Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Модифікація технологічного процесу виготовлення оптоелектронних інтегральних схем
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2013
Тип роботи:
Дипломна робота
Предмет:
Елементи дискретних пристроїв автоматики
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Національний університет «Львівська політехніка»
кафедра______________________________
ДИПЛОМНА РОБОТА
Індивідуальна тема:
«Модифікація технологічного процесу виготовлення
оптоелектронних інтегральних схем»
Львів 2013 Міністерство освіти і науки України
Національний університет «Львівська політехніка»
ДИПЛОМНА РОБОТА
Пояснювальна записка
Тема
Студента (ки)
Група Напрям підготовки Спеціальність
Студент
ініціали, прізвище
Керівник
курсової роботи
ініціали, прізвище
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Національний університет «Львівська політехніка»
ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ
на дипломну роботу
Тема
Студенту
Спеціальність
Тема запропонована
Львів
2013
Вихідні дані для курсової роботи
Зміст пояснювальної записки
Висновки
Список літератури
Дата видачі завдання
Дата завершення роботи
Керівник
Голова комісії
“___”__________2013 р.
Анотація
Дипломна робота складається з 61 стор.тексту, 4 розділів, 8 рис., списку використаної літератури з 71 джерел.
Мета дипломної роботи – дослідження модифікації технологічного процесу виготовлення оптоелектронних інтегральних схем та огляд їх розвитку та структури у сучасності.
Об’єкт дослідження – роботи людей, котрі вивчали дане запитання, огляд їхніх праць та внесків. Розгляд розвитку даного запитання на українських теренах.
Предмет дослідження матеріали, розвиток, та дослідження оптоволоконних технологій.
Методи дослідження – аналіз розвитку та історії оптоволоконних технологій.
В першому розділі роботи «Загальна частина» основи визначення поняття, постановка задачі, теоретичні відомості.
В другому розділі роботи «Огляд питання» по використанню даної технології та перспективному погляді вперед.
Annotation
Thesis consists of 61 stor.tekstu, sections 4, 8 Fig., List of references from 71 sources.
The aim of the thesis - a study modifications of the process fabrication of optoelectronic integrated circuits and review their development and structure in the present.
Object of study - of people who have studied this question, a review of their works and contributions. Consideration of this question on the Ukrainian territory.
Purpose of the study material development and research of optical technology.
Methods - Analysis and history of fiber optic technology.
In the first section of the "General Provisions" base definition, problem statement, theoretical information.
In the second chapter of the "Review Questions" on the use of technology and forward looking perspective.
Зміст
Вступ
1 Загальна частина
1.1 Постановка задачі
1.2 Теоретичні відомості
1.3 Огляд сфери
1.3.1. Оптичні процесори від А до Я
1.3.2. Огляд з історії
1.3.3. Перші оптичні комп'ютери
1.3.4. Оптика проти кремнію
2 Огляд питання
2.1. Оптичні процесори
2.1.1. Аналогові оптичні обчислення і процесори
2.1.2. Оптичний процесор Enlight256
2.1.3. Цифрові оптичні процесори
2.1.4. Оптичні процесори нечіткої логіки.
2.2. Матеріали для оптичних процесорів.
2.2.1. Квантові точки та інші наночастинки.
2.2.2. Метаматеріали.
2.3. Робота над удосконаленням на українських теренах
2.3.1. Суть роботи
2.3.2. Теоретичні основи для підвищення інформаційної ефективності ОЕІП
2.3.3. Апробація результатів дослідження
Висновки
Список літератури
Вступ
Приходить час, коли електронні технології, використовувані для створення кремнієвих процесорів, наближаються до теоретичної межі своїх можливостей. Ці фундаментальні обмеження визначаються насамперед квантово-механічними ефектами при зменшенні розмірів транзистора до 10 нм, зростанням потужності, що розсіюється, пов'язаним з усе більш швидким перемиканням напівпровідникових вентилів, а також фізичними межами швидкості поширення електричного сигналу по чіпу. Однак розвиток науки і техніки йде шляхом швидкого і постійно зростаючого зростання потоку інформації, що підлягає переробці і використанню, і рішення даної проблеми багатьом дослідникам бачиться в залученні оптичних технологій.
