книги / Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность

Возможности миниатюризации электроники ограничены тремя фундаментальными законами. Первый из них ограничивает минимально возможное напряжение в транзисторе 0,1 В, ниже которого наступает нестабильная работа, вызванная тепловыми шумами.

Второй фундаментальный предел по энергии электронной ячейки может быть получен из квантовой механики, из гейзенберговского соотношения неопределенности, который может интерпретироваться следующим образом: физическое изменение энергии квантовой системы связано со временем переключения ∆t следующим неравенством:

где ħ = 1,055·10–34 Дж·с – постоянная Планка. Соответственно, для мощности переключения можно записать:

Третий фундаментальный предел связан со скоростью распространения электрического импульса по микрочипу, которая не может быть больше скорости света в вакууме. Отсюда следует ограничение на предельную тактовую частоту микропроцессора размером 1× 1 см2, которое составляет около22 ГГц.

Ограничивает тактовую частоту и электрическая емкость системы, возрастающая с увеличением числа элементов на микросхеме.

Увеличение тактовой частоты возможно при размещении на чипе нескольких синхронизированных тактовых генераторов, но это приводит к усложнению архитектуры микропроцессора. Современный процессор Pentium IV, содержащий 55 млн транзисторов, работает с тактовой частотой 3 ГГц при потребляемой мощности около 100 Вт.

351

Потребляемая и соответственно выделяемая процессом энергия определяется не только активными потерями, связанными с информационным представлением, но также и с различными пассивными потерями в электронных схемах. К таким паразитным эффектам относится диссипация энергии на сопротивлениях переключателей и соединений из-за утечки тока.

Физические механизмы, обуславливающие эти утечки тока, определяются туннельным эффектом, термоэлектрической эмиссией, генерацией носителей в области пространственного заряда и другими физическими эффектами.

Уменьшение характерного размера микросхем приводит только к увеличению пассивных потерь, причем их рост происходит быстрее активных, что наглядно представлено на рис. 12.16. Энергия активных и пассивных потерь полностью диссипируется в электронных логических ячейках и порождает проблемы теплоотвода.

Рис. 12.16. Рост потерь мощности в полупроводниковых процессорах

Таким образом, основные ограничения электронной информационной технологии сводятся к следующим. С ростом чис-

352

ла элементов на микросхеме увеличивается электрическая емкость системы, препятствующая увеличению тактовой частоты; растет число межсоединений и, соответственно, увеличивается

время задержки прохода сигнала между макроструктурами про-

цессора; возрастают активные и пассивные потери, что приводит к нагреву системы и проблеме отвода тепла.

12.7. Оптические системы обработки информации

В основе оптических методов обработки информации лежат явления преобразования пространственно-модулированных оптических сигналов в оптических устройствах и системах на принципах как геометрической, так и волновой оптики. Оптическая обработка информации осуществляется в оптическом процессоре – аналоговом либо оптоэлектронном устройстве, определенным образом изменяющем амплитуду и фазу простран- ственно-модулированного оптического сигнала, содержащего информацию об объекте. Системы оптической обработки информации являются составной частью оптического компьютера.

Волновая и корпускулярная природа света обуславливает многочисленные преимущества оптических систем для задач передачи, хранения и обработки информации:

– частота оптического излучения составляет 1012…10 16 Гц, что позволяет создать 104 информационных каналов со спектральной шириной 100 ГГц;

–передача информации происходит действительно со скоростью света с = 3·1010 см/с;

–большое число световых пучков могут свободно проходить по одной и той же области пространства, пересекаться и не влиять друг на друга;

–использование двумерного (изображения) и трехмерного (голограммы) характера световых полей;

–параллельная передача и обработка информации c одновременной работой на различных длинах волн;

353

–когерентная обработка оптической информации с использованием фазовых соотношений;

–два состояния поляризации (горизонтальная и вертикальная или круговая, по левому или правому кругу) увеличивают вдвое объем переносимой информации;

–оптическая система ничего не излучает во внешнюю среду, обеспечивая защиту от перехвата информации, и нечувствительна

кэлектромагнитным помехам.

