Оптоэлектронные ИС: результаты макетирования, моделирования маломощных переключений элементов оптронов
Николай Проскурин
© Николай Проскурин, 2021
В память моих предков и замечательных родителей: отца инженера, побудившего во мне интерес к науке, технике и матери врачу, поддержавшей меня.
От автора: предисловие к книге 2.
Уважаемые читатели! Этот раздел издания является специализированным и основан на 2-й части адаптированных материалов диссертации автора1, проведенных им в 20012003гг. расчетов и исследований вместе с его коллегами. Оно является продолжением исследования и (как 1-я книга издания2) предназначено специалистам и разработчикам в области цифровой оптоэлектроники и ОВЧ, УВЧ полупроводниковых устройств, др. для ознакомления с ее положениями, подходами, методиками и полученными промежуточными его результатами, которое проведено по классической методике: идея (а что будет, если), изучение публикаций и фактов, выбор элементов и базовой схемы, ее макетирование, моделирование, анализ, выводы. Возможно оно заинтересует экспертов, исследователей, конструкторов и технологов, работающих с «железом» (hard) в перспективной ее области: создания оптоэлектронных цифровых устройств, логических элементов, переключателей на основе микромощных оптронов УВЧ диапазона, интегральных и гибридных схем (ИС) с оптическими связями на их базе, решения и проекты которых уже созданы (в т. ч. на базе WDM технологий), становясь альтернативой цифровым ИС в 21 веке.
Также она может быть полезной для студентов, магистрантов, соискателей и аспирантов технических ВУЗов соответствующих специальностей, интересующихся способами и подходами при создании микромощных оптоэлектронных цифровых и аналоговых устройств. Автор признает, что часть исходных данных, уровень примененных им микронных технологий, инструментарий и методики исследования могли устареть и/или измениться за прошедшее время, однако наблюдаемые им тенденции (trends) остались прежними: подтверждением этого м. б. концепты «Silicon Photonic», «On-Board Optics», «Photonics in Aerospace», «Photonic integral circuits», etc.; он также будет признателен экспертам, специалистам и разработчикам, кто выскажет конструктивные замечания и/или предложения, уточняющие, дополняющие и раскрывающие потенциал указанного направления развития оптоэлектронных цифровых ИС, компьютерных систем и сетей на их базе.
1,2Проскурін М. П. Мікропотужні оптоелектронні логічні елементи цифрових інтегральних схем на твердотільних світловипромінюючих і фотоелектричних пристроях. Автореферат на здобуття наукового ступеня к.т.н: спец. 05.27.01 «Твердотільна електроніка» / М.П.Проскурін, Одеса, ОНПУ, 2007- 20с.
Проскурин Н. П. Электронные и оптоэлектронные ИС, их характеристики: обзор преимуществ и недостатков (книга1), Е из-во ridero.ru, 062020, ISBN 978-5-0051-2225-4, 60с.
Примененный перечень сокращений, аббревиатур в тексте приведен в начале книги 1. Нумерация разделов, формул, рисунков, литературных, информационных источников для книг 1,2,3,4 сквозная; последние добавляются по мере появления ссылок на них.
Аннотация (книга 2). Приведены результаты макетирования схем оптоэлектронных переключателей (модуляторов, вентилей, др.) и устройств на их основе, в маломощных режимах (значение токов СД оптронов на порядок меньше номинальных). Показано, что это открывает возможность использовать все типы исследуемых дискретных оптронов (иное название оптопара; англ. optocouple): СД-ФР, СД-ФТр. и СД-ФД. Оптопары типа СД-ФР в составе маломощных схем ОЛЭ и ОЛУ могут обеспечить переключение логических элементов на частотах до 0,1кГц. Оптопары типа СД-ФТр. обеспечивают устойчивое переключение в указанных режимах, но на более высоких частотах до нескольких единиц кГц. Перспективным прибором для применения в составе маломощных ОЛЭ КИПТ по частотным характеристикам оказались дискретные оптопары типа СД p-i-n ФД (с ВЧ n-p-n транзистором). На макетах схем ОЛУ типа кольцевой «ГИ», «R-S» триггер при модуляции СД в составе маломощных схем ОЛЭ n ИЛИ-НЕ получены частоты переключения до 0,10,25МГц. Исследования схем ОЛЭ КИПТ (макетирование на оптопарах АОР124Б1, АОТ101БС и 3ОД120А-1 c ВЧ транзистором КТ3102Е и моделирование электрических схем на оптопаре К249КП1) показало, что оптопары с внутренним усилением типа СД-ФТр. или СД- p-i-n ФД (с ВЧ n-p-n транзистором) обладают возможностью функционирования в мало- и микромощных режимах (мощность и токи потребления снижены на 12 порядка по сравнению с номинальными, соответственно) и адаптивностью (подстройкой режима ФП к мощности входных оптических ЦС) за счет выбора положения рабочей точки базы ФТр. на его ВАХ (как вариант ВЧ n-p-n транзистор в схеме с p-i-n ФД). Это позволяет в адаптивных схемах ОЛЭ (в некоторых пределах) регулировать значения выходного сигнала усилителя-формирователя (УФ), обеспечивает подстройку его выходного тока IК (повышения/снижения до требуемого уровня при снижении/повышении мощности входных оптических ЦС) для обеспечения устойчивости модуляции выходного СД в режиме «малого сигнала». Показано, что значение коэффициента передачи по току К оптопары (для таких схем ОЛЭ и ОЛУ) должно иметь величину более 1,11,5.
Указанное позволяет сделать вывод о возможности применения оптопар такого типа (с уменьшенными линейными размерами их ППС СД и ФП более чем на порядок и без изменения их физических свойств) в качестве рабочих устройств и узлов на основе мало- и микромощных адаптивных схем ОЛЭ, ОЛУ при обработке потоков оптических ЦС с частотой до 38МГц. Также полученные результаты указывают направление исследований, разработок микромощных оптопар для схем ОЛЭ КИПТ ОВЧ, УВЧ диапазонов с одновременным снижением их мощности потребления.
ОГЛАВЛЕНИЕ
2. МЕТОДИКА, ИНСТРУМЕНТАРИЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАЛО- И МИКРОМОЩНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОПАР В СХЕМАХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ВЕНТИЛЕЙ
2.1. Оценка предложенных схем оптоэлектронной логики nИЛИ-НЕ
2.2. Особенности программных сред моделирования электронных схем
2.3. Методы физикотопологического проектирования и моделирования полупроводниковых структур
2.4. Исходные данные и результаты исследования переключения светодиодов в маломощных режимах при макетировании схем логических вентилей.
2.4.1. Исследование процессов переключения светодиодов и отклика фотоприемников на макетах маломощных схем модуляторов инверторов
2.4.2. Анализ результатов макетирования маломощных оптоэлектронных логических схем на дискретной оптопаре ЗОД120А-1
2.5. Моделирование схем оптоэлектронных логических вентилей
2.5.1. Результаты моделирования электрических схем маломощных оптоэлектронных логических вентилей и устройств на модели оптопары К249КП1
2.5.2. Результаты моделирования мало-, микромощных логических вентилей, устройств на их основе на элементах оптопар с виртуальными параметрами.
2.6. Выводы по разделу.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ (к книгам 1 и 2)
Приложение Б.
Б.1. Методика расчета схемы маломощного оптоэлектронного инвертора (ОИ) в составе макета кольцевого «генератора импульсов».
Б.2. Погрешности измерительной аппаратуры.
Б.3.Описание моделей приборов и схем на языке МАЭС-П.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К КНИГЕ 2.
2. МЕТОДИКА, ИНСТРУМЕНТАРИЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАЛО- И МИКРОМОЩНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОПАР В СХЕМАХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ВЕНТИЛЕЙ
2.1. Оценка предложенных схем оптоэлектронной логики nИЛИ-НЕ
В подразделе 1.4 рассмотрены оптоэлектронные схемы логики КИПТ базиса nИЛИ-НЕ c несколькими типами ФП и излучателем в виде СД. Предложенная схема «Оптический инвертор» [46] (точнее оптоэлектронный инвертор ОИ) реализует функцию НЕ (1ИЛИ-НЕ), структурно совпадает с ОЛЭ КИПТ, но отличается конструкцией излучателя по патенту Франции2) (оптический усилитель на многослойной ППС типа ИЛ или ЛД с оптическим возбуждением).
2 Патент 2503394 МКИ G02 F3/00 (Франция), 1982. Коммутирующий элемент оптической коммутирующей матрицы и матрица на таких элементах.
Особенностью этой ППС является то, что излучение на длине волны λ1 (мощности РВых.) происходит при наличии одновременно двух условий: наличия прямого тока IПр. через р-n переход (при значении 80% величины тока его полного включения ІВкл.) и вводе в ППС внешнего излучения мощностью РВх. (на длине волны λ1) опре-деленной малой мощности причем (РВых.>> РВх.), что служит энергетической добавкой оптической «накачкой» ППС. При изменении величины тока ІВкл. на единицы процентов за счет его шунтирования, ППС прекращает излучать, что использовано в решении ОИ [46]. Преимуществом схемы является малое значение мощности внешнего сигнала, способное обеспечить гашение излучения ППС. Недостатками наличие опорного когерентного излучателя, сложность организации сети подводящих световодов к каждой ППС, высокие требования к постоянству уровня тока ІВкл. и оптической мощности на входе ППС и параметрам ИП.
Для устранения их предложена схема ОЛЭ типа ОИ [47]. Ее отличие в том, что излучатель ОИ выполнен на основе СД, работающего в маломощном режиме, ФП на ФР, ФТ, ФД с УФ на транзисторе и к нему может быть подключен маломощный дополнительный источник питания (ДИП) для усиления адаптивных свойств ФП (влияние ДИП на работу ОЛЭ заключается в задании напряжения смещения относительно общего провода одного из выводов ФП, см. подр. 2.2). Схема ОИ приведена на рис.2.1а с ФП на основе ФР, ее преимущества перед схемой ОИ [46] излучатель на типовом СД, отсутствие жестких требований к значениям токов ІВкл. СД, возможность использования ФП разных типов и применение ДИП в их цепи. Схемы адаптивного типа PROS [48] (рис.2.1б), PROCOS [49] сочетают в себе схему n ИЛИ-НЕ (базис Пирса) с адаптивными ФП и имеют расширенные функциональные возможности.