Ідея використання світла (фотонів) в принципових вузлах обчислювальних машин з'явилася одночасно з винаходом лазерів - оптичних квантових генераторів - і вже кілька десятиліть дослідники і конструктори успішно створюють окремі вузли електронно-обчислювальних систем з використанням оптичних технологій. Фотони, які є основними носіями інформації в оптичному комп'ютері, за своїми фізичними характеристиками принципово відрізняються від електронів. Польова природа світла обумовлює численні переваги оптичних технологій для задач передачі, запису, обробки і зберігання інформації:
• частота оптичного випромінювання становить 1012 ... 1016 Гц, що дозволяє створити до 105 інформаційних каналів з спектральної шириною 100 ГГц;
• передача інформації фотонами відбувається дійсно зі швидкістю світла С0 = 3 ∙ 1010 см / с, у той час як швидкість поширення електричного імпульсу по чіпу визначається часом перезарядки ланцюга і реально становить величину в 20-30 разів менше с0;
• велика кількість світлових пучків можуть вільно проходити по одній і тій же області простору, перетинатися і через відсутність у фотонів електричного заряду не впливати один на одного;
• використання двовимірного (зображення) і тривимірного (голограми) характеру світлових полів дозволяє значно збільшити щільність і швидкість передачі інформації;
• можлива когерентна обробка інформації з використанням фазових співвідношень;
• два стани поляризації (горизонтальна і вертикальна або кругова, по лівому або правому колу) збільшують удвічі обсяг переносимої інформації;
• оптична система практично не випромінює в зовнішнє середовище, забезпечуючи захист від перехоплення інформації і нечутлива до електромагнітних перешкод.
У сучасному електронному комп'ютері можна відзначити наступні оптичні вузли та елементи: пристрої введення інформації - оптичний сканер, оптична миша; пристрої обміну інформацією - інфрачервоний порт, оптоволокно; пристрої виведення інформації - лазерний принтер, дисплей, голографічний (об'ємний) дисплей; пристрої пам'яті - довготривала пам'ять на перезаписуваних оптичних дисках, магнітооптичні диски, голографічні диски. У 2003 р. з'явився комерційний оптичний процесор - Enlight 256, призначений для збільшення обчислювальної потужності електронних процесорів. Компанія Intel в 2004 р. анонсувала програму Silicon Photonics орієнтовану на створення оптичних вузлів, вбудованих в процесор, - лазерів, модуляторів, мультиплексорів і демультіплексорів з використанням інтегральної кремнієвої технології.
Таким чином, йде поступовий перехід від електронних технологій до оптичних в системах обробки інформації, і даний огляд присвячений досягненням, новим ідеям і проблемам, пов'язаним із створенням повністю оптичного процесора, у якому світло управляв би світлом, а інформацію переносив би фотон замість електрона.
У першій частині будуть розглянуті основи аналогових оптичних обчислень, аналогові оптичні процесори і цифрові оптичні процесори, а також оптичні процесори нечіткої логіки; в другій частині будуть розглянуті перспективні матеріали і технології для створення елементної бази майбутніх оптичних комп'ютерів.
