Оптоэлектронные запоминающие устройства

Московская Государственная Академия

Московская Государственная Академия

Приборостроения и Информатики

<

2008г.

План.

Стр.

Вступление.

2

1.Оптоэлектронные запоминающие устройства.

3

-Назначение.

-Область применения.

2. Виды и характеристики:

4

УСТРОЙСТВО НАКОПИТЕЛЕЙ CD-ROM

4

-Устройство привода CD-ROM.

4

-Устройство компакт - диска.

8

-Принцип физического действия.

8

-Алгоритм работы накопителя CD-ROM.

10

ПАРАМЕТРЫ НАКОПИТЕЛЕЙ CD-ROM

12

- Переносные

- (CD, CD-R, CD-RW, DVD).

12

-Параметры и характеристики.

- Стационарные.

15

-Магнитно-оптический накопитель.

-Принцип физического действия.

-Параметры и характеристики.

-Голографическое запоминающее устройство.

16

- Теория и принцип физического действия.

3. Оптоэлектроника - перспективы развития.

20

Список используемой литературы.

21

Вступление.

Оптоэлектроника — одно из наиболее развитых направлений в функциональной микроэлектронике, поскольку оптические и фотоэлектрические явления достаточно хорошо изучены, а технические средства, основанные на этих явлениях, длительное время используются в электронике (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фотодиоды, фототранзисторы и др.).

Первоначально Оптоэлектроника считалась сравнительно узкой отраслью электроники, изучающей лишь полупроводниковые светоизлучатели и фотоприемники. Однако в последнее время понятие «Оптоэлектроника» значительно расширилось. Теперь в него включают и такие недавно возникшие направления, как лазерная техника, волоконная оптика, голография и др.

Оптоэлектроника основана на электронно-оптическом принципе получения, передачи, обработки и хранения информации, носителем которой является электрически нейтральный фотон. Совмещение в оптоэлектронных функциональных устройствах двух способов обработки и передачи информации — оптического и электрического — позволяет достигать огромного быстродействия, высокой плотности размещения хранимой информации, создания высокоэффективных средств отображения информации. Очень важным преимуществом элементов оптоэлектроники является то, что они оптически связаны, а электрически изолированы между собой. Это обеспечивает надежное согласование различных оптоэлектронных цепей, способствует однонаправленности передачи информации, помехоустойчивости каналов передачи сигналов.

1.Оптоэлектронные запоминающие устройства. Назначение. Область применения.

Оптоэлектронные устройства нашли свое применение и персональной электронике, в частности в ЭВМ. С момента создания первой ЭВМ встал вопрос о необходимости хранения данных. С начала данные хранили на перфокартах и перфолентах, за тем появились и магнитные носители. Но с развитием технологий производства микропроцессоров растет и производительность ЭВМ. Вместе с тем, усложнились и, соответственно, увеличились в объеме, программные продукты для компьютеров (прежде всего игры и базы данных), и поставка их на дискетах оказалась чрезмерно дорогостоящей и ненадёжной. По этому на смену магнитным носителям пришли оптические устройства для хранения данных на компакт диске CD-ROM (Compact Disk, Read-Only Memory).

Эти устройства явились результатом плодотворного сотрудничества двух гигантов электронной промышленности - японской фирмы Sony и голландской Philips. Любопытно, что строго определенная емкость компакт-дисков связана с интересной историей.

Исполнительный директор фирмы Sony Акио Морита (кстати, именно он является автором плеера Walkman) решил, что компакт-диски должны отвечать запросам исключительно любителей классической музыки не более и не менее. После того как группа разработчиков провела опрос, выяснилось, что самым популярным классическим произведением в Японии в те времена была 9-я симфония Бетховена, которая длилась 72,73 минуты. Видимо, если бы японцы больше любили короткие симфонии Гайдна или оперы Вагнера (исполняемые по два вечера), развитие компакт-дисков могло пойти совсем по другому пути. Но факт остается фактом, поэтому было решено, что компакт-диск должен быть рассчитан всего на 74 минуты звучания, а точнее на 74 минуты и 33 секунды. Так родился стандарт, известный как "Красная Книга" (Red Book). Не все любители музыки могли согласиться с выбранной длительностью звучания, но, по сравнению с 45 минутами, предоставляемыми виниловыми пластинками, и их недолговечностью это было существенным шагом вперед. Когда 74 минуты пересчитали в байты, то получилось как раз 640 Мбайт.

