристрою полягає в тому, щоб здійснити посилення, а також формування
(регенерацію) імпульсу.
Принцип дії такого пристрою полягає в тому, що приходить оптичний
сигнал у приймачі перетворюється в електричні імпульси, а потім відбувається їх
посилення, а також формування в електронному підсилювачі. Регенерований і
посилений сигнал служить потім в якості керуючого сигналу в джерелі світла
передавача, який знову передає сигнал за наступною волоконно-оптичної
лінії.
Регенерація імпульсів повинна повторюватися через певну відстань в лінії
передачі. Допустима максимальна відстань між двома ретрансляторами залежить
від параметрів системи, зокрема від швидкості передачі двійкових одиниць
інформації, джерела світла і застосованого типу світловода.
Системи зв'язку
Оптичні системи передачі інформації в даний час використовуються в тих
випадках, коли має бути використано перевагу великої ширини смуги
носій даних, можуть бути реалізовані великі лінії зв'язку.
Волоконно-оптичні системи передачі інформації поділяють на системи передачі
ближньої дії, системи передачі далекої дії, системи передачі середнього
дії.
У системах передачі інформації ближньої дії довжини каналів передачі,
передбачених переважно для промислового застосування, сягають від
кількох метрів до кількох сотень метрів. Області застосування - управління з
допомогою обчислювальної машини, зв'язок з ЕОМ та використання в системах
автоматики.
Системи передачі середнього дії мають довжини ліній передач до декількох
кілометрів. Типовими областями застосування є передача даних,
відеосигналу, наприклад кабельне телебачення.
Система передачі дальньої дії служить для перекриття великих відстаней.