Оптоелектронні iнформацiйні пристрої (ОЕIП) призначені для перетворення зображень, поданих за допомогою аналогових або бінарних двомірних оптичних сигналів, в цифрові електричні сигнали і для їх попереднього опрацювання у комп’ютерних інформаційно-вимірювальних системах (КІВС). При науково-технічних дослідженнях ОЕІП розглядають, як багатофункціональні програмовані системні перетворювачі інформації, які залежно від призначення та використання для розв'язування кожної задачі дозволяють розподіляти етапи алгоритмів перетворення і опрацювання зображень між оптичними, оптоелектронними, аналоговими електронними, аналого-цифровими і цифровими обчислювальними електронними блоками. Традиційно проблеми підвищення точності та швидкодії вказаних функціональних блоків ОЕІП вирішувалися і частково вирішуються тепер за рахунок застосування більш досконалої елементної бази. Проте за умов, коли можливості електронної технології на певному етапі вичерпані, виникає необхідність удосконалення принципів побудови і методів використання ОЕІП, визначення оптимальних параметрів і характеристик первинних оптоелектронних перетворювачів (ПОЕП) таких пристроїв для кожного конкретного завдання (галузі застосування) з метою спрощення вимог до аналого-цифрових і до цифрових електронних блоків ОЕІП. Відомо що, унiверсальнi ПОЕП для перетворення зображень на основі пристроїв із зарядовим зв’язком (ПЗЗ) і на основі матриць: комплементарні структури – метал – оксид – напівпровідник (КМОП) i унiверсальнi комп’ютери не забезпечують перетворення і попереднього опрацювання зображень в реальному часі, а також потрібної продуктивності і достовірності опрацювання інформації в комп’ютерних інформаційно-вимірювальних системах (КІВС). Великий внесок у формування наукових основ створення ПОЕП для опрацювання зображень однозначно з їх введенням/виведенням зробили дослідження, проведені у Вінницькому національному технічному університеті під керівництвом професора В.П.Кожем’яко. Огляд і аналіз результатів проведених у цьому напрямку досліджень показав, що успіхи досліджень нерозривно пов'язанi з вирішенням задачі підвищення пропускної здатності ПОЕП. Тому велике значення має апаратна реалiзацiя основних функцій попереднього опрацювання зображень одночасно з їх перетворенням в ПОЕП нових типів, які можуть виконувати окрім зчитування просторового або часового розподілу інтенсивності або фази оптичного випромінювання ще і функції, що застосовуються при попередньому опрацюванні оптичних зображень. Коли на вході ОЕІП є вхідний оптичний сигнал, в якому тільки частина елементів зображення містить корисну iнформацiю, тоді виникає необхiднiсть попереднього опрацювання такого сигналу з метою виділення корисної iнформацiї i узгодження інформаційної ефективності блоків ОЕІП. Тому в даній роботі показана можливість виконання операцій, котрі використовуються в алгоритмах опрацювання зображень, за допомогою розроблених i досліджених ПОЕП на основі інтегральних МНОН-n-p структур i здійснена оцінка їх iнформацiйних параметрів - пропускної здатності i ефективної продуктивності.
Отже робота іде і дуже активно. Дослідження та розвиток ведеться у цілому світі і, навіть, в Україні.
Загальна частина
Оптоелектрóніка — розділ фізики та техніки, пов'язаний з перетворенням світлового випромінювання в електричний струм і навпаки.
Прилади оптоелектроніки:
Для перетворення світла в електричний струм — фотоопори (фоторезистори), фотодіоди (p-n, лавинний), фототранзистори, фототиристори, піроелектричні приймачі, прилади із зарядним зв'язком (ПЗЗ), фотоелектронні помножувачі (ФЕП).
Для перетворення струму в світлове випромінювання — різного роду лампи розжарювання, індикатори електролюмінесцентні, напівпровідникові світлодіоди і лазери (газові, твердотільні, напівпровідникові).
Для ізоляції електричних кіл (послідовного перетворення «струм-світло-струм») служать окремі пристрої оптоелектроніки — оптопари — резисторні, діодні, транзисторні, тиристорні, оптопари на одноперехідних фототранзисторах і оптопари з відкритим оптичним каналом.
Для застосування в різних електронних пристроях служать оптоелектронні інтегральні схеми — інтегральні мікросхеми, в яких здійснюється оптичний зв'язок між окремими вузлами або компонентами з метою ізоляції їх один від одного (гальванічної розв'язки).
Справа в тому, що в багатьох випадках виявляється необхідним або зручним вводити в лінії зв'язку ділянки, на яких передача інформації здійснювалася б не у вигляді електричних, а у вигляді оптичних (світлових) сигналів. Так, наприклад, при роботі з радіоелектронними вимірювальними приладами або з електронно-обчислювальними машинами, інформація, яку зчитує оператор, для зручності звичайно виводиться у вигляді світлових сигналів – світіння сигнальних ламп, світлових табло, цифрових індикаторів, дисплеїв тощо.
