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 уравненийтеория электрических цепеймоделирование и версификации электронных схеманализ 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.
