ОБРОБКА І ПЕРЕДАЧА ІНФОРМАЦІЇ. СУЧАСНІ КОМП'ЮТЕРНІ ТЕХНОЛОГІЇ - Золота колекція рефератів - 2018
ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРІВ В ОБЧИСЛЮВАЛЬНІЙ ТЕХНІЦІ
ВСТУП
Поряд з науковим і технічним застосуванням, лазери використовуються в інформаційних технологіях для вирішення спеціальних завдань, причому це застосування широко розповсюджене або перебуває в стадії дослідження. Найпоширенішими прикладами такого застосування є оптична цифрова пам’ять, оптична передача інформації, лазерні друкувальні пристрої, крім того, вони застосовуються в обчислювальній техніці як різні пристрої.
ЛАЗЕРИ В ОБЧИСЛЮВАЛЬНІЙ ТЕХНІЦІ
Висока швидкість перемикання уможливлює застосування лазерів і комбінацій з лазерами, включаючи інтеграцію в мікроелектронних перемикальних схемах (оптоелектроніка):
— як логічні елементи (так - ні, або);
— для введення й зчитування із запам’ятовувальних пристроїв в обчислювальних машинах.
З цією метою розглядаються винятково інжекційні лазери.
Переваги таких елементів: висока швидкість перемикання й зчитування, дуже маленькі розміри елементів, інтеграція оптичних і електричних систем.
Досяжними виявляються швидкість перемикання, приблизно 10-10 с (відповідно до цього висока швидкість обчислення), ємності запам’ятовувального пристрою — 107 біт/см2 і швидкості зчитування — 109 біт/с.
ЛАЗЕРНИЙ ПРИНТЕР
Для друку в обчислювальній техніці й в інших випадках часто застосовується лазерне випромінювання. Його перевага у вищій швидкості друку в порівнянні зі звичайними способами друкування.
Принцип дії лазерного принтеру такий: отримане від зчитувального оригіналу світло перетвориться у ФЕП на електричні сигнали, які відповідним чином обробляються в електронному пристрої разом з керуючими сигналами (для визначення висоти шрифту, складу фарби й т. д.) і слугують для модуляції лазерного випромінювання. За допомогою записуючої головки експонується розташована па валику плівка. При цьому лазерне випромінювання розділяється па ряд рівних за інтенсивністю часткових променів (шість або більше), які за допомогою модуляції за даних умов підключаються або відключаються.
Застосовувані лазери: іонний аргоновий (потужність не більше 10 мВт), інжекційний.
ОПТИЧНА ЦИФРОВА ПАМ’ЯТЬ
Для дедалі тіснішого зв'язку між обробкою даних, тексту й зображення необхідно застосовувати нові методи запису інформації, до яких висуваються такі вимоги:
— вища ємність запам'ятовувального пристрою;
— вища ефективність зберігання архівних матеріалів;
— краще співвідношення між ціною й продуктивністю.
Цього можна досягти за допомогою запису й зчитування цифрової інформації.
Принцип дії. Інформація (мовлення, музика, зображення, дані), що міститься у вигляді електричних сигналів, перетворюється на цифрові величини й виражається як послідовність імпульсів, що записується в різній формі (у вигляді заглиблень або отворів різної довжини й відстаней між ними або магнітним способом) на диску запам’ятовувального пристрою.
При зчитуванні зчитувальне світло, відбите (розсіяне у зворотному напрямку) від цих заглиблень (отворів), модулюється й за допомогою фотоприймача перетворюється на відповідний електричний сигнал.
Лазерно-оптичне зчитування інформації. За допомогою цього способу в приладі, аналогічному програвачу, відтворюється неконтактним способом записана на диску інформація (діаметр дисків до 30 см), причому застосовуються лазерні диски тільки для зчитування, наприклад відеодиски, компакт-диски.
Принцип дії. Кодування інформації відбувається шляхом створення інформаційних мікрозаглиблень. що мають різну довжину й різні відстані між собою. Інформація па диску зберігається в такий спосіб у цифровій формі, записаній по спіралі, що складається з інформаційних ямок.
Лазерний відеодиск характеризується такими параметрами:
— відстань між двома профілюючими доріжками 1,6 мкм;
— ширина заглиблення — 0,4 мкм;
— максимальна довжина заглиблення — 3,3 мкм;
— мінімальна довжина заглиблення — 0,9 мкм;
— максимальна відстань між заглибленнями — 3,3 мкм;
— мінімальна відстань між заглибленнями — 0,9 мкм.