І навпаки, при роботі із світловими сигналами часто на певному етапі виникає необхідність перетворення їх в електричні. Подібні задачі виникають у багатьох фізичних експериментах, в системах автоматики і контролю, коли первинну світлову інформацію потрібно ввести для обробки в радіоелектронні пристрої. Основними елементами таких змішаних оптико-електронних систем є пристрої для перетворення сигналів одного виду в інший. Прилади, які перетворюють світлові сигнали в електричні називаються фотоприймачами, а ті, що виконують обернене перетворення – випромінювачами світла. При цьому, як правило, під оптоелектронними приладами розуміють малогабаритні напівпровідникові прилади, а під світлом – електромагнітне випромінювання ультрафіолетового, видимого та інфрачервоного діапазонів в межах довжин хвиль від 0,2 до 50 мкм. Оптронами називають оптоелектронні прилади, в яких є джерело і приймач випромінювання, що конструктивно пов'язані один з одним . Принцип дії оптронів: у випромінювачі енергія електричного сигналу перетворюється в світлову, у фотоприймачі, навпаки, світловий сигнал викликає електричний відгук. Таким чином в електронному колі такий прилад виконує функцію елементу зв'язку, в якому в той же час здійснена електрична (гальванічна) розв'язка входу і виходу. Практично поширення набули лише оптрони, у яких є прямий оптичний зв'язок від випромінювача до фотоприймача і, як правило, виключені всі види електричного зв'язку між цими елементами. За ступенем складності структурної схеми серед виробів оптронной техніки виділяють дві групи приладів. Оптопара (говорять також “елементарний оптрон”) є оптоелектронним напівпровідниковим приладом, що складається з випромінюючого і фотоприймального елементів, між якими є оптичний зв'язок, що забезпечує електричну ізоляцію між входом і виходом. Оптоелектронна інтегральна мікросхема є мікросхемою, що складається з однієї або декількох оптопар і електрично сполучених з ними одного або декількох пристроїв, що погоджують або підсилювальних. При класифікації виробів оптронної техніки враховується два моменти: тип фотоприймального пристрою і конструктивні особливості приладу в цілому. Три основні групи виробів оптронної техніки: оптопари (елементарні оптрони), оптоелектронні (оптронні) інтегральні мікросхеми і спеціальні види оптронів. Для найпоширеніших оптопар використовуються такі скорочення: Д - діодна, Т - транзисторна, R - резистор, У - тиристор, Т2 - з складеним фототранзистором, ДТ - діодно-транзисторна, 2Д (2Т) - діодна (транзисторна) диференціальна.
Постановка задачі
За головну задачу в даній дипломній роботі взято дослідження роботи над модифікацією технологічного процесу виготовлення оптоелектронних інтегральних схем та дослідження данної галузі у цілому.
Розглянуті роботи людей, котрі провели детальне дослідження та зробили свій внесок у данну галузь: П.А. Бєлов, В.Г. Беспалов, В.Н. Васильїв, С.А. Козлов, А.В. Павлів, К.Р. Симовский, Ю.А. Шполянський, І.C. Литвин.
Огляд сфери
Оптичні процесори від А до Я
Рано чи пізно кремнієва технологія, використовувана сьогодні для створення процесорів, вичерпає себе, і вже зараз їй підшукують заміну з біокомп'ютерів і квантових обчислень, а поряд з ними - з оптичних комп'ютерів, про які й піде мова в цій статті.
Огляд з історії
Роботи зі створення оптичного процесора почалися ще в далеких 80-х роках, і не тому що вже тоді потрібна була більш досконала, ніж кремнієва, технологія, а заради задоволення простого інтересу людства: чому б не створити альтернативний тип процесора? Однак створення процесорів оптичного такого типу випередили кілька серйозних розробок в області оптичних квантових генераторів, по-нашому - лазерів.
У 1964 році А. Прохоров, Н. Басов і Ч. Таунс отримали Нобелівську премію за роботу, яка здійснила справжню революцію у квантовій електроніці. Завдяки цьому великому праці стало можливим створення квантових генераторів і підсилювачів. А в 1971 році Денеш Габор отримав "нобелевку" за винахід голографічного методу, який зараз застосовується в картографії, медицині, для діагностики збоїв в різних пристроях та ін
А тепер повернемося до тих 80-му, з яких все і починалося. Дослідники по оптичній електроніці почали працювати над створенням процесора нового покоління. Оптичний процесор повинен був використовувати спеціальні елементи, в яких світло управляв би світлом. Логічні операції представлені як взаємодії речовини зі світлом. У 1990 році фірма Bell створила макет оптичного пристрою і продемонструвала виконання логічних і арифметичних операцій з дуже високою швидкодією. А в 2003 році компанія Lenslet (www.lenslet.com) створила перший в світі оптичний процесор, причому це була не демонстраційна модель, як створена в 1990 році, а комерційний продукт, який можна було купити. Процесор називався EnLight256, його продуктивність становила 8 тераоп (трильйонів арифметичних операцій в секунду)! Операції виконувалися за рахунок маніпуляції потоків світла, а не електронів, тому була досягнута така продуктивність. У тебе може виникнути цілком справедливе питання: навіщо нам така продуктивність? Так, звичайному користувачеві вона не потрібна, але справедливості заради треба відзначити, що оптичні процесори поки і не орієнтовані на звичайного користувача, який хоче, щоб його XP працювала спритніше, ніж у сусіда. Оптичні технологію в першу чергу орієнтовані (принаймні зараз) на промислове виробництво, військову техніку, тобто на ті області, в яких потрібно в реальному часі обробляти великі потоки інформації і зволікання в кілька сотих секунд може закінчитися непоправними наслідками.