Модуляция света

Модуляция света включает в себя управление параметрами световых потоков: амплитудой, частотой, фазой, поляризацией.

Простейшим амплитудным модулятором света является механическая заслонка, однако быстодействие и надежность ее невелики. В основе действия современных пространственно-временных модуляторов света лежат различные температурные, электрооптические, магнитооптические, акустооптические и другие эффекты – явления Поккельса, Керра, Фарадея, дифракция Брэггов и др. Модуляция светового потока осуществляется внешним электрическим сигналом. Одни оптические модуляторы изменяют яркость света на выходе, другие – направление распространения излучения. В первом случае оптические модуляторы применяются в сверхбыстродействующей оптической связи (несколько Гбит/с и выше) для модуляции излучения полупроводниковых лазеров. Во втором случае модуляторы используются в лазерных печатающих устройствах и устройствах лазерного сканирования.

В качестве примера рассмотрим фазовую модуляцию света на основе эффекта Поккельса. В этом эффекте используется зависимость показателя преломления несимметричного кристалла n от величины внешнего электрического поля E:

354

где n0 – показатель преломления кристалла в отсутствие внешнего поля; r – электрооптический коэффициент, зависящий от свойств и ориентации кристалла, направления поля Е и поляризации проходящего света.

Световой пучок, прошедший путь l в кристалле, помещенном в электрическое поле, приобретает фазовый сдвиг:

приобретенный светом при прохождении кристалла в отсутствие поля. Наличие фазового сдвига, вызванного внешним полем, и означает фазовую модуляцию света. Инерционность этого эффекта мала и позволяет изменять фазу света за время ~10–12 с.

На рис. 12.17 показан один из распространенных вариантов модулятора света, называемый модифицированным интерферометром Маха– Цендера, изготовленный в пленочном исполнении из ниобата лития (LiNbO3). На поверхности этого материала методом диффузии титана создают необходимую световую конфигурацию. Между световодами напыляют электроды. В структуре сформировано два разделенных световода, показатель преломления которых меняется при изменении направления приложенного электрического поля на обратное. В результате появляются соответствующий сдвиг фаз иинтерференция световых пучков. Чтобы

Рис. 12.17. Оптический модулятор интерференционного типа с электрооптическим кристаллом

355

световод был одномодовым, его ширина не должна превышать несколько мкм. При подаваемом переменном полуволновом напряжении 0,3 В этот модулятор обеспечивает высокую частоту модуляции порядка 18 ГГц.

Оптические устройства хранения информации

По аналогии с обычной письменностью первые устройства хранения информации использовали бумажные или картонные носители – так называемые перфокартыи перфоленты(рис. 12.18).

Рис. 12.18. Эволюция устройств записи информации

Первым цифровым носителем информации стал магнит-

ный дисковый накопитель (IBM RAMAC, 1956 г.), являвшийся компромиссным решением между магнитной лентой и граммофонной пластинкой.

Основным конкурентом устройств магнитной записи на рынке являются оптические диски. В 1982 году фирмы Sony и Philips завершили работу над форматом CD-аудио (Compact Disk),

открыв тем самым эру цифровых носителей накомпакт-дисках.

356

Чтение и запись информации в этом случае осуществляется лазером с длиной волны от 780 нм для CD и 650 нм для DVD до 405 нм для новых дисков DVD BR (от англ. blue ray – голубой луч). Максимальный объем информации для оптических дисков составляет от 720 Мбайт (CD) до 17 Гбайт (DVD), а также 100 Гбайт для blue-ray.