При виготовленні відеодисків нанесений первісно на підложку зі скла фотолак експонується за допомогою спеціальної оптичної системи випромінюванням короткохвильового лазера (криптоновий лазер). Після цього йде багатоступінчастий процес прояву, в результаті якого утворюється зразковий диск, що використовується потім для виготовлення інших дисків шляхом відбитка. На отримані після відділення від зразкового диска відбитки наноситься дзеркальне покриття й шар лаку, так що отримані при записі мікропоглиблення не можуть бути закриті частками пилу. Пил і подряпини па захисному шарі не заважають, оскільки вони перебувають поза площиною фокусування зчитувальної оптики.
При зчитуванні мікроскопічних маленьких структур використовуються ефекти дифракції й інтерференції світла. Оптична зчитувальна система для відеодисків складається з:
— He-Ne-Лазера (потужність мВт), що випромінює лінійно поляризоване світло;
— дільника пучка, що розділяє світло натри пучки зі співвідношеннями інтенсивностей 1:3:1 (дифракційна решітка, що працює на просвіт з мінус першим, нульовим і плюс першим порядками дифракції);
— призми Волластона (оптична довжина шляху залежить від напрямку поляризації);
— пластинки (спец, знак) λ/4;
— зчитувального об’єктива, переміщуваного за принципом котушки з рухомим сердечником у напрямку оптичної осі (обмежений дифракцією мікрооб’єктив дуже малої маси);
— системи фотоприймачів (квадратних приймачів), а також циліндричної лінзи.
Розсіяне в зворотному напрямку від диска світло лазерного пучка відображається на квадратному приймачі, промені, використані для спостереження за доріжкою, потрапляють на приймачі.
Таким чином, стає можливим формування керуючих сигналів для коректного фокусування зчитувальних променів на інформаційній доріжці й забезпечення спостереження за доріжкою.
ОПТИЧНА ЗЧИТУВАЛЬНА ГОЛОВКА ДЛЯ ЦИФРОВОГО ЛАЗЕРНОГО ПРОГРАВАЧА
Оберненорозсіяне світло від лазерної пластинки потрапляє на фотодіоди. Виникаючі при цьому фотоструми комбінуються між собою таким чином, що стає можливим одержання як керуючих сигналів для радіальної корекції, так і керуючого сигналу для установки на різкість зчитувальної оптики.
Радіальний керуючий сигнал формується комбінацією струмів фотодіодів. Якщо зчитувальний об’єктив сфокусований на інформаційну площину диска, то після призм з’являються два різкі зображення між фотодіодами. Якщо фокальна площина зчитувального об’єктива перебуває за або перед інформаційною площиною, то зображення стають нерізкими й рухаються одне до одного або одне від одного. Тоді за допомогою комбінації струмів фотодіодів може бути отриманий керуючий сигнал для установки на різкість зчитувальної головки.
Однократний запис інформації. Цей принцип дозволяє здійснити однократний запис і багаторазові зчитування інформації. Для цього на нижньому боці плоскої скляної пластини наноситься шар телуру. Дві круглі скляні пластини юстируються відносно одна одної таким чином, що шари телуру виявляються захищеними зовні скляними пластинами.
На шарах телуру, що знаходяться на внутрішніх боках пластин, записується інформація. Пластини обладнані спіральною доріжкою (спіральною канавкою завглибшки приблизно (спец, знак) Л./4), що слугує для юстирування зчитувального або записувального променя. При записі одного біта інформації в шарі телуру імпульсно підвищується потужність напівпровідникового лазера за час 50 не до 12 мВт, при цьому в шарі виникає отвір діаметром приблизно 1 мкм. Запне і зчитування здійснюються за допомогою однакового пристрою, причому при зчитуванні потужність напівпровідникового лазера зменшується до 1 мВт.
За допомогою таких методів запису й зчитування досягається ємність запам’ятовувального пристрою (діаметр диска 30 см) 1010 біт інформації (передній і задній бік); вільно обираний час доступу складає 150 мс.
Застосовувані лазери:
— He-Ne-лазер;
— напівпровідниковий лазер (дедалі частіше).