Оптика проти кремнію
Переваги оптичної технології:
можливість використовувати зовсім різні середовища передачі, зберігання і обробки інформації;
можливість обробки інформації під час її передачі через оптичну систему, яка реалізує обчислювальну середовище;
можливість передавати інформацію, яка закодована оптичним променем, практично без втрат енергії;
відсутність імовірності перехоплення інформації (по оптичній технології в навколишнє середовище ніщо не випромінюється).
Перші оптичні комп'ютери
Як вже зазначалося, в 1990 році компанія Bell (Bell Labs) створила макет першого оптичного комп'ютера. В основі процесора були покладені двомірні матриці бістабільних напівпровідникових елементів зі множинами квантових ям. Ці елементи володіли електрооптичні властивості (в англомовній літературі ти можеш зустріти абревіатуру SEED - self-electro-optic-effect devices). Освітлення елементів вироблялося напівпровідниковим лазером через голографічну решітку Дамм. Потужність випромінювання лазера склала 10 мВт, довжина хвилі - 850 нм. Світло проходив через один діод, в ланцюзі виникав струм, що в свою чергу призводило до падіння напруги на структурі решітки і до підвищення пропускання світла через другу структуру. Так виникала зворотній зв'язок і сукупність елементів утворювала логічні комірки АБО-І, АБО-НЕ і т.д.
Перший оптичний комп'ютер займав один квадратний метр і складався з чотирьох каскадів. На виході кожного каскаду визначалося просторовий розподіл випромінювання станом входить до складу каскаду жидкокристаллической маски, яка керувалася звичайним комп'ютером. У другому поколінні оптичних комп'ютерів використовувалася векторно-матрична логіка. Друге покоління було представлено комп'ютером DOC-II (digital optical computer).
Потік даних у комп'ютері DOC-II випромінювали 64 модульованих лазерних діода, довжина хвилі кожного становила 837 нм. Світло від кожного діода відображався на одну сходинку матричного просторового модулятора, загальний розмір якого становив 64 128 елементів. Окремий елемент матриці - це не що інше, як бреггівського оптична комірка (на основі GaP). Світло, що виходить з модулятора, потрапляє на цілий ряд фотодіодів (128 штук). У секунду комп'ютер може зробити 0,8192 перемикання, при цьому на одне перемикання витрачається 7,15 фДж, або близько 3000 фотонів.
Спробую як-небудь проілюструвати ці значення. Уяви, що потрібно знайти якесь слово тексті. Я провів невеликий експеримент. Тестова система Duron 1,6 / 256 MB / Win XP SP1, запущено більше 50-ти процесів. Взяв документ Win Word на 954 сторінки, написав заповітне слово на 953 сторінці (таке слово було тільки одне в документі). Запустив пошук цього слова і одночасно натиснув кнопку "Старт" на своєму секундомірі. Пошук зайняв трохи більше трьох секунд (а саме 3,175). Тут навіть не принципово, дві або три секунди було витрачено, оскільки оптичний комп'ютер переглядає за 1 (!!) Секунду 80000 сторінок звичайного ASCII-тексту. Думаю, коментувати далі просто немає сенсу.
Зрозуміло, не все так райдужно, і у оптичних комп'ютерів предостатньо своїх мінусів. Їх основний недолік-неінтегріруемих його компонент. В даний час ведуться роботи по створенню інтегрального модуля оптичного комп'ютера. Комп'ютер буде називатися High Performance Optoelectronic Communication - HPOC. Його досвідчена модель вже створена.
