В память моих предков и замечательных родителей: отца – инженера, побудившего во мне интерес к науке, технике и матери – врачу, поддержавшей мои устремления.
От автора.
Уважаемые читатели! Это издание является специализированным (область – цифровая оптоэлектроника), базируется на четырех частях адаптированных материалов исследований (проведенных им в 2000—2006 гг. вместе с его коллегами) и диссертации автора>1. В первую очередь вся работа адресована экспертам, специалистам, разработчикам в области цифровой микрооптоэлектроники УВЧ диапазона для ознакомления с ее положениями, подходами, методиками и полученными промежуточными результатами. Возможно она заинтересует исследователей, разработчиков, конструкторов и технологов, работающих с «железом» (hard) в перспективной ее области — создания оптоэлектронных логических элементов (ОЛЭ) и переключателей на основе микромощных оптронов УВЧ/СВЧ диапазонов, интегральных схем (ИС) с оптическими связями на их основе, которые, по мнению автора, станут альтернативой в ХХІ столетии электронным цифровым ИС. Она может быть полезной студентам, магистрантам, соискателям и аспирантам технических ВУЗов технических специальностей, интересующихся способами, подходами при создании микромощных оптоэлектронных цифровых и аналоговых микроустройств. Автор признает, что часть исходных данных, инструментарий и методики исследования могли устареть и/или измениться за прошедшее время, однако наблюдаемые им тенденции (trends) остались прежними: подтверждением этого м. б., например, концепт «Optoelectronic on board», etc.; он также будет признателен экспертам, специалистам и разработчикам, кто выскажет конструктивные замечания и/или предложения, уточняющие, дополняющие и раскрывающие потенциал указанного направления развития цифровых и аналоговых ИС.
Аннотация (раздел 1). Электронные и оптоэлектронные устройства для ИС, их характеристики: обзор преимуществ и недостатков.
Показано, что параметры направляющих сред и логических элементов цифровых электронных ИС приближаются к определенному пределу. Имеются существенные преимущества оптических и оптоэлектронных устройств в областях передачи, приема, преобразования потоков информации, др., в т. ч. в ИС, цифровых устройствах телекоммуникации, компьютерных системах (КС), т. д., основанные на использовании электронейтральных фотонов и диэлектрических направляющих сред и/или оптических волноводов.
Анализ оптоэлектронных модуляторов, переключательных устройств, схем ОЛЭ с источником оптического излучения, указывает, что наиболее приемлемым решением является использование твердотельных излучателей. Среди них выделяются светодиоды (СД) – некогерентные излучатели на основе GaAs, GaIn, др. с приемлемым набором качеств, параметров и отличающиеся малым потреблением мощности, достаточным быстродействием и коэффициентом преобразования электрического тока в излучение, длительным временем функционирования и производимые по современным технологиям. Оценка фотоприемников (ФП) ОВЧ, УВЧ диапазонов и их параметров показала, что полупроводниковые структуры (ППС) с раздельным фотопреобразованием и усилением обеспечивают приемлемое быстродействие на рабочей частоте. Анализ входной оптоэлектронной логики схем (типа квазиимпульснопотенциальной – КИПТ) показывает, что при выборе из двух логических базисов (nИЛИ-НЕ, nИ-НЕ) преимуществами обладает первый из них по причине постоянства напряжения питания ФП и повторяемости схемной реализации логических входов ОЛЭ nИЛИ-НЕ (при увеличении входных переменных c одного до n).
>1 Проскурін М. П. Мікропотужні оптоелектронні логічні елементи цифрових інтегральних схем на твердотільних світловипромінюючих і фотоелектричних пристроях. Автореферат на здобуття наукового ступеня к.т.н: спец. 05.27.01 «Твердотільна електроніка» / М.П.Проскурін, Одеса, ОНПУ, 2007—20с.
АЧХ – амплитудно- частотная характеристика
Б – база
БМ – библиотека моделей
ВАХ – вольтамперная характеристика
ВОК – волоконно-оптический канал
ВОЛС – волоконные оптические линии связи
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).