Сфери застосування:
— запам’ятовувальний пристрій для зберігання банку даних із частим доступом;
— запам’ятовувальний пристрій для зберігання архівних даних з відстроченим доступом;
— зовнішній додатковий запам’ятовувальний пристрій з вільно обираною адресацією в ЕОМ;
— відеодиски для навчання;
— відеодиски для бібліотек і архівів;
— запам’ятовувальні диски для управління й канцелярської справи;
— аудіодиски з високоякісним відтворенням звуку.
ОПТИЧНИМ ЦИФРОВИЙ ЗАПИС ІНФОРМАЦІЇ В МАГНІТНИХ ШАРАХ
Як носій інформації використовується тонкий магнітооптичний шар (перевага: можливий повторний запис даних).
Принцип дії. Запис інформації відбувається завдяки тому, що невеликі ділянки магнітного шару нагріваються за допомогою сфокусованого лазерного променя, причому одночасно накладається магнітне поле, напруженість якого менша, ніж коерцитивна сила. У нагрітих у такий спосіб при накладеному магнітному полі ділянках зникає намагніченість (запис точки Кюрі). Зчитування здійснюється таким самим лазером при зменшеній потужності, причому площина поляризації відбитого від диска світла згідно з напрямком намагнічування невеликих ділянок повертається па величину 0,5-8°, залежно від магнітооптичного шару (магнітооптичний ефект Керра).
Оптичний пристрій записуючої й зчитувальної головки аналогічний до систем, що використовуються в описаних вище пристроях зчитування й запису інформації.
Світло, відбите від невеликих перемагнічених ділянок, є еліптично поляризованим і за допомогою відповідної фазової пластинки перетворюється па лінійно поляризоване. Лінійно поляризоване світло розділяється па два складники, які можуть реєструватися окремо. Обидва прийняті сигнали подаються на диференціальний підсилювач і посилюються. Посилений сигнал прямо пропорційний поляризаційному ефекту Керра.
Магнітооптичний запис дозволяє отримувати:
— ємність нам’яті запам'ятовувального пристрою 105 біт/см2;
— кількість циклів (запис, зчитування, стирання) 106;
— вільно обирані часи доступу 150 мс;
— застосування як оперативної пам’яті в ЕОМ.
Оптичний цифровий метод запису вимагає максимальної оптичної й механічної точності, а також:
— гранично малого обмеженого дифракцією зчитувального об’єктива;
— зчитувального об’єктива (мікрооб’єктива) дуже малої маси (0,6 г і менше);
— радіальних відхилень зчитувального об’єктива з точністю ±1 мкм;
— ширини розподілу інтенсивності зчитувальної плями по половині інтенсивності приблизно 1 мкм.
Цифровий оптичний запам’ятовувальний пристрій дозволяє робити неруйнівне зчитування накопиченої інформації.
ОПТИЧНА ПЕРЕДАЧА ІНФОРМАЦІЇ
Застосування світла для передачі повідомлення відоме давно. Насамперед у першій половині минулого сторіччя були успішно застосовані інфрачервоні пристрої для передачі інформації в спеціальних системах, однак унаслідок некогерентності випромінювання й тому сильно обмеженої дальності дії (недостатня спрямованість світлового пучка) і модуляційної здатності подібні системи передачі не набули широкого розповсюдження. Лише з розробкою лазера в розпорядженні фахівців опинилося джерело світла з чудовими когерентними властивостями (більша довжина когерентності), випромінювання якого при великій частоті п (не більше 1015 Гц) і, отже, великій можливій смузі модуляції й малій ширині лінії підходить для оптичної передачі інформації.
Розвиток у цій галузі в останні роки відбувався інтенсивно й призвів до того, що зараз уже існує велика кількість ліній з лазером як джерелом світла. Оптичні системи передачі інформації працюють із носійними частотами 1013- 1015 Гц, що відповідають довжинам хвиль λ = 33 + 0,33 мкм. Застосовувана довжина хвилі з цього діапазону для передачі інформації залежить від:
— постановки завдання з передачі інформації (необхідна смуга частот модуляції, відстань, передавальне середовище);
— джерела світла, наявного в розпорядженні (в основному напівпровідникові інжекційні лазери й світлодіоди, в окремих випадках — мініатюрні твердотільні лазери, СО2-лазери);
— модуляційної здатності;
— системи передачі (через вакуум, повітря, спеціальні гази, скловолокно);
— можливості демодуляції.
При використанні напівпровідникових лазерів як джерела світла зовнішній модулятор може бути виключений (безпосередня модуляція лазера за допомогою збуджувального струму в цьому випадку має перевагу).