У новому комп'ютері планується використовувати вхідну матрицю з вертикально розташованими лазерними діодами. Діоди будуть з'єднуватися хвилеводами і звичайною оптикою, оснащеної матрицями перемикання, на основі дифракційних оптичних елементів. Вихідна система складатиметься з матриці фотодіодів, суміщеної з вхідний матрицею. У модулі використовуються технології CMOS, Bi-CMOS, GaAs, оптичні межсоединения організовані за допомогою вільного поширення світлових пучків. У підсумку виходить квазічетирехмерная структура. Вже створена дослідна система, яка показує швидкість 1015 операцій в секунду, причому "їсть" енергії всього 1 фДж на перемикання (порівняй з DOC-II - там 7 фДж).
Що ж стосується ваги, то існуючі оптичні системи в цьому програють і важать більше використовуваних зараз чіпів.
EnLight 256
Єдиний існуючий зараз комерційний оптичний процесор EnLight 256, створений фірмою Lenslet, вже можна купити. Цей процесор є першим оптичним DSP (Digital Signal Processor), який в три рази перевершує кращі електронні DSP. Якщо говорити точніше, EnLight256 - це гібридний оптичний процесор, що містить перетворювачі. Створити повністю оптичний комп'ютер поки занадто дорого. Проста заміна ядра із збереженням всіх інших електронних компонент дозволяє отримати величезний приріст продуктивності.
Ядро цього процесора - оптичне, а вхідна і вихідна інформація подається в електронному вигляді. Ядро складається з 256-ти VCSEL-лазерів, просторового модулятора світла, набору лінз і приймачів. Продуктивність процесора становить 8 трильйонів операцій у секунду: за один такт (8 нс) процесор примножує 256-байтний на матрицю 256х256.
Організація технології Lenslet дозволяє використовувати найкраще з оптичного і електричного світів. Оптична матриця VMM (Vector-Matrix Multiplication), ядро процесора, конвертує електричну інформацію у світ, потім робить необхідні перетворення цієї інформації, направляючи світло через програмовану внутрішню оптику. Світло, який з'являється на виході, відчувається безліччю датчиків і перетвориться знову в електричний сигнал.
VMM складається з трьох основних елементів:
N пропустити-когерентних лазерів, які представляються як вектор, що складається з N елементів, кожен елемент - це 8 біт.
Просторового модулятора Multiple Quantum Well (MQW), що складається з NxN пикселной модуляторів, розміщених на одному чіпі.
Ряду з N детекторів світла, які інтегровані в масив аналогово-світлового перетворення (Analog to Digital Converters, ADC). Детектори встановлені так, щоб отримувати промені від матриці модулятора. Висновок стовпця детектора - це вектор-результат.
Кожен елемент вхідного вектора проектується на стовпець матриці. Кожен ряд матриці проектується на один детектор у векторі результату (висновку).
Програмування оптичного цифрового сигнального процесора (Optical Digital Signal Processing Engine, ODSPE) полягає в зміні значень, які збережені в просторовому модуляторе (Spatial Light Modulator, SLM). Завантаження програми (або дані всередині програми) аналогічна заміні матриці в просторовому модуляторе. Можеш здогадатися сам, як швидко це відбувається. До речі, просторовий модулятор може поставлятися як окремий продукт, так що ніщо не завадить тобі (напевно, окрім відсутності потрібних коштів) створити свій оптичний процесор. Цей модулятор називається Ablaze, і про нього можна прочитати на сайті компанії Lenslet.
EnLight256 вже зараз широко використовується. Основні сфери його застосування - це військова промисловість та обробка відео в реальному часі. Ці сфери вимагають високої продуктивності.
Огляд питання
1. Оптичні процесори
1.1. Аналогові оптичні обчислення і процесори
Коли мова йде про аналогових оптичних комп'ютерах, часто термін «аналоговий» вживається в двох значеннях. По-перше, він означає безперервну величину, що характеризує кожну крапку в навколишньому просторі (наприклад, інтенсивність світла). Іншими словами, яку б точку в просторі ми не взяли, інтенсивність світла в цій точці змінюється безперервно. По-друге, термін «аналоговий» означає, що об'єктом є всі крапки безперервних координат, а не дискретне (точкове) подання всієї інформації в навколишньому просторі, як це робиться при обробці зображень в сучасних комп'ютерах.
