Использование лазеров в информационных технологиях

Введение

Наряду с научными и техническими применениями лазеры используются в информационных технологиях для решения специальных задач, причем эти применения широко распространены или находятся в стадии исследований. Наиболее распространенными примерами таких применений являются оптическая цифровая память, оптическая передача информации, лазерные печатающие устройства, кроме того они применяются в вычислительной технике в качестве различных устройств.

Лазеры в выЧислительной технике

Принципиально достигнутые малые времена переключения делают возможным применение лазеров и комбинаций с лазерами, включая интеграцию в микроэлектронных переключательных схемах ( оптоэлектроника ):

-     в качестве логических элементов (да-нет, или);

-     для ввода и считывания из запоминающих устройств в вычислительных машинах.

В этих целях рассматриваются исключительно инжекционные лазеры.

Преимущества таких элементов: малые времена переключения и считывания, очень маленькие размеры элементов, интеграция оптических и электрических систем.

Достижимыми оказываются времена переключения примерно 10^-10 с (соответственно этому быстрые времена вычисления); емкости запоминающего устройства 10⁷ бит/см², и скорости считывания 10⁹ бит/с.

Лазерный принтер

Для печати в вычислительной технике и в других случаях часто применяется лазерное излучение. Преимущество их  в более высокой скорости печати по сравнению с обычными способами печатания.

Принцип действия их такой: поступающий от считываемого оригинала свет преобразуется в ФЭУ в электрические сигналы, которые соответствующим образом обрабатываются в электронном устройстве вместе с управляющими сигналами (для определения высоты шрифта, состава краски и т.д.) и служат для модуляции лазерного излучения. С помощью записывающей головки экспонируется расположенная на валике пленка. При этом лазерное излучение разделяется на ряд равных по интенсивности частичных лучей (шесть или больше), которые посредством модуляции при данных условиях подключаются или отключаются.

Применяемые лазеры: ионный аргоновый лазер (мощность не более 10 мВт), инжекционный лазер.

ОптиЧескаЯ цифроваЯ памЯть

Для становящейся все более тесной связи между обработкой данных, текста и изображения необходимо применять новые методы записи информации, к которым предъявляются следующие требования:

-     более высокая емкость запоминающего устройства;

-     более высокая эффективность хранения архивных материалов,

-     лучшее соотношение между ценой и производительностью.

   Это может быть достигнуто с помощью записи и считывания цифровой информации.

Принцип действия. Информация (речь, музыка, изображения, данные), содержащиеся в виде электрических сигналов, преобразуется в цифровые величины и выражается тем самым в виде последовательности импульсов, которая записывается в различной форме (в виде углублений или отверстий различной длины и расстояний между ними или магнитным способом) на диске запоминающего устройства.

При считывании считывающий свет, отраженный (рассеянный в обратном направлении) от этих углублений (отверстий), модулируется и с помощью фотоприемника преобразуется в соответствующий электрический сигнал.

Лазерно-оптическое считывание информации. С помощью этого способа в приборе, аналогичном проигрывателю, воспроизводится неконтактным способом записанная на диске информация (диаметр дисков до 30 см), причем применяются лазерные диски только для считывания, например видеодиски, компакт-диски.

Принцип действия. Кодирование информации происходит путем создания информационных микроуглублений, имеющих различную длину и различные расстояния между ними. Информация на диске сохраняется, таким образом, в цифровой форме, записанной по спирали, которая состоит из информационных ямок (рис. 1).

Лазерный видеодиск характеризуется следующими параметрами:

-     расстояние между двумя профилирующими дорожками 1,6 мкм;

-     ширина углубления 0,4 мкм;

-     максимальная длина углубления 3,3 мкм;

-     минимальная длина углубления 0,9 мкм;

-     максимальное расстояние между углублениями 3,3 мкм;

-     минимальное расстояние между углублениями 0,9 мкм.

При изготовлении видеодисков нанесенный прежде на подложку из стекла фотолак экспонируется с помощью специальной оптической системы излучением коротковолнового лазера (криптоновый лазер, l=0,35 мкм). После этого следует многоступенчатый процесс проявления, в результате которого образуется образцовый диск, который используется затем для изготовления других дисков путем оттиска. На полученные после отделения от образцового диска оттиски наносится зеркальное покрытие и слой лака, так что полученные при записи микроуглубления не могут быть закрыты частицами пыли. Пыль и царапины на защитном слое не мешают, поскольку они находятся вне плоскости фокусировки считывающей оптики (рис.2 ).

При считывании микроскопических маленьких структур используются эффекты дифракции и интерференции света. Оптическая считывающая система для видеодисков состоит из:

-     He-Ne-лазера (мощность мВт), который излучает линейно поляризованный свет;

-     делителя пучка, который разделяет свет на три пучка с соотношениями интенсивностей 1:3:1 (дифракционная решетка. Работающая на просвет с минус первым, нулевым и плюс первым порядками дифракции);

-     призмы Волластона (оптическая длина пути зависит от направления поляризации);

-     пластинки l/4;

-     считывающего объектива, перемещаемого по принципу катушки с подвижным сердечником в направлении оптической оси (ограниченный дифракцией микрообъектив очень малой массы);

-     системы фотоприемников (квадратных приемников), а также цилиндрической линзы.

Рассеянный в обратном направлении от диска свет лазерного пучка отображается на квадратном приемнике, лучи, использованные для слежения за дорожкой, попадают на приемники (рис. 3)

Таким образом, становится возможным формирование управляющих сигналов для корректной фокусировки считывающих лучей на информационной дорожке и обеспечение слежения за дорожкой.

Оптическая считывающая головка для цифрового лазерного проигрывателя. Обратно рассеянный от лазерной пластинки свет попадает на фотодиоды F₁-F₄ . Возникающие при этом фототоки комбинируются друг с другом таким образом, что становится возможным получение как управляющих сигналов для радиальной коррекции, так и управляющего сигнала для установки на резкость считывающей оптики (рис. 4).

Радиальный управляющий сигнал формируется комбинацией токов фотодиодов (F₁+F₂) - (F₃+F₄). Если считывающий объектив сфокусирован на информационную плоскость диска, то после призм 4 появляются два резких изображения между фотодиодами F₁, F₂, а также F₃, F₄. Если фокальная плоскость считывающего объектива находится за или перед информационной плоскостью, то изображения становятся нерезкими и движутся друг к другу или друг от друга. Тогда с помощью комбинации токов фотодиодов (F₁+F₂) - (F₃+F₄) может быть получен управляющий сигнал для установки на резкость считывающей головки.

Однократная запись информации. Этот принцип позволяет осуществить однократную запись и многократные считывания информации. Для этого на нижней стороне очень плоской стеклянной пластины наносится слой теллура. Две круглые стеклянные пластины юстируются относительно друг друга таким образом, что слои теллура защищены снаружи стеклянными пластинами.

На слоях теллура, находящихся на внутренних сторонах пластин, записывается информация. Пластины снабжены спиральной дорожкой (спиральной канавкой глубиной примерно l/4), которая служит для юстировки считывающего или записывающего луча. При записи одного бита информации в слое теллура импульсно повышается мощность полупроводникового лазера за время 50 нс до 12 мВт, при этом в слое возникает отверстие диаметром примерно 1 мкм. Запись и считывание осуществляются с помощью одинакового устройства, причем при считывании мощность полупроводникового лазера уменьшается до 1 мВт (рис. 5).

С помощью таких методов записи и считывания достигаются емкости запоминающего устройства (диаметр диска 30 см) 10¹⁰ бит информации (передняя и задняя сторона); свободно выбираемые времена доступа составляют 150 мс.

Применяемые лазеры:

-     He-Ne-лазер;

-     полупроводниковый лазер (все более часто).

Области применения:

запоминающее устройство для хранения банка данных с  частым доступом;

-     запоминающее устройство для хранения архивных данных с отсроченным доступом;

-     внешнее дополнительное запоминающее устройство со свободно выбираемой адресацией в ЭВМ;

-     видеодиски для обучения;

-     видеодиски для библиотек и архивов;

-     запоминающие диски для управления и канцелярского дела;

-     аудиодиски с высококачественным воспроизведением звука.

Оптическая цифровая запись информации в магнитных слоях. В качестве носителя информации используется тонкий магнитооптический слой (преимущество: повторная запись данных).

Принцип действия. Запись информации происходит благодаря тому, что маленькие области магнитного слоя нагреваются с помощью сфокусированного лазерного луча, причем одновременно накладывается магнитное поле, напряженность которого меньше, чем коэрцитивная сила. В нагретых таким образом при наложенном магнитном поле областях исчезает намагниченность (запись точки Кюри). Считывание осуществляется таким же лазером при уменьшенной мощности, причем плоскость поляризации отраженного от диска света в зависимости от направления намагничивания маленьких областей поворачивается на величину 0,5 - 8 град (в зависимости от магнитооптического слоя) (магнитооптический эффект Керра).

Оптическое устройство записывающей и считывающей головки аналогично системам, используемым в описанных выше устройствах считывания и записи информации.

Дополнительно следует обратить внимание на рис. 6.

Свет, отраженный от маленьких перемагниченных областей, является эллиптически поляризованным и с помощью соответствующей фазовой пластинки преобразуется в линейно поляризованный. Линейно поляризованный свет разделяется на две составляющие, которые могут регистрироваться отдельно. Оба принятых сигнала подаются на дифференциальный усилитель и усиливаются. Усиленный сигнал прямо пропорционален поляризационному эффекту Керра.

Магнитооптическая запись позволяет в настоящее время иметь:

-     емкость памяти запоминающего устройства 10⁵ бит/см²;

-     число циклов (запись, считывание, стирание) 10⁶;

-     свободно выбираемые времена доступа 150 мс;

-     применение в качестве оперативной памяти в ЭВМ.

Оптический цифровой метод записи требует максимальной оптической и механической точности, а также:

-     предельно малого ограниченного дифракцией считывающего объектива;

-     считывающего объектива (микрообъектива) очень малой массы (0,6 г и меньше)

-     радиальных отклонений считывающего объектива с точностью ± 1 мкм;

-     ширины распределения интенсивности считывающего пятна по половине интенсивности примерно 1 мкм.

Цифровое оптическое запоминающее устройство позволяет производить неразрушающее считывание накопленной информации.

ОптиЧескаЯ передаЧа информации

Применение света для передачи сообщения известно давно. Прежде всего в первой половине этого столетия были успешно применены инфракрасные устройства для передачи информации в специальных системах, однако вследствие некогерентности излучения и тем самым сильно ограниченной дальности действия (недостаточная направленность светового пучка) и модуляционной способности подобные системы передачи не получили широкого распространения. Лишь с разработкой лазера в распоряжении специалистов оказался источник света с отличными когерентными свойствами (большая длина когерентности), излучение которого при большой частоте n (не более 10¹⁵ Гц) и тем самым большой возможной полосе модуляции и малой ширине линии подходит для оптической передачи информации.

Развитие в этой области в последние годы происходило интенсивно и привело к тому, что в настоящее время уже существует большое число линий с лазером в качестве источника света. Оптические системы передачи информации работают с несущими частотами 10¹³ - 10¹⁵ Гц, соответствующими длинам волн l=33¸0,33 мкм. Применяемая длина волны из этого диапазона для передачи информации зависит от:

-     постановки задачи по передаче информации (требуемая полоса частот модуляции, расстояние, передающая среда);

-     источники света, имеющегося в распоряжении (в основном полупроводниковые инжекционные лазеры и светодиоды, в отдельных случаях миниатюрные твердотельные лазеры, СО₂ лазеры);

-     модуляционной способности;

-     системы передачи (через вакуум, воздух, специальные газы, стекловолокно);

-     возможности демодуляции.

Принципиально система для оптической передачи информации состоит из шести компонентов (рис. 7).

Рис. 7. Схема системы для оптической передачи информации:

1 - источник света; 2 - модулятор света; 3 - линия передач; 4 - фотоприемник; 5 - сигнал.

При использовании полупроводниковых лазеров в качестве источников света внешний модулятор может быть исключен (напосредственная модуляция лазера с помощью возбуждающего тока в этом случае имеет преимущество).

Задача оптической передачи информации является передача излучения от передатчика к приемнику, и тем самым решающее значение приобретает среда распространения сигнала. Свойства среды в основном определяют конструкцию и размеры всей системы передачи, включая выбор источника света и приемника.

Передающие среды

Следует различать передачу информации в следующих средах: земной атмосфере, линзовых световодах, оптических волноводах.