2.Виды и характеристики. Устройство накопителей CD-ROM.

Устройство привода CD-ROM.

Типовой привод состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и системы загрузки диска.

На плате электроники размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала. Большинство приводов использует одну плату электроники, однако, в некоторых моделях отдельные схемы выносятся на вспомогательные небольшие платы. 

Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной линейной скоростью. Сохранение постоянной линейной скорости требует изменения угловой скорости диска в зависимости от положения оптической головки. При поиске фрагментов диск может вращаться с большей скоростью, нежели при считывании, поэтому от шпиндельного двигателя требуется хорошая динамическая характеристика; двигатель используется как для разгона, так и для торможения диска. 

На оси шпиндельного двигателя закреплена подставка, к которой после загрузки прижимается диск. Поверхность подставки обычно покрыта резиной или мягким пластиком для устранения проскальзывания диска. Прижим диска к подставке осуществляется при помощи шайбы, расположенной с другой стороны диска; подставка и шайба содержат постоянные магниты, сила, притяжения которых прижимает шайбу через диск к подставке. 

Система оптической головки состоит из самой головки и системы ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель, на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Система фокусировки представляет собой подвижную линзу, приводимую в движение электромагнитной системой voice coil (звуковая катушка), сделанной по аналогии с подвижной системой громкоговорителя. Изменение напряженности магнитного поля вызывают перемещение линзы и пере фокусировку лазерного луча. Благодаря малой инерционности такая система эффективно отслеживает вертикальные биения диска даже при значительных скоростях вращения. 

Система перемещения головки имеет собственный приводной двигатель, приводящий в движение каретку с оптической головкой при помощи зубчатой либо червячной передачи. Для исключения люфта используется соединение с начальным напряжением: при червячной передаче - подпружиненные шарики, при зубчатой - подпружиненные в разные стороны пары шестерней. 

Система загрузки диска выполняется в двух вариантах: с использованием специального футляра для диска (caddy), вставляемого в приемное отверстие привода, и с использованием выдвижного лотка (tray), на который кладется сам диск. В обоих случаях система содержит двигатель, приводящий в движение лоток или футляр, а также механизм перемещения рамы, на которой закреплена вся механическая система вместе со шпиндельным двигателем и приводом оптической головки, в рабочее положение, когда диск ложится на подставку шпиндельного двигателя. При использовании обычного лотка привод невозможно установить в иное положение, кроме горизонтального. В приводах, допускающих монтаж в вертикальном положении, конструкция лотка предусматривает фиксаторы, удерживающие диск при выдвинутом лотке. 

На передней панели привода обычно расположены кнопка Eject для загрузки/выгрузки диска, индикатор обращения к приводу и гнездо для подключения наушников с электронным или механическим регулятором громкости. В ряде моделей добавлена кнопка Play/Next для запуска проигрывания звуковых дисков и перехода между звуковыми дорожками; кнопка Eject при этом обычно используется для остановки проигрывания без выбрасывания диска. На некоторых моделях с механическим регулятором громкости, выполненным в виде ручки, проигрывание и переход осуществляются при нажатии на торец регулятора. 

Большинство приводов также имеет на передней панели небольшое отверстие, предназначенное для аварийного извлечения диска в тех случаях, когда обычным способом это сделать невозможно - например, при выходе из строя привода лотка или всего CD-ROM, при пропадании питания и т.п. В отверстие нужно вставить шпильку или распрямленную скрепку и аккуратно нажать - при этом снимается блокировка лотка или дискового футляра, и его можно выдвинуть вручную.

Время доступа (access time).

Время доступа к данным для накопителей CD - ROM определяется точно также, как и для жёстких дисков. Оно равняется задержке между получением команды и моментом считывания первого бита данных. Время доступа измеряется в миллисекундах и его стандартное паспортное значение для накопителей 4х скоростных приблизительно равно 200 мс. При этом имеется в виду среднее время доступа, поскольку реальное время доступа зависит от расположения данных на диске. Очевидно, что при работе на внутренних дорожках диска время доступа будет меньше, чем при считывании информации с внешних дорожек. Поэтому в паспортах на накопители приводится среднее время доступа, определяемое как среднее значение при выполнении нескольких случайных считываний данных с диска.