Обговоримо основні методи аналогових обчислень, вироблених в аналогових оптичних комп'ютерах, з використанням законів оптики. Перш за все, звернемося до рис. 1, пояснює, як за допомогою світлового променя можна виконувати добре знайомі всім операції додавання і множення [1].
/
Рис. 1. Основні аналогові оптичні операції:
а - додавання;
б - додавання з допомогою лінзи;
в - множення на основі ефекту пропускання світла;
г - множення на основі ефекту віддзеркалення світла.
Слід зазначити, що вказані на малюнку найпростіші операції додавання можливі лише при використанні частково-когерентних світлових пучків, додавання когерентних відбувається з урахуванням фазових характеристик - оскільки складаються не інтенсивності, а амплітуди падаючих хвиль.
Основними операціями аналогового оптичного комп'ютера є тільки дві операції - додавання і множення, проте одні лише ці операції не дозволяють виконувати складні обчислення. Як вже згадувалося раніше, відмітною властивістю світлового випромінювання є здатність до паралельної (одночасної) обробці великих обсягів інформації, однак для цього недостатньо використовувати лише властивість прямолінійного поширення світла. Необхідно скористатися іншими властивостями світла, такими як переломлення (рефракція) і дифракція, що лежать в основі роботи лінз і дифракційних елементів (решіток, голограм). Як показано на рис.2, якщо перед лінзою, наприклад, з лівого боку (вхідна площину), помістити деякий предмет, то з протилежного боку ми отримаємо перевернуте і зменшене зображення того ж предмета. Аналогова операція інвертування і масштабування проведена зі швидкістю світла. Спробуйте провести таку ж операцію з даними оптичним зображенням (які мають розмір 6х12 см, що володіє 60000х120000 елементами дозволу, що відповідає мінімально 7,2 Гб, використовуючи програму, наприклад, Adobe Photoshop).
/
Рис. 2. Операція інвертування і масштабування, виконувана лінзою при побудові зображення.
Якщо вхідна і вихідна площині оптичної системи збігаються з передньої і задньої фокальній площинами сферичної лінзи і на вхід такої системи надходить оптичний сигнал U1 (x1, y1), то на виході з'являється сигнал, пов'язаний зі вхідним сигналом наступним співвідношенням:
, (1)
де f - фокусна відстань оптичної системи, λ - довжина хвилі оптичного сигналу, xH, yH - координати у вихідний площині системи. Таким чином, вихідний сигнал розглянутої найпростішої оптичної системи з точністю до постійного множника збігається з фур'є-образом вхідного сигналу. Слід зазначити, що фур'є-образ вхідного оптичного сигналу існує у вигляді фізично реального просторового розподілу комплексних амплітуд світла. Завдяки цьому когерентні оптичні системи можуть бути ефективно використані для вирішення широкого кола завдань, пов'язаних з отриманням, перетворенням і обробкою фур'є-спектрів, кореляційних функцій і згорток [1-3].
Оскільки фур'є-образи двовимірних оптичних сигналів реалізуються у вигляді реальних фізичних сигналів за допомогою найпростішої оптичної системи, над ними можна робити різні математичні операції методами просторової фільтрації. Оптична система обробки інформації методами просторової фільтрації (рис. 3) складається з таких компонентів: з джерела світла S, двох послідовно розташованих найпростіших систем перетворення Фур'є, пристрої введення інформації, просторового операційного фільтру і детектора вихідних сигналів. Пристрій введення інформації, операційний фільтр і детектор вихідних сигналів розташовуються відповідно у вхідний (x1,y1), спектральної Фур'є-площині1 (xн,yн) і вихідний (xD,yD) площинах системи.
/
Рис. 3. Схема оптичної системи обробки інформації методами просторової фільтрації. S - джерело оптичного випромінювання.