Передача информации в земной атмосфере. Из-за геометрических потерь, обусловленных расходимостью излучения, при оптической передаче сигнала в вакууме принимаемая мощность на расстоянии R на длине волны l равна:

где P_S и P_E - излучаемая и принимаемая мощность; А_S и А_Е  - апертуры передающей и приемной систем.

Соответствующие потери называются потерями свободного пространства. К этим потерям следует добавить потери при распространении излучения через атмосферу за счет поглощения, рассеяния, рефракции.

При распространении светового пучка в передающей среде происходит уменьшение интенсивности I₀ светового пучка. На расстоянии R имеем

где d - коэффициент затухания:

d = d₁ + d₂ + d₃.

d₁ характеризует молекулярное поглощение, в оптической спектральной области в основном определяется парами воды, диоксидом углерода и озоном (рис. 8)

d₂ характеризует потери, обусловленные рассеянием на молекулах, частицах дыма и пыли, испарениях, тумане, дожде и снеге.

d₃ обуславливает сильно флуктуирующие во времени потери при передаче сигнала, что может привести к ограниченному во времени срыву передачи. Соответствующие потери можно уменьшить путем определенного выбора оптической системы, в частности с помощью расширения светового пучка.

Для определения суммарных потерь на затухание для выбранной линии передач необходимы обширные измерения в течение больших промежутков времени при самых разнообразных атмосферных условиях при использовании источников света различных длин волн (рис. 9)

Оптическая передача информации в земной атмосфере рассматривается только для относительно коротких расстояний, при этом должны допускаться определенные кратковременные сбои при передаче информации: надежность линии передачи не более 99%.

Линзовые световоды. Возможность исключения мешающего влияния атмосферы на распространение лазерного пучка состоит в том, чтобы провести свет в определенной атмосфере (газ  с малым поглощением) внутри трубы, при этом необходимы линзовые и зеркальные системы для подфокусировки и отклонения излучения.

В качестве линз применяются стеклянные или даже газовые линзы.

Преимущество: малые потери на поглощение и рассеяние.

Недостаток: необходима весьма точная юстировка многих оптических элементов, что трудно достигнуть при колебаниях температуры и вибрациях для больших промежутков времени; кроме того, прокладка линзовых световодов с большими длинами требует больших затрат.

Оптические волноводы. Оптический волновод - это стекловолокно, состоящее из сердцевины и оболочки, причем сердцевина имеет более высокий показатель преломления (n_K) по сравнению с показателем преломления оболочки (n_M). Вследствие полного внутреннего отражения свет распространяется в пределах сердцевины волокна, при этом необходимо использовать стекла с малым затуханием и дисперсией.

В зависимости от структуры световода рассматривают различные механизмы распространения (рис.10).

1. Многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления. Полное внутреннее отражение имеет место, если излучение падает на границу под углом меньшим, чем 2a_max (угол ввода световых лучей в волновод).

2. Одномодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления. Диаметр сердцевины 5-10 мкм обусловливает распространение только одной моды, при этом теоретически ширина полосы передачи В>100 ГГц. Изготовление крайне малого диаметра сердцевины требует очень большой точности, при этом возникает проблема ввода излучения в оптическое волокно.

3. Многомодовые световоды с градиентным профилем показателя преломления. Показатель преломления в области сердцевины непрерывно уменьшается от середины к краю. Излучение за счет преломления волнообразно распространяется около оси оптического волокна. Поскольку все лучи имеют примерно одинаковые времена распространения, то градиентные волокна имеют очень большую ширину пропускания.

Существенными требованиями к оптическому световоду являются необходимость слабого затухания и большой ширины полосы пропускания.

Затухание в оптических волокнах обусловлено поглощением и рассеянием, в частности, на примесях. Дополнительные потери возникают из-за неоднородностей в поперечном сечении волокна и из-за его кривизны. Само затухание зависит от применяемого стекла для сердцевины и оболочки, от различных примесей, а также от длины волны (рис. 11).

Световые лучи, распространяющиеся под различными углами к оси стекловолокна (моды), проходят различные длины путей, что приводит к различным временам распространения. Разброс во времени распространения приводит за счет межмодовой дисперсии к ограничению ширины полосы пропускания. Для конечной ширины спектра Dl источников света дисперсия материала световода приводит также к дополнительному ограничению ширины полосы передачи (рис. 12).

Вследствие высокой несущей частоты светового пучка можно использовать для модуляции практически очень высокие частоты. Используемую для передачи информации полосу частот называют шириной полосы частот сигнала, она может достигать несколько гигагерц. Тем самым возможна одновременная передача очень большого объема информации.

Для достижения хороших характеристик передачи оптического волновода существенными являются:

-     малые изменения геометрических размеров, а также хорошая центровка сердцевины;

-     малые изменения профиля показателя преломления.

Для применения в оптических системах передачи информации световоды должны быть выполнены в виде оптических кабелей. Существует большое количество конструкций кабеля.

ИстоЧники света длЯ волоконно-оптиЧеских систем свЯзи

Для оптической передачи информации в диапазоне длин волн от 0,4 до 30 мкм в качестве источников света применяют светодиоды, лазеры во всем диапазоне длин волн.

Для выбора источника света главный критерий - длина волны, на которой получается минимальное затухание. В качестве источников света применяются

Источники света для оптической связи в свободном пространстве.

He-Ne-лазер, l=0,63 мкм - излучение лежит в видимом оптическом диапазоне, что сильно облегчает юстировку линии передачи;

CO₂- лазер, l=10,6 мкм - пригоден для более протяженных линий передач, поскольку с помощью этих лазеров достигаются более высокие выходные мощности в непрерывном режиме (10-15 Вт).

Недостатками обоих лазеров являются их низкий КПД, а также их большие размеры.

Nd-ИАГ- лазер, l=1,06 мкм, и его вторая гармоника, l=0,53 мкм - этот лазер используется преимущественно для передачи информации между наземными станциями и спутниками.

Источники света для оптической связи по световодам. Эти источники должны удовлетворять следующим условиям:

-     длина волны излучения должна лежать в диапазоне минимального затухания;

-     излучающая поверхность должна соответствовать примерно диаметру световода для хорошего согласования источника света и световода без фокусирующих элементов.

Эти требования выполняются с помощью полупроводниковых элементов. Поэтому в качестве источников света служат:

-     светодиоды

-     полупроводниковые инжекционные лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режимах

Из-за малого затухания в световоде на длине волны l-1,3 мкм и l=1,55 мкм разработаны специально для этих длин волн лазеры на двойной гетероструктуре InGaAsP/InP, причем достигается выходная мощность 15 мВт.

Для протяженных линий связи в качестве источников света используются лазеры. Они имеют, правда, также некоторые существенные недостатки по сравнению со светодиодами. К ним относятся:

-     более сильная зависимость от температуры частоты излучения;

-     более низкий срок службы;

-     более высокая стоимость.

МодулЯциЯ

Модуляция - это изменение параметров светового луча в зависимости от управляющего (модулирующего) сигнала, несущего информацию, при этом различают две основные формы модуляции: внешнюю и прямую.

При внешней модуляции поляризованный световой луч проходит вне источника света в модулятор, в котором в такте передаваемого сигнала изменяется амплитуда или фаза излучения. Модулятор работает, в общем, на основе электрооптического эффекта (рис.  13).

При прямой модуляции излучение модулируется непосредственно за счет возбуждения источника света, т.е. источник света сам излучает модулированный свет (рис. 14). Прямая модуляция может быть реализована только в светодиодах и инжекционных лазерах, что достигается путем модуляции тока накачки.

Аналоговая модуляция имеет недостаток в сравнении с другими различными возможностями импульсной модуляции, включая и КИМ.

Отношение сигнал/ шум на приемнике, необходимое для неискаженного обнаружения сигнала, должно быть более высоким по сравнению с импульсно-кодовой модуляцией на 20 дБ.

В оптических системах передачи информации особенно выгодны системы с ИКМ.

Приемники

Обнаружение модулированного излучения при одновременной демодуляции, т.е. воспроизведение передаваемой информации, осуществляется с помощью оптоэлектронных приемников (детекторов).

Применяемые фотодетекторы должны иметь следующие характеристики:

-     высокую чувствительность в спектральном диапазоне применяемого источника света;

-     высокое временное разрешение;

-     малые шумы;

-     нечувствительность к температуре;

-     простую возможность соединения со световодом;

-     большой срок службы;

-     низкую стоимость.

Применяются специальные фотодиоды, которые наиболее полно удовлетворяют этим требованиям.