В 1988 году компания Intel разработала еще один способ хранения данных на основе микросхем Flash-памяти, запоминающая ячейка которой представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим и плавающим, способным удерживать электроны, то есть заряд. Низкий заряд на плавающем затворе соответствует логической единице, а высокий – нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. При стирании с флэшки какого-либо файла на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

Наконец, совсем недавно создатель сканирующего туннельного микроскопа и сотрудник исследовательского института IBM, нобелевский лауреат Герд Бинниг предложил вернуться к механическому принципу хранения информации, разработав технологию Millipede (англ. «многоножка») (рис. 12.19). Биннинг обратил внимание на возможность формирования наноразмерных «ямок» с помощью наноиндентации поверхности полимера зондом атомно-силового микроскопа. Наличие или отсутствие такой «ямки» в определенной точке поверхности можно трактовать, как единичное значение бита памяти. Для ускорения работы устройства наноиндентация (запись) и сканирование поверхности полимера (считывание) может производиться не одним кантилевером,

ацелой матрицей зондов.

Вмарте 2005 года на выставке в Ганновере IBM представила работающий чип с плотностью хранения информации 153 Гбайт на площади в квадратный дюйм (1 дюйм = 2,54 см). Следующие поколения устройств Millipede, как обещают иссле-

357

дователи IBM, будут иметь в 100 раз большую емкость, что позволит хранить огромное количество информации на крошечных чипах. По прогнозам IBM, это новое устройство хранения данных должно вытеснить с рынка чипы flash-памяти.

Рис. 12.19. Изображение устройства записи Millipede (чтение информации производится «ощупыванием» поверхности большим набором зондов)

Японская компания TDK разработала технологию, которая позволяет уместить на болванке до 200 гигабайт данных. Израильская компания Mempile разработала технологию TeraDisc, которая позволяет записать на диск, изготовленный из полимера, сходного сплексигласом, до 5 терабайта данных.

Оптические устройства хранения информации (оптическая память) потенциально обладают весьма высокой информационной емкостью или объемной плотностью записи информации благодаря малым размерам элементарной ячейки записи информации, исчисляемым в единицах – долях длины световой волны. Электронная информация в двоичном коде фиксируется на физическом носителе (оптическом диске) вдоль спиральной траектории записи в виде элементарных ячеек – областей высо-

358

кого либо низкого коэффициентов отражения света – размерами около 0,5× 3 мкм. Период спирали 1,6 мкм, скорость вращения диска до 2000 об/мин, типичный диаметр диска 120 мм. Запись информации производится экспонированием специального материала – фоторезиста. Для считывания информации обычно используются полупроводниковые излучатели инфракрасного диапазона 0,8–0,9 мкм.

На рис. 12.20 представлен общий вид видеодиска, а на рис. 12.21 – структура и организация записывающей поверхности. Однако расстояние между записывающими дорожками составляет всего 1,6 мкм. Дорожки на поверхности расположены по спирали, раскручивающейся изнутри наружу.

Рис. 12.20. Схема записи на видеодиск

На этом практически исчерпываются все возможности повышения плотности записи информации в однослойном и многослойном рельефно-фазовом виде.

Дальнейший прогресс в разработке дисковых систем оптической памяти разработчики связывают с использованием метода оптической голографии, позволяющего использовать не только

359

поверхность, но и весь объем диска. Голография (от греч. hólos – весь, полный и gráphō – пишу) – метод получения объемного изображения объекта путем регистрации и последующего восстановления волновых полей, изобретенный английским физиком венгерского происхождения Д. Габором в 1948 году. Этот метод открывает новые возможности при аналоговой обработке и хранении информации.

Рис. 12.21. Увеличенное изображение записывающей поверхности видеодиска

На рис. 12.22 изображен принцип записи информации при помощи средств голографии. Источником света служит лазер. Лазерный луч расщепляется на опорный и предметный лучи, которые используются для освещения объекта. На голограмме получается сложная комбинация световых волн в результате интерференции световых потоков. Полученное изображение на голографической пластинке внешне совершенно не похоже на объект записи. Для воспроизведения исходного объекта, или, как говорится, для регенерации основного объекта, пластинку с голограммой нужно осветить опорным лучом, полученным от лазерного источника.

360