Цифровий пристрій з оптоелектронним блоком

Цифровий пристрій з оптоелектронним блоком для логічного перетворення і/або розподілу оптичних/електричних потоків цифрових сигналів на основі цифрової інтегральної мікросхеми і оптоелектронних напівпровідникових елементів, що складається з М вхідних оптичних/електричних каналів, що є оптичними/електричними логічними входами, і N вихідних каналів, що є оптичними/електричними логічними виходами, одного світлодіода в кожному із М вхідних каналів, що оптично зв'язані з ізольованими між собою вихідними N р-i-n фотодіодами, що розташовані під вхідними світлодіодами на кристалі GaAs або Si, підсилювачів-формувачів кожного з N р-i-n фотодіодів, областей ізоляції та металевих виводів, розподіл цифрового потоку в одному із М каналів на N напрямків - вихідних каналів відбувається внаслідок процесу, при якому модульоване випромінювання кожного М-того світлодіода попадає на N фотодіодів, у яких при їх освітленні з'являється фотострум, після підсилювання сигналів з фотодіодів відбувається опитування потрібного N каналу, подальша логічна обробка цифрових електричних сигналів виконується електронною інтегральною мікросхемою, який відрізняється тим, що розподіл вхідних М оптичних потоків сигналів на N вихідних потоків здійснюється оптоелектронною цифровою інтегральною схемою на основі мікропотужних адаптивних оптоелектронних логічних вентилів базису N АБО-НІ (з оптичними М входами і N виходами, що створюють схеми логічного перетворення - тригери, суматори, лічильники, генератори і т.д.), яка містить матриці регулярних структур світлодіодів (СД) та інтегральних фотоприймачів (ІФП), що сформовані на кристалах GaAs і Si відповідно, причому на один СД припадає 1-4 ІФП, логічні оптичні входи (виходи) виконані у вигляді М (N) волоконно-оптичних кабелів (ВОК) і зв'язані з М вхідними ІФП, електричний вихід першого з них з'єднано з анодом першого СД, який має оптичний зв'язок з першим внутрішнім ІФП, електричний вихід першого внутрішнього ІФП з'єднано з анодом другого СД, який має оптичний зв'язок з другим внутрішнім ІФП, електричний вихід другого внутрішнього ІФП з'єднано з анодом третього СД, який має оптичний зв'язок з третім внутрішнім ІФП, електричний вихід даного ІФП з'єднано з анодом вихідного СД, який з'єднаний з першим вихідним ВОК і є логічним виходом першого із N каналів (і далі до останнього вихідного N-того каналу), при цьому сукупність вхідних, вихідних ВОК, СД і ІФП, що оптично зв'язані, резисторів, контактних площин та електричних зв'язків між ними формує в кристалі мікропотужні адаптивні оптоелектронні логічні елементи базису 1, 2...N АБО-НІ, що зв'язані між собою виключно оптично, створюють схеми логічного перетворення (тригери, суматори, лічильники, генератори і т.д.) і виконують логічне перетворення потоків цифрових сигналів (ЦС) із вхідних М каналів згідно з функцією перетворення в N вихідних каналів, вхідні М ВОК є оптичними (логічними) входами, вихідні N ВОК є оптичними (логічними) виходами оптоелектронної цифрової інтегральної схеми, що підключаються стандартними оптичними роз'ємами до неї з можливістю передачі по N, М ВОК кількох потоків ЦС на різній довжині хвилі А,,, електричне з'єднання контактів матриць між собою забезпечується збіркою (методом перегорнутого кристалу). Корисна модель відноситься до області оптоелектроніки і може бути використана для створення оптоелектронних приладів обробки оптичних цифрових потоків в волоконно-оптичних лініях (ВОЛЗ) та системах зв'язку (ВОСЗ) у видимому, інфрачервоному (ІЧ), ультрафіолетовому діапазо нах на базі елементів високочастотних (ВЧ) оптопар, створених по мікроелектронним технологіям. Відомі оптоелектронні інтегральні пристрої на основі електронних інтегральних схем (1С), двох або більшої кількості процесорів на основі 1С, демультиплексорів та прийомопередавачів, які з'єд CO со CD 10133 швидкісної передачі