Завданням оптичної передачі інформації є передача випромінювання від передавача до приймача, тому вирішального значення набуває середовище поширення сигналу. Властивості середовища в основному визначають конструкцію й розміри всієї системи передачі, включаючи вибір джерела світла її приймача.
ПЕРЕДАВАЛЬНІ СЕРЕДОВИЩА
Слід розрізняти передачу інформації в таких середовищах: земній атмосфері, лінзових світловодах, оптичних хвилеводах.
Передача інформації в земній атмосфері
Відповідні втрати називаються втратами вільного простору. До них слід додати втрати при поширенні випромінювання через атмосферу за рахунок поглинання, розсіювання, рефракції.
Для визначення сумарних втрат на загасання для обраної лінії передач необхідні значні вимірювання протягом тривалих проміжків часу при найрізноманітніших атмосферних умовах (при використанні джерел світла різної довжини хвилі).
Оптична передача інформації в земній атмосфері можлива тільки для відносно невеликих відстаней, при цьому повинні допускатися певні короткочасні збої при передачі інформації: надійність лінії передачі не більше 99 %.
Лінзові світловоди. Можливість виключення впливу атмосфери, який заважає поширенню лазерного пучка, полягає в тому, щоб провести світло в певній атмосфері (газ із малим поглинанням) усередині труби, при цьому необхідні лінзові й дзеркальні системи для підфокусування й відхилення випромінювання.
Як лінзи застосовуються скляні або навіть газові лінзи.
Оптичні хвилеводи. Оптичний хвилевід — це скловолокно, що складається з серцевини й оболонки, причому серцевина має вищий показник заломлення (nK) у порівнянні з показником заломлення оболонки (nM).
Унаслідок повного внутрішнього відбиття світло поширюється в межах серцевини волокна, при цьому необхідно використовувати скло з малим затуханням і дисперсією.
Залежно від структури світловоду існують різні механізми поширення:
1. Багатомодові світловоди зі східчастим профілем показника заломлення. Повне внутрішнє відбиття має місце, якщо випромінювання падає на границю під кутом меншим, ніж 2αmax (кут уведення світлових променів у хвилевід).
2. Одномодові світловоди зі східчастим профілем показника заломлення. Діаметр серцевини 5-10 мкм обумовлює поширення тільки однієї моди, при цьому теоретично ширина смуги передачі В > 100 ГГц. Виготовлення вкрай малого діаметра серцевини вимагає дуже великої точності, при цьому виникає проблема введення випромінювання в оптичне волокно.
3. Багатомодові світловоди з градієнтним профілем показника заломлення. Показник заломлення в області серцевини безупинно зменшується від середини до краю. Випромінювання за рахунок заломлення хвилеподібно поширюється біля осі оптичного волокна. Оскільки час поширення всіх променів приблизно однаковий, то градієнтні волокна мають дуже велику ширину пропускання.
Істотними вимогами до оптичного світловода є необхідність слабкого затухання й великої ширини смуги пропускання.
Затухання в оптичних волокнах обумовлене поглинанням і розсіюванням, зокрема па домішках. Додаткові втрати виникають через неоднорідності в поперечному перерізі волокна й через його кривизну. Власне затухання залежить від застосовуваного скла для серцевини й оболонки, від різних домішок, а також від довжини хвилі.
Унаслідок високої несучої частоти світлового пучка можна використовувати для модуляції дуже високі частоти. Використовувану для передачі інформації смугу частот називають шириною смуги частот сигналу, вона може досягати кількох гігагерц. У такий спосіб стає можливою одночасна передача дуже великого обсягу інформації
Для досягнення високих характеристик передачі оптичного хвилеводу істотними є:
— малі зміни геометричних розмірів, а також точне центрування серцевини;
— малі зміни профілю показника заломлення.
Для застосування в оптичних системах передачі Германії світловоди повинні бути викопані у вигляд: них кабелів. Існує велика кількість конструкцій кабелі
ДЖЕРЕЛА СВІТЛА ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИХ СИСТЕМ ЗВ’ЯЗКУ
Для оптичної передачі інформації в діапазоні довжини хвиль від 0,4 до 30 мкм як джерела світла застосовують світлодіоди, лазери в усьому діапазоні довжини хвиль.