Очевидно, что чем меньше время доступа, тем лучше, особенно в тех случаях, когда данные нужно находить и считывать быстро. Время доступа к данным на CD - ROM постоянно сокращается . Заметим, что этот параметр для накопителей CD - ROM намного хуже, чем для жёстких дисков (85-500 мс для CD - ROM и 10 мс для жёстких дисков).Столь существенная разница объясняется принципиальными различиями в конструкциях: в жёстких дисках используется несколько головок и диапазон их механического перемещения меньше. Накопители CD - ROM используют один лазерный луч, и он перемещается вдоль всего диска . К тому же данные на компакт - диске записаны вдоль спирали и после перемещения считывающей головки для чтения данной дорожки необходимо ещё ожидать, когда лазерный луч падает на участок с необходимыми данными. При чтении внешних дорожек время доступа больше, нежели при чтении внутренних дорожек.Обычно, когда увеличивается скорость передачи данных, соответственно уменьшается и время доступа.

Скорость передачи данных (dats-transfer rate).

Пpи стандаpтной скоpости вpащения скоpость пеpедачи данных составляет около 150 кб/с. В двух- и более скоpостных CD-ROM диск вpащается с пpопоpционально большей скоpостью, и пpопоpционально повышается скоpость пеpедачи (напpимеp, 1200 кб/с для 8-скоpостного).

Из-за того, что физические паpаметpы диска (неодноpодность массы, эксцентpиситет и т.п.) стандаpтизиpованы для основной скоpости вpащения, на скоpостях, больших 4-6, уже возникают значительные колебания диска, и надежность считывания, особенно для дисков нелегального пpоизводства, может ухудшаться. Hекотоpые CD-ROM пpи ошибках чтения могут снижать скоpость вpащения диска, однако большинство из них после этого не могут возвpащаться к максимальной скорости вплоть до смены диска. Hа скоpостях свыше 4000-5000 об/мин надежное считывание становится пpактически невозможным, поэтому последние модели 10- и более скоpостных CD-ROM огpаничивают веpхний пpедел скоpости вpащения. Пpи этом на внешних доpожках скоpость пеpедачи достигает номинальной (напpимеp, 1800 кб/с для 12-скоpостных моделей, а по меpе пpиближения к внутpенним - падает до 1200-1300 кб/с.

Для указания скорости чтения CD по сравнению со стандартом Audio CD (CD-DA) обычно применяют цифры 24x, 32x, 34x и тд. Однако за последнее время технология немного изменилась. Первые модели CD-ROM использовали постоянную линейную скорость чтения (CLV). Это требовало изменения скорости вращения диска при перемещении головки. Для устройств 1x (150kb/s) эта скорость лежала в диапазоне 200-530об/мин. Устройства 2x -12x скоростные просто повышали скорость вращения. Однако уже увеличение скорости до 12x требует частоты вращения 2400-6360об/мин что очень велико для сменного носителя (часто также плохо отцентрированного). К тому же разная скорость вращения для разных областей диска повышает время доступа, т.к. при перемещении головки необходимо и соответственно изменять скорость вращения диска. Дальнейшее повышение скорости таким способом очень проблематично, поэтому производители перешли к технологии P-CAV и CAV. Первая предусматривает переход от постоянной линейной скорости к постоянной угловой скорости (CAV) на внешних дорожках диска, а вторая использует постоянную угловую скорость для всего диска. В связи с этим цифры типа 32x немного утрачивают свое значение, т.к. обычно относятся к внешней стороне диска, а информация на CD записывается, начиная с внутренних дорожек и на незаполненных полностью дисках эта скорость вообще не достигается.

Устройство компакт - диска. Принцип физического действия.

Стандартный диск состоит из трех слоев: подложка из поликарбоната, на которой отштампован рельеф диска, намыленное на нее отражающее покрытие из алюминия, золота, серебра или другого сплава, и более тонкий защитный слой поликарбоната или лака, на который наносятся надписи и рисунки. Некоторые диски «подпольных» производителей имеют очень тонкий защитный слой, либо не имеют его вовсе, отчего отражающее покрытие довольно легко повредить.