даних на сусідні пульсари з обраним, в конструкції відсутні гнучкі ВОК зв'язку між пульсірами, що спрощує монтаж оптичних каналів. Недоліки: логічні операції ОП виконує на основі електронних логік (типу Т 2 ЛШ, К-МДП, І2Л, ЕЗЛ, ін.), зв'язки між ОП мають електронну природу, що виконані на основі металевих дротів і нестійки до впливу ЕМЗ. Найближчим пристроєм до запропонованого є цифровий пристрій з цифровою 1С і оптоелектронним блоком-оптоелектронна матриця комутації (ОЕМК) [3, с.76-79]. ОЕМК використовується в в телекомунікаційному обладнанні для розподілу з М вхідних на М вихідних напрямків (каналів) потоків ЦС. Вхідні М потоків (каналів) ЦС обробляються стандартними логічними схемами - Т2ЛШ (або І2Л, ЕЗЛ, N-МОП, К-МДП, їх комбінацією) та перетворюються на розподілені по N вихідним потокам (каналам). їх розподіл провадиться за допомогою оптоелектронних напівпровідникових елементів (ОНПЕ), що входять до її конструкції. ОНПЕ інтегральної ОЕМК складається з чотирьох основних Переваги: висока швидкодія оптоволоконного частин: одного СД, кількох ізольованих між собою каналу, надійність захисту інформації від впливу (N-3...10 і більше) р-i-n фотодіодів (ФД), розташоелектромагнітних завад (ЕМЗ), можливість переваних під СД на одному кристалі GaAs, області дачі по каналу кількох потоків ЦС на різній довізоляції та металевих виводів. Розподіл потоку ЦС жині 1 • 2 в ОНПЕ відбувається внаслідок процесу, при якоНедоліки: необхідність додання до обладнанму модульоване випромінювання М-того СД освітня на основі цифрових 1С додаткових оптоелектлює всі N ФД, внаслідок чого в них змінюється ронних елементів (випромінювачів, фотоприймаструм на 2...З порядки. Після підсилювання сигначів, охолоджувальні пристрої лазерів), низька лів ФД в ПФ відбувається опитування одного з завадостійкість елементів логіки 1С, обмеження на каналів N, подальша обробка ЦС за допомогою високих частотах перемикання (вплив R, L, С паелектронних 1С та їх передача. раметрів через "гонку сигналів") за рахунок наявВ розглянутій структурі ОНПЕ у якості р-n пеності металевих інформаційних входів/виходів реходу СД ІЧ-діапазону використовуються гетеров 1С. структури на основі GaAs (типу AlxGai-xAs). Вони Відомі також оптоелектронні інтегральні схемають високий квантовий вихід випромінювання та ми-пульсіри, які складаються з кремнієвих пласшвидкодією, при відповідних умовах структура тин, зв'язаних між собою оптичним каналом зв'язку практично прозора для випромінювання з активноза допомогою фотоприймачів та фотопередавачів го слою СД [1, с.111]. [2, с.51-77]. Пластина є сукупністю однобітових Шари матеріалу GaAs, які формують область процесорів (ОП) на електронних елементах, кожен випромінюючого р-n переходу СД, в ОНПЕ забезз яких має вісім інформаційних електричних зв'язпечують високий рівень щільності оптичної потужків-шин, по яким забезпечується вхід/вихід даних ності, швидкодії та прозорості для ІЧвід/до сусідніх ОП одного пульсіра. Структура завипромінювання при мікропотужному сподіванні, а безпечує обробку інформації під час виходу з ладу область фотоприймачів (р-i-n ФД на основі GaAs одного (або кількох ОП) шляхом його тестування і або Si) відповідає необхідним вимогам чутливості і перепрограмування на зв'язки з неушкодженими швидкодії. Область ізоляції СД від ФП прозора для сусідніми ОП. В результаті перепрограмування ІЧ-випромінювання, виконана на основі діелектриподальше логічне перетворення інформації здійсчних сполук, має великий опір [3, с.87]. нюються неушкодженими ОП (або передається Переваги: можливість обробляти потоки ЦС у без перетворення по іншому шляху), оминаючи оптичному, електронному вигляді, "глибока" інтегнеробочі елементи пульсіру. Таким чином структурація електронної цифрової 1С в конструкцію ра електричне зв'язаних ОП виконує функції логічОЕМК збільшує кількість вихідних комутаційних ної обробки (перетворення), зберігання та передаканалів (на один вхідний) до N 4..8 і більше (в чі інформації з можливістю відновлення залежності від кількості ФД на один СД), забезпефункціонування. Кожна пластина пульсіра по печує гальванічну розв'язку, при використанні вхідриметру периферії має зони оптичного зв'язку, на них, вихідних ВОК інформація захищена від вплиякій є лінійки (СД) і фотоприймачів (ФП), що зв'яву ЕМЗ. зані з сусідніми пульсірами через відкриті (повітряні) канали і/або оптично прозорі структури (шайНедоліки: вхідні цифрові данні з М потоків (що би) типу зрощених волоконно-оптичних кабелів надходять до цифрової 1С типу ОЕМК у вигляді (ВОК) невеликої довжини. оптичних сигналів) з виходів ВОК перетворюються кілька разів. Вхідні оптичні ЦС проходять перше Переваги: можливість відновлення функціонудетектування в електричні у вхідних ФП (або надвання при пошкодженні кількох ОП, двонаправлені ходять в 1С у вигляді електричних ЦС з кабелів) канали оптичного зв'язку забезпечують можливість нані між собою та перетворюють вихідні електронні сигнали процесорів з N паралельних виходів, кожен з яких має швидкість 10-50Мбіт/с, на послідовний оптичний сигнал, що передається зі швидкістю 1-5Гбіт/с по волоконно-оптичним каналам (ВОК) між ними [1, с.161]. На виході електронного мультиплексора першого процесора його електричніцифрові сигнали (ЦС) підсилюються в підсилювачах-формувачах (ГІФ) і перетворюються в оптичні за допомогою інжекційних лазерів (ІЛ), суперлюменесційних чи світлодіодів СЛД, СД відповідно). На вході демультиплексора другого процесора оптичні ЦС детектуються і перетворюються в електричні, які потім розподіляються по М паралельним входам. Обмін діє і в зворотному напрямку між другим і першим процесорами, причому роль електронних мультиплексорів, демультиплексорів може виконувати один пристрій. Використання таких схем дозволяє замінити К електричних каналів зв'язку на один (два) оптичних, наприклад, з двома обраними довжинами хвилі ( гдля прямого, 2-Для зворотного зв'язку процесорів). 10133 підсилюються, надходять на входи електронних схем логіки всередині цифрової 1С, після логічної обробки в них, підсилення, перетворення у оптичні ЦС для СД, потім в електричні ЦС у ФД ОНПЕ (друге детектування) та розподілу по N напрямках (каналам) знов перетворюються у потік електронних ЦС в цифрових 1С, передаються по металевим дротом, на який впливає ЕМЗ; вхідні оптичні ЦС обробляються електронними цифровими 1С. Завданням корисної моделі є створення оптоелектронних цифрових 1С (ОЦЮ) і заміна цифрових електронних 1С, схем логічних елементів в них, металевих зв'язків між ними на мікропотужні адаптивні оптоелектронні логічні елементи (ОЛЕ) квазіімпульсно-потенціального типу (КІПТ) [4,с.80-105] з оптичними зв'язками на основі елементів оптопар. Це здійснюється використанням мікро потужних оптоелектронних схем базису NABO-HI [5, 6] з оптичними входами, виходами (на елементах оптопар типу СД-ФП) між логічними вентилями, виконанням на їх базі запропонованих ОЦЮ і використання їх для логічної обробки (в тому числі - розподілу М вхідних на N вихідних каналів, як в ОЕМК) потоків оптичних ЦС. Ескіз запропонованої структури ОЦЮ зображений на Фіг.і. ОЦЮ складається з двох кристалів, кожен з яких виконано по планарним технологям. На першому кристалі (1), що виконай на основі Si, розташована матриця ФП (2) типу інтегрального фотоприймального пристрою (ІФП [7]) з підсилювачемформувачем (ПФ) фотоструму на високочастотному (ВЧ) транзисторі, на другому (4) з GaAsматриця випромінювачів (3) на базі СД. На поверхні цих кристалів розміщуються також резистори (5), металеві шини живлення (6) та інші елементи. Сукупність цих елементів формує мікро потужні оптоелектронні логічні елементи (ОЛЕ) базису NABO-HI, перший і останній з яких виделено пунктиром (7). Зв'язки між адаптивними ОЛЕ КІПТ на основі елементів базису N NABO-HI є виключно оптичними (8) між собою (на основі прозорих для ІЧ випромінювання матеріалів типу SiO2). ОЦЮ має вхідні (9) і вихідні (10) оптичні роз'єми, що є її логічними входами/виходами (на М вхідних і N вихідних каналів) до яких підключаються стандартні оптичні кабелі. Корпус ОЦЮ має металеві виводи живлення (11), при необхідності вводу/виводу електричних сигналів в ОЦЮ в конструкції можуть бути присутні металеві виводи (12), але вони не обов'язкові. Поєднання матриць ІФП (1) і СД (4) між собою забезпечується методом перегорнутого кристалу або прямого зрощування [8, с.280-282], що з'єднує електричні контакти (13) груп контактних площин відповідних ІФП і СД. Входи та виходи (9, 10) ЦС в запропонованій ОЦЮ є оптичними. Розміщення ІФП, СД здійснюється у вигляді матриць (або масиву регулярних структур), що при з'єднанні розташовані один навпроти одного, причому на один СД припадає один (два, чотири) ІФП, електричний вивід вхідного ІФП 01(02...) з'єднано з анодом СД1.1(1.2...), який оптично з'єднано з першим ІФП 1.1(1.2...), електричний вивід першого ІФП 1.1(1.2...) з'єднано з анодом СД2.1(2.2...), який оптично з'єднано з другим ІФП 2.1(2.2...), електричний вивід якого з'єднано з ано 6 дом третього СДЗ.1(3.2...), який оптично з'єднано з третім ІФП 3.1(3.2...), електричний вивід якого з'єднано з анодом вихідного СД01(02...), як показано на Фіг. 1. Фотоприймачі ФП 01,02...М є оптичними (логічними) входами М каналів, вихідні СД01, 02...N - оптичними (логічними) виходами N каналів ОЦЮ. Запропонована конструкція ОЦЮ (розріз її частини зображен на ескізі Фіг. 1) на базі мікропотужніх ОЛЕ КІПТ типу NABO-HI [5, 6] працює наступним чином. При включенні напруги живлення в перший момент часу внутрішні СД чотирьох ОЛЕ NABO-HI: СД1.1, СД2.1, СД3.1 і вихідний СД01 переходять у стан випромінювання, на їх виходах логічні " 1 " , як і на оптичному виході ОЦЮ (10). При відсутності сигналу на оптичних входах ОЦЮ (9) і ІФП01, від випромінювання СД1 генеруються фотоносії в ІФП 1.1 і підсилюються відповідним ПФ у вигляді ВЧ транзистора, він відкривається і шунтує СД2.1, що перемикається з генерації випромінювання (логічна "1") на його відсутність (логічний "0"). Сигнал з виходу СД2.1 не поступає на ФП2.1, генеровані носії рекомбінують, струм відповідного ВЧ транзистора спадає і він закривається. СД3.1 продовжує випромінювати, знаходячись у стані логічна " 1 " . Від випромінювання СД3.1 генеруються фотоносії в ІФП3.1, підсилюються відповідним ПФ у вигляді ВЧ транзистора, він відкривається і шунтує СД01, що перемикається з генерації випромінювання (логічна "1") на її відсутність (логічний "0"), на оптичному виході ОЦЮ (10) логічний "0". При появі сигналу на оптичних входах ОЦЮ (9), генеруються фотоносії в ІФП0.1 і підсилюються відповідним ПФ у вигляді ВЧ транзистора, він відкривається і шунтує СД1.1, що перемикається з генерації випромінювання (логічна "1") на його відсутність (логічний "0"). Сигнал з виходу СД1.1 не поступає на ІФП 1.1, генеровані носії рекомбінують, струм ВЧ транзистора спадає, він закривається. СД2.1 починає випромінювати і переходить з стану логічний "0" у стан логічна "1". Від випромінювання СД2.1 генеруються фотоносії в ІФП2.1, підсилюються відповідним ПФ у вигляді ВЧ транзистора, він відкривається і шунтує СД3.1, що перемикається з генерації випромінювання (логічна "1") на її відсутність (логічний "0"). СД01 починає випромінювати, переходить з стану логічний "0" у стан логічна "1", на оптичному виході ОЦЮ (10) - логічна "1", схема перейшла у попередній стан. В реальних ОЦЮ електричні зв'язки між конкретно вибраними СД і ІФП мають довільний характер (наприклад 1.і-того ІФП з 2.т-тим СД) для забезпечення коефіцієнту розгалуження по виходу, а оптичні - мають типовий характер зв'язків між двома ОЛЕ КІПТ двоїчного базису NABO-HI (один СД з 1...4 ІФП для забезпечення виконання функції логічного перетворення), причому кількість ОЛЕ обмежена тільки розмірами підкладок [4, 5, 6]. Потоки оптичних ЦС безпосередньо з інших ОЦЮ або з ВОК швидкісних ВОЛЗ, ВОСЗ надходять на оптичні входи М каналів (9) ОЦЮ, в яких вхідні ІФП01(02...