Джерела світла для оптичного зв’язку у вільному просторі:
> He-Nе-лазер, λ = 0,63 мкм — випромінювання лежить у видимому оптичному діапазоні, що сильно полегшує юстирування лінії передачі;
> СО2-лазер, λ = 10,6 мкм — придатний для більш довгих ліній передач, оскільки за допомогою них лазерів досягаються вищі вихідні потужності в безперервному режимі (10-15 Вт).
Недоліками обох лазерів є їх низький ККД, а також великі розміри.
> Nd-ИАГ-лазер, λ= 1,06 мкм (його друга гармоніка, λ = 0,53 мкм) — цей лазер використовується переважно для передачі інформації між наземними станціями й супутниками.
Джерела світла для оптичного зв'язку через світловоди:
> світлодіоди;
> напівпровідникові інжекційні лазери, що працюють у безперервному й імпульсному режимах.
Через мале затухання у світловоді на довжині хвилі λ = 1,3 і 1,55 мкм розроблені спеціально для хвиль цієї довжини лазери на подвійний гетероструктурі InGaAsP/ ІnР, причому досягається вихідна потужність 15 мВт.
Для довгих ліній зв'язку як джерела світла використовуються лазери.
МОДУЛЯЦІЯ
Модуляція - це зміна параметрів світлового променя залежно від провідного (модулювального) сигналу, що несе інформацію, при цьому розрізняють дві основні форми модуляції: зовнішню й пряму.
При зовнішній модуляції поляризований світловий промінь проходить поза джерелом світла в модулятор, в якому в такті переданого сигналу змінюється амплітуда або фаза випромінювання. Модулятор працює, загалом, на основі електрооптичного ефекту.
При прямій модуляції випромінювання модулюється безпосередньо за рахунок збудження джерела світла, тобто джерело світла саме випромінює модульоване світло. Пряма модуляція може бути реалізована тільки у світло-діодах та інжекційних лазерах, що досягається шляхом модуляції струму накачування.
Аналогова модуляція має недолік у порівнянні з іншими можливостями імпульсної модуляції, включаючи й КІМ.
Відношення сигнал/шум на приймачі, необхідне для неперекрученого виявлення сигналу, повинне бути вищим у порівнянні з імпульсно-кодовою модуляцією на 20 дБ.
В оптичних системах передачі інформації особливо вигідні системи з ІКМ.
ПРИЙМАЧІ
Виявлення модульованого випромінювання при одночасній демодуляції, тобто відтворенні переданої інформації, здійснюється за допомогою оптоелектронних приймачів (детекторів).
РЕТРАНСЛЯТОРИ
Через втрати й дисперсію у світловоді виникає ослаблення й перекручування поширюваного імпульсу, тому па певній відстані необхідна регенерація імпульсу. Ця регенерація здійснюється в ретрансляторі. Завдання цього пристрою полягає в тому, щоб здійснити посилення, а також формування (регенерацію) імпульсу.
Принцип дії такого пристрою полягає в тому, що отриманий оптичний сигнал у приймачі перетворюється на електричні імпульси, а потім відбувається їхнє посилення, а також формування в електронному підсилювачі. Регенерований і посилений сигнал слугує потім провідним сигналом у джерелі світла передавача, що знову передає сигнал по наступній волоконно-оптичній лінії.
Регенерація імпульсів повинна повторюватися через певну відстань у лінії передачі. Припустима максимальна відстань між двома ретрансляторами залежить від параметрів системи, зокрема від швидкості передачі двійкових одиниць інформації, джерела світла й застосовуваного типу світловода.
СИСТЕМИ ЗВ’ЯЗКУ
Використання оптичних систем передачі інформації є доцільним в тих випадках, коли має бути використана перевага великої ширини смуги каналу передачі й можуть бути реалізовані великі лінії зв’язку.
Волоконно-оптичні системи передачі інформації розділяють на системи передачі ближньої, далекої та середньої дії.
У системах передачі інформації ближньої дії, передбачених переважно для промислового застосування, довжина каналів передачі досить невелика — від декількох метрів до кількох сотень метрів. Сфери застосування — управління за допомогою обчислювальної машини, зв’язок з ЕОМ і використання в системах автоматики.
Довжина ліній передач у системах передачі середньої дії — до декількох кілометрів. Типовими сферами застосування є передача даних, відеосигналу, наприклад кабельне телебачення.
Система передачі далекої дії слугує для подолання великих відстаней.