Обычный процесс изготовления компакт-диска состоит из нескольких этапов. Как правило, они включают в себя следующие операции: подготовку информации для записи на мастер-диск (первый образец), изготовление самого мастер диска и матриц (негатив мастер-диска), тиражирование компакт-дисков. Закодированная информация наносится на мастер-диск лазерным лучом, который создает на его поверхности микроскопические впадины, разделяемые плоскими участками. Цифровая информация представляется здесь чередованием впадин (не отражающих пятен) и отражающих свет островков (см. рис.1). Копии негатива мастер-диска (матрицы) используются для прессования самих компакт-дисков. Отметим, что сформированные лазерным лучом впадины очень малы по размеру. Длина штрихов вдоль дорожки записи может колебаться от 0.9 до 3.3 мкм, это значит, что 30-40 впадин соответствуют примерно 50 мкм, а это толщина человеческого волоса.

Считывание информации с диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отражённого от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приёмник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был ли он рассеян или поглощен. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены впадины. Сильное отражение луча происходит там, где этих впадин нет. Фотодатчик, размещённый в накопителе CD - ROM, воспринимает рассеянный луч, отражённый от поверхности диска. Затем эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.

Глубина каждой впадины на диске равна 0.12 мкм, ширина - 0.6 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1.6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков на дюйм или 625 витков на миллиметр. Дорожка начинается на некотором расстоянии от центрального отверстия и заканчивается примерно в 5 мм от внешнего края.

Если на компакт - диске необходимо отыскать место записи определённых данных, то его координаты предварительно считываются из оглавления диска, после чего считывающее устройство перемещается к нужному витку спирали и ждёт появления определённой последовательности битов.

В каждом блоке диска, записанного в формате CD - DA (аудио компакт - диск), содержится 2352 байт. На диске CD - ROM 304 из них используется для синхронизации, идентификации и коррекции кодов ошибок, а оставшиеся 2048 байт - для хранения полезной информации. Поскольку за секунду считывается 75 блоков, скорость считывания данных с дисков CD - ROM составляет 153 600 байт/с (односкоростной CD - ROM), что равно 150 Кбайт/с.Поскольку на компакт - диске может содержаться максимальный объём данных, который считывается 74 мин, а за секунду считывается 75 блоков по 2048 байт, нетрудно подсчитать, что максимальная ёмкость диска CD - ROM составит 681 984 000 байт (около 650 Мбайт).

Алгоритм работы накопителя CD-ROM.

1. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на отражающее зеркало.

2. Серводвигатель по командам встроенного микропроцессора, смещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт - диске.

3. Отражённый от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму.

4. Разделительная призма направляет отражённый луч на другую фокусирующую линзу.

5. Эта линза направляет отражённый луч на фотодатчик, который преобразует световую энергию в электрические импульсы.

6. Сигналы с фотодатчика декодируются встроенным микропроцессором и передаются в компьютер в виде данных.

Впадины, нанесённые на поверхность диска, имеют разную длину. Интенсивность отражённого луча изменяется, соответственно изменяя электрический сигнал, поступающий на фотодатчик. Биты данных считываются как переходы между высокими и низкими уровнями сигналов, которые физически записываются как начало и конец каждого штриха. 

Поскольку для программных файлов и файлов с данными важен каждый бит, в накопителях CD-ROM используются весьма сложные алгоритмы обнаружения и коррекции ошибок.

Благодаря таким алгоритмам вероятность неправильного считывания данных составляет менее 0.125 . Другими словами, безошибочно считывается два квадриллиона дисков, что соответствует стопке компакт - дисков высотой около двух миллиардов километров.

Для реализации этих методов коррекции ошибок к каждым 2048 полезным байтам добавляется 288 контрольных. Это позволяет восстанавливать даже сильно повреждённые последовательности данных (длиной до 1000 ошибочных битов). Использование столь сложных методов обнаружения и коррекции ошибок связано, во-первых, с тем, что компакт - диски весьма подвержены внешним воздействиям, а, во-вторых , потому, что подобные носители изначально разрабатывались лишь для записи звуковых сигналов, требования к точности которых не столь высоки.

Параметры накопителей CD-ROM.

Переносные (CD-DA, CD-R, CD-RW, DVD): Параметры и характеристики.

CD-DA (Compact Disk - Digital Audio- цифровой звук), по принципу действия, совпадает с вышеописанным примером, т.е. годится только для чтения данных, записанных на него производителем.

<>

Рис.1

Этот последний недостаток побудил производителей на поиски технологии записываемых CD. Так появился CD-R (Compact Disk- Recordable - записываемый). Носители типа CD-R могут быть записаны самим пользователем на специальном CD-R-приводе. В основном здесь применяются технологии, основанные на изменении отражающих свойств вещества подложки компакт-диска под действием луча лазера. У СD-R четыре слоя, а не три как у обычного CD (см. рис.2). Лазеры в устройствах CD-R работают на трех или более уровнях мощности. На самом низком уровне свет лазера может только определять наличие или отсутствие выемок или отметок на записывающей поверхности - читать диск. А на самом высоком уровне он сам может прожигать отметки на этой поверхности. Записываемые диски можно записывать только один раз, это определяется технологией записи этих дисков. Можно сделать выемки на поверхности диска, но после этого, конечно, нельзя их удалить. Кстати, заметим, что записываемые компакт-диски в несколько раз дороже обычных CD. Дело в том, что в качестве светоотражающего слоя в них используется уже не алюминий, а золото. Между прочим, подобные компакт-диски обычно служат как мастерные для дальнейшего тиражирования. Тем не менее, в ряде случаев CD-R-диски можно использовать и для долговременного архивирования какой-либо ценной информации. Заметим, что читать CD-R диск можно и на обычном приводе, но, разумеется, только первый сеанс записи. Когда смотришь на не полностью записанный CD-R, область с информацией выглядит более темной и она легко различима.

<>

Рис. 2

CD-RW (Compact Disk - ReWritable - перезаписываемый).

Как бы небыли хороши CD-R, их нельзя использовать несколько раз. Возможность перезаписи информации на диске становилась все более актуальной и по этому учеными была создана более сложная версия CD. Диск CD-RW содержит на два слоя больше чем CD-R. Но технология записываемого слоя основана на сплаве нескольких металлов.Этот сло формируется из неких кристалов, хорошо отражающих свет.

В место того чтобы создавать высокомощным лазером выемки, устройства записи CD-RW на большем уровне мощности лазера расплавляют небольшой участок слоя. После расплавления материал застывает в аморфном состоянии, в котором он отражает свет гораздо хуже, чем в кристалическом. Средняя мощность лазера используется для нагрева этого слоя до темпиратуры, которая хоть и ниже темпиратуры плавления, но достаточно высока для того, чтобы аморфные участки опять перешли в кристалическое состояние. Слой Металического сплава с фазовым переходом находится между двумя диэлектрическими слоями (см. рис.3).

Эта технология позволила записывать и стирать информацию на диске, причем стрирание может происходить прямо при записи. Отметки на диске CD-RW рассеивают свет несколькохуже, чем отметки на CD-R или выемки на CD, по этому их можно прочесть только на устройстве с автомотическим контролем уровня.

На данный момент CD-RW являются почти идеальной средой для записи и хранения данных.

<>

Рис. 3

DVD (Digital Versatile Disk - цифровой многоцелевой диск) или первоначально (Digital Video Disk) разрабатывались для домашнего видео. Отличаются тем, что могут хранить объем данных многократно превышающий возможности компакт дисков (от 4,7 до 17 Гб.). Уровень качества звука и изображения хранимого на DVD приближен к студийному качеству. В накопителях DVD используется более узкий луч лазера чем в CD-ROM, поэтому толщина защитного слоя диска была снижена в 2 раза, что привело к появлению двухслойных дисков.Кроме этого могут быть использованы обе стороны диска , таким образом, один диск может иметь четыре рабочих плоскости. Эти диски, как и CD можно использовать только для чтения.

DVD-R и DVD-RAM соответственно записываемый (Recordable) и перезаписываемый (Erasable- ReWritable) являются последними разработками . DVD-R уже имеется в продаже, но его высокая стоимость не позволяет ему стать таким доступным как CD-R или CD-RW.

Стационарные.

Магнитно-оптический накопитель: Принцип физического действия, параметры и характеристики.

Магнитооптические накопители (Magneto-Optical) представляют собой накопитель информации, в основу которого положен магнитный носитель с оптическим управлением. Поверхность магнитооптического диска покрыта сплавом, свойства которого меняются как под воздействием тепла, так и под воздействием магнитного поля. Если нагреть диск сверх некоторой температуры (температуры Кюри), то становится возможным изменение магнитной поляризации посредством небольшого магнитного поля.

Световой импульс сфокусированного лазера быстро разогревает магнитный материал в одно крошечной точке практически до температуры Кюри, а записывающая головка генерирует поле, достаточное для изменения ориентации намагниченности данной точки. Когда точка остывает, внесенные изменения блокируются высокой коэрцитивной силой.

Чтение диска основано на способности магнитной среды изменять поляризацию света. Возвращенный луч проходит через линейный поляризатор. Он пропускает фотоны, отразившиеся от участка с одной ориентацией, и не пропускает практически ни одного фотона отразившегося от участка с противоположенной ориентацией намагниченности. Отмечая скачки в амплитуде отраженного луча можно считывать ориентацию магнитного поля на поверхности среды.

МО диски могут быть односторонними 3,5” емкости 128, 230, и 640 Мб. Двухсторонними 5,25” емкостью 600 Мб. - 2,6 Гб. 2,5” диски Mini Disk Data фирмы Sony, созданы специально для аудиоустройств, имеют емкость 140 Мб. 12” диски для однократной записи емкостью 3,5 - 7 Гб. Большое распространение получили при построении оптических библиотек.

Голографическое запоминающее устройство: Теория и принцип физического действия.

Оптоэлектронные устройства находят все более широкое приме­нение в вычислительной технике. Наиболее перспективными в на­стоящее время считаются так называемые голографические устрой­ства памяти ЭВМ, основанные на принципах голографии — нового, быстро развивающегося направления оптоэлектроники.

Прежде чем познакомиться с работой оптического запоминающего устройства (ЗУ), необходимо хотя бы в общих чертах рассмотреть сущность голографического отображения информации.

В 1947 г. английский ученый Д. Габор разработал метод записи и вос­становления пространственной структуры световой волны (волнового фрон­та), который получил название голографии.

Известно, что обычное фотографическое изображение того или иного объекта не дает представления о его объемных свойствах. Это происходит потому, что фотопластинка реагирует только на среднюю интенсивность света при экспонировании и не способна реагировать на фазу световой волны, ко­торая зависит от расстояния между объектом и фотопластинкой. Д. Габор обратил внимание на то, что при фотографировании всегда приходится осу­ществлять наводку на резкость, иначе изображение будет нечетким. Между тем, независимо от наводки на резкость, с лучами света, образующими изоб­ражение на фотопластинке, никаких изменений на участке между объектом и фотопластинкой не происходит. В связи с этим Д. Габор предположил, что изображение объекта присутствует в скрытом от наблюдателя виде в любой

<>

<>

Рис. 1 Ввод излучения в световод:

а—безлинзовая система (1—кристалл световода; активная излучающая область; 3—световод: 4— оптический клей); б—с помощью фокусирующей линзы (1—излуча­тель; 2 — фокусирующий элемент; 3 - световод)

плоскости между объектом и фотопластинкой. Иначе говоря, изображение в том или ином виде содержится в самой структуре световой волны, распро­страняющейся от объекта к объективу фотоаппарата. Именно эта волна несет наиболее полную информацию об объекте, причем эта информация оказы­вается зашифрованной в амплитудных и фазовых изменениях волнового фрон­та. Таким образом, для получения необходимой информации об объекте, в том числе и о его объеме, достаточно зафиксировать (записать) пространственную структуру световой волны, а затем, используя эту запись, восстановить изоб­ражение объекта. Этот двухступенчатый процесс записи и восстановления волнового фронта, несущего информацию об объекте, и называется голографией, а зафиксированная пространственная структура световой волны — голограммой.

Каким же образом можно зафиксировать на фотопластинке ч амплитуду, и фазу световой волны? Д. Габор предложил использовать для записи голограммы явление интерференции двух когерентных световых лучей, а для восстановления изображения с голограммы — явление дифракции света.

Как известно, при интерференции волны от двух одинаковых источников света, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, в любой точ­ке пространства будут накладываться друг на друга, причем в некоторых точках произойдет удвоение амплитуды, а в некоторых амплитуда колебаний окажется равной нулю. Это дает основание утверждать, что в интерференци­онной картине содержится определенная фазовая информация, позволяю­щая определить расстояние от какого-то места интерференционной картины до источника (или источников) изучения. Величина максимумов распреде­ления поля в интерференционной картине позволяет оценить интенсивность излучения, а соотношение между максимумами и минимумами — когерент­ность. Следовательно, в интерференционной картине (голограмме) записана вся возможная информация об излучении источников.

Когерентный луч света, который освещает объект и рассеивается им, на­зывают сигнальным; луч, создающий когерентный фон — опорным.

Одна из важнейших особенностей голографии — возможность записи большого числа голограмм на одной и той же фотопластинке при использо­вании по-разному направленных опорных лучей.

Если для записи голограммы необходимы два источника когерентного изучения, то для восстановления изображения объекта голограмму доста­точно осветить только одним опорным лучом. Для извлечения информации из голограммы обычно пользуются той же установкой, что и для голографирования. Голограмма устанавливается на то же место, где находилась фотопластинка при изготовлении голограммы, и облучается лучом лазера.

За счет явления дифракции луч света после прохождения голограммы разделяется на три составляющих: одна из них проходит через голограмму без изменения направления (так называемый луч нулевого дифракционного порядка); два других отклоняются от первоначального направления на не­который угол, зависящий от длины волны и шага интерференционных полос, зафиксированных на голограмме (лучи первого и второго дифракционного порядков). Эти лучи содержат всю информацию о голограмме, а наблюдатель, фиксирующий их, получает наиболее полное представление о форме и объеме соответствующего объекта.

.'Рассмотрим теперь возможности записи информации в голографических ЗУ вычислительных машин (рис. 2)

.Объектом записи в вычислительной технике обычно является. `Двумерная матрица двоичных знаков. При записи информации луч лазера с помощью системы зеркал разделится на два: сигнальный, проходящий через запоминаемый объект, и опорный. Направление опорного луча управляется дефлектором — устройством, состоя-

<>

Рис. 2 структурная схема голографического запоминающего устройства (ЗУ)

щим из модулятора поляризации света и лучепреломляющего кри­сталла. В зависимости от комбинации управляющих напряжений, поступающих на вход модулятора, можно получить множество пространственных положений светового луча. Изменение дефлек­тором направления опорного луча позволяет последовательно за­писать необходимое .число голограмм.

Цифровая информация, подлежащая записи, наносится на так называемый транспарант, представляющий собой двумерную матрицу прозрачных и непрозрачных участков, соответствующих единицам и нулям двоичного кода.

При воспроизведении информации дефлектор настраивается на определенное положение опорной волны и таким образом выбира­ется изображение требуемого транспаранта. Сигнальный луч при этом перекрывается затвором. Дальнейшая выборка нужной ин­формации осуществляется электронным путем при обработке сиг­налов, зафиксированных при воспроизведении на матрице фото­приемников.

Стандартные фотопластинки, используемые в голографических ЗУ, обеспечивают сочетание высокой разрешающей способности (до 3 • 103 .линий/мм) и фото чувствительности (порядка 10 в -5Дж/см2). Емкость памяти типичного голографического ЗУ составляет 106 бит/с.

Повышенный интерес к топографическим ЗУ объясняется не ­только большой информационной емкостью голограмм. Основным фактором является высокая помехоустойчивость голографической записи, поскольку при любых видах помех интерференционная картина записанного изображения практически не нарушается.

2. Оптоэлектроника - перспективы развития.

Оптоэлектроника как самостоятельное научно-техническое направление возникла сравнительно недавно, а ее достижения неразрывно связаны с развитием современной микроэлектроники. Тяжело представить себе современную жизнь без CD-ROM, DVD, оптоволоконных кабелей, лазерных принтеров, дистанционных пультов и всего того, что дала нам оптоэлектроника и без чего мы уже не мыслим жизнь.

Оптоэлектроника - это наука будующего.

Список используемой литературы.

  1. П.Нортон, Дж. Гудман “Персональный компьютер: аппаратно - программная организация. ”, пер. с англ., -СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1999г.

  2. М. Гук “Аппаратные средства ABM PC. Энциклопедия. ” - СПб.: Питер Ком, 1998г.

  3. В. Чепурна “Устройства хранения информации.” - СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1998г.

Ресурсы интернет :

1. www.km.ru - раздел “Энциклопедия персонального компьютера”

2. http://zstu.edu.ua/base/home/rpf/lib/periph/hole/Spr/cdrom.php -

ЗГТУ, кафедра радиоэлектроники

3

1

Кафедра персональная электроника

КУРСОВАЯ РАБОТА

По курсу

“Основы электроники”

Отделение (УКП) г. Москва

Группа ПР-7

Специальность 200

Курс 3

Шифр 0000

Студент Лебедев А.В.

Тема “Оптоэлектронные

запоминающие устройства“