М) виконані як надчутливі, а вихідні потоки N каналів оптичних ЦС виходять з потужних Cfl01(02,...N) і оптичних виходів та надходять 10133 у ВОК до наступних ОЦІС (або в ВОЛЗ, ВОСЗ). ОЦІС такого типу на базі ОЛЕ КІПТ (з двоїчним базисом NABO-HI) можуть бути виконані для будьякої наперед заданої функції логічного перетворення (ОЦІС типу контролер, процесор, ін.), в тому числі-розподілу М вхідних на N вихідних потоків, як в ОЕМК. Суть корисної моделі полягає в тому, що на відміну від прототипу, в якому потоки ЦС перетворюються з оптичних в електричні і логічна обробка електронних сигналів-відображень ЦС ведеться 1С на основі електронних схем логіки (Т ЛШ, ЕСЛ, І2Л, N-МОП, К-МДП, ін ), в запропонованій конструкції ОЦІС ЛОГІЧНІ перетворення здійснюються безпосередньо над оптичними ЦС завдяки використанню іншої схеми лопки-мікропотужних адаптивних ОЛЕ КІПТ обраного базису NABO-HI [5, 6]. Останні мають виключно оптичні входи, виходи, можуть бути адаптовані до рівнів потужності оптичних ЦС [6], елементи конструкції ОЦІС виконані у вигляді матриць регулярних структур СД і ІФП [7], що виконані по планарним технологіям. В конструкції ОЦІС для матриць використані підкладки на основі GaAs (або Si, на окісних плівках якого створено мези GaAs для СД) і на основі Si для матриць ІПФ (р-і-п ФД інтегрованого в ВЧ n-p-п транзистор [7]) Матриці на основі Si зменшують витрати на їх виробництво і дозволяють легко отримати діелектричні сполуки типу SiO2 на поверхні підкладки (для ізоляції СД від ІФП, нанесення прозорих, узгоджувальних шарів, лінз для підвищення ефективності виводу випромінювання з СД). ОЛЕ в середині ОЦІС мають виключно оптичні зв'язки, що виконані на основі елементів оптопар (СД, ІФП і ВОК малих розмірів), і є нечутливі до ЗОВНІШНІХ, внутрішніх ЕМЗ, між собою ОЛЕ гальванічно розв'язані, з'єднання їх підкладок і електричних зв'язків провадиться методом перегорнутого кристалу так, щоб проти кожного СД був ВІДПОВІДНИЙ один (два, чотири) ІФП [8]. ІФІИ І ІІФП2Л 8 Виконання ОЦІС на основі оптоелектронної логіки, забезпечує переваги оптичного зв'язку дає можливість передачі по вхідним, вихідним, внутрішнім каналам кількох потоків ЦС на різній довжині хвилі ,[1,3,4], покращує завадостійкость, статичні, динамічні, ТОПОЛОГІЧНІ характеристики. З появою СД на сполуках Si можливо виконувати їх без використання GaAs. [9]. Джерела інформації. 1. Волоконно оптические линии связи - ВОЛС. Справочник под ред. С.В.Свечникова, Л.М.Андрушко -К: Техника, 1988. 2. Н.М.Кузьо, М Н.Русин, В.И Шмойлов Пульсирующие информационные решетки. Ж. "Оптикоелектронні інформаційно-енергетичні технологи", №1, Вінниця, ВДТУ, 2001, с.51-78. 3. Оптоэлектронныеэлементы и устройства. А.К.Гребнев, В.Н Гридин, В.П.Дмитриев, М, Радио и связь, 1998. 4. В.П.Кожемяко, Л.И.Тимченко, ГЛ.Лысенко, др Функциональные элементы и устройства оптоэлектроники.-К.: УМК ВО, 1990г. 5. Патент на винахід №21018А, G02F3/00 (Україна), 1997. Оптичний інвертор. Проскурін М.П. 6. Деклараційний патент на винахід №39326А, G02F3/00 (Україна), 2001. Оптоелектронний логічний елемент NABO-HI адаптивного типу PROS Проскурін М.П. 7. Деклараційний патент на винахід №68540А, G02F3/00 (Україна), 2004 Інтегральний фотоприймальний пристрій Білявська О.С., Костенко ВЛ„ Проскурін М.П 8. З.Ю.Готра. Справочник по технологии микроэлектронных устройств Львов, Каменяр, 1986. 9 А.М.Емельянов, Н.А.Соболев, Т.М.Мельникова, S.Pizzim. Эффективный кремниевый светодиод с температурно-стабильными спектральными характеристиками. Ж. "Физика и техника полупроводников", 2003,т,37, вып.6. с.756761. „ ІФГОУ , И Фіг. 1 Комп'ютерна верстка Н Лисенко Підписне Тираж 26 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ - 4 2 , 01601