Лінза Л2 здійснює перетворення Фур'є сигналу U1(x1,y1), створеного транспарантом, тому в спектральної площині системи безпосередньо перед операційним фільтром розподілення комплексних амплітуд світла пропорційно фур'є-образу вхідного сигналу. Амплітудно-фазовий коефіцієнт пропускання операційного фільтра визначається виразом:
tH = C(H(ξ,(), (2)
де C – комплексна константа, а функція H(ξ,() відповідає математичної операції, яку необхідно виконати над вхідним сигналом, її називають передавальної функцією фільтра. Після просторової фільтрації оптичний двовимірний сигнал піддається повторному перетворенню Фур'є за допомогою лінзи Л3. В результаті у вихідний площині системи оптичне полі матиме розподілення:
, (3)
де C1- відповідає математичної операції, яку необхідно виконати над вхідним сигналом, її називають передавальної функцією фільтра. Після просторової фільтрації оптіческкомплексная константа. Напрями координатних осей у вихідний площині системи обрані протилежно напрямками осей координат у вхідній площині для того, щоб врахувати інверсію, яка виходить в результаті двох послідовних перетворень Фур'є і виражається співвідношенням ий двовимірний сигнал піддається повторному перетворенню Фур'є за допомогою лінзи Л3. В результаті у вихідний площині системи оптичне полі матиме розподілення F{F[U(x,y)]}=U(-x,-y).
Таким чином, оптична система, представлена на рис. 3, здатна виконувати лінійні інтегральні перетворення типу згортки, описувані рівнянням (3). В окремому випадку, коли H = 1, шукана система перетворюється на систему, що створює зображення вхідного сигналу. Так як вхідний сигнал оптичної системи є фінітним, її фур'є-образ має необмежену протяжність. Тому помилка у вихідному сигналі оптичної системи, обумовлена втратою частини фур'є-образу, відповідної високим просторовим частотах, неминуча.
В якості практичного використання аналогових обчислень з використанням оптичного Фур'є-перетворення відзначимо наступні моделі комп'ютерних систем: оптоелектронний процесор фірми Global Holonetics, що першим вийшов на ринок, призначений, зокрема, для розпізнавання упаковок в супермаркетах, в ньому використовується формувач зображення, що містить приблизно 65000 рідкокристалічних елементів з електронним управлінням і він розпізнає до 30 зображень в секунду і коштує вчетверо менше звичайних комп'ютерів технічного зору; оптичний коррелятор компанії Litton Data Systems на базі магнітооптики виконує більше 1000 кореляцій в секунду по зображеннях формату 128х128 пікселів, при обсязі 10 дм3 він високонадійних розпізнає бронетехніку на багатокілометрової дистанції.
В якості іншого прикладу практичного використання аналогових оптичних комп'ютерів розглянемо операційні пристрої, що виконують операції з безліччю аналогових числових даних [1, 4]. Об'єктом операцій, або даними, будемо вважати вектор, що складається з п чисел, і двовимірну матрицю розмірністю nxn. На рис. 4 показаний приклад структури базового оптичного арифметичного пристрою, що виконує множення вектора і матриці при n = 3.
/
Рис. 4. Принцип дії оптичного операційного пристрою, що виконує множення вектора на матрицю.
Зліва показані три джерела світла, розташовані горизонтально. У центрі розташований оптичний транспарант розміром 3x3, а праворуч - вертикально три фотодетектора. Крім того, створимо оптичну систему таким чином, щоб світло, що випромінюється одним з джерел, наприклад х1 поширювався віялоподібно по вертикалі, як показано на малюнку, і падав тільки на частину маски а11, а12, а13 (у даній схемі оптична система не показана). Світло від сусіднього з х1 джерела х2 поширюється також вертикально віялоподібно і падає на сусідні ділянки маски а21, а22, А23 та до інших ділянок не доходить. Інтенсивність світла, що пройшло через транспарант, визначається добутком інтенсивності вхідного променя хi на коефіцієнт пропускання аij даної ділянки транспаранта.
Далі, світло, що пройшло через транспарант, фокусується за допомогою іншої оптичної системи (теж не показаної на малюнку), але тільки по горизонталі. Світлові промені, що пройшли через елементи а11, а21, а31 у верхній частині транспаранта, досягають тільки самого верхнього оптичного датчика у1. Аналогічно світлові промені, що пройшли через другий ряд осередків транспаранта а12, а22, а32 досягають тільки датчика у2. Зрештою інтенсивність світла в i-м оптичному датчику буде визначатися сумою трьох творів aij, і xi (див. формулу, наведену на рис. 4), яка за визначенням являє собою добуток вектора х на
29.12.2013 16:12-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора