НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Данилов Володимир Васильович

УДК 531.241.13:539.2

ОСНОВИ СТВОРЕННЯ ПРИСТРОЇВ ВВОДУ, РОЗУЩІЛЬНЕННЯ

Й АДРЕСАЦІЇ ПОТОКІВ ІНФОРМАЦІЇ

ДЛЯ ОПТИЧНИХ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ ЗАСОБІВ

Спеціальність 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки

та систем керування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-дослідному інституті комплексної автоматизації Міністерства промислової політики України (м. Донецьк).

Науковий консультант - член-кореспондент Національної Академії Наук

України, доктор технічних наук, професор

Петров В'ячеслав Васильович,

Інститут проблем реєстрації інформації НАН

України, директор інституту

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Нагорний Леонід Якович,

Національний авіаційний університет,

професор кафедри обчислювальної техніки

доктор технічних наук, професор

Осінський Володимир Іванович,

Науково-дослідний інститут мікроприладів,

заступник директора

доктор технічних наук, професор

Баркалов Олександр Олександрович,

Донецький національний технічний університет,

професор кафедри електронних обчислювальних

машин

Провідна установа: Одеський національний політехнічний універси-

тет, кафедра інформаційних систем

Захист відбудеться _22_ вересня_ 2003 р., о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.02 у НТУУ “КПІ” (м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп. 18, ауд. 306)

Відзиви на автореферат у двох примірниках, завірені печаткою установи, просимо надсилати на адресу: 03056, м. Київ, проспект Перемоги 37, вченому секретарю НТУУ “КПІ”.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Київський політехнічний інститут”

Автореферат розісланий "_20_" _серпня__2003 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Д26.002.02,

кандидат технічних наук, доцент Орлова М.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Моніторинг складних процесів, де є необхідність обробки даних у реальному часі (радіорозвідці, радіолокації, зв’язку, астрономічних дослідженнях радіовипромінювання космічного простору, тощо) вимагає подальшого значного підвищення продуктивності обчислювальних засобів (ОЗ) відповідних спеціальних інформаційно - вимірювальних систем (СІВС). На сьогоднішній день це можливо лише з використанням стаціонарних багатокомп’ютерних комплексів, за умов паралельного процесу обробки інформації.

Одним із перспективних напрямків створення комп’ютерних засобів паралельної обробки є використання оптичного носія інформації, наприклад, електромагнітного поля оптичного діапазону.

Сучасні методи обробки оптичних сигналів (зображень), дозволяють зробити висновок що структури оптичних процесорів (ОП) та оптичних запам’ятовуючих пристроїв (ОЗП) відомі. Але існуюча елементна база та пристрої оптичних обчислювальних засобів (ООЗ), наприклад, вводу - виводу, перетворень інформації та її комунікації у структурі ООЗ, мають неприпустимі інформаційні та часові витрати.

Можна стверджувати що саме задачі розробки сучасних ООЗ СІВС стимулювали створення напрямку в оптоелектроніці - когерентної оптоелектроніки, яка базується на широкої гами ефектів і явищ в кристалах. Кристали відкрили перед ООЗ нові можливості в області швидкодіючих засобів відображення інформації, створення двомірних сенсорів електромагнітних та теплових полів, модуляторів лазерного випромінювання, рекордно широкосмугових ліній передачі на основі кристалічних світловодів, тощо. Ці напрямки стали настільки виразними, що з’явилась можливість цілеспрямованої розробки на принципах когерентної оптоелектроніки елементів та пристроїв оптичної обчислювальної техніки та систем керування.

Однією з існуючих концепцій такої розробки є ствердження, що когерентне електромагнітне поле оптичного діапазону багатовимірне. Звідки випливає, що інформаційна ємність поля та пропускна здатність його як носія інформації значно перевершує відомий в електронній техніці, електричний сигнал. Відома у радіофізиці акустооптична (АО) взаємодія (АОВ), фізична модель котрої – АО комірка (АОК), де середовищем АОВ ефективне використання тільки кристалів, дозволяє з мінімальною кількістю перетворень реалізувати радіосигнал у вигляді оптичного його аналога – зображення, і таким чином ввести його в відомий ОП. Акустооптична взаємодія потенційно придатна для реалізації пристроїв керування потоком і просторовою адресацією інформації в ОЗП. Для швидкодіючої синхронізації та керування структурними елементами ООЗ, а також для передачі зображень у структурі засобу необхідно використання широкосмугових ліній передачі. Існуючи теоретичні та експериментальні дані дають надію, що в їх якості можливе використання волоконо-оптичних кристалічних світловодів. Відомо, що волоконо-оптичні світловоди – дисперсійні лінії передачі. Таким чином використання їх у структурі ООЗ, потребує розробки та впровадження пристроїв часового та спектрального ущільнення–розущільнення оптичних сигналів. Існуючи дослідження АОК, дозволяють стверджувати що акустооптична взаємодія на стоячій акустичній хвилі та колінеарна АОВ - можливий базис створення відповідних пристроїв.

Вказаний перелік елементів та пристроїв для застосувань в ООЗ може, при необхідності, бути використаний і в других областях техніки, де є необхідність керування лазернім випромінюванням, у тому числі і потужним, та адресної комунікації його у просторі, наприклад у спеціальному оптичному приладобудуванні, пристроях загальнотехнічного призначення, медичної та екологічної діагностиці, тощо.

Незважаючи на існуючи дані по можливості використання того чи іншого ефекту когерентної оптоелектроніки для реалізації елементів структури ООЗ, необхідні додаткові дослідження прикладного характеру, направлені на дослідження фізико-технічних параметрів кристалів та кристалічних світловодів, створення номенклатури вимог та технічних характеристик пристроїв на їх основі для застосувань в ООЗ, створення методів проектування відповідних елементів і пристроїв, створення методів і структур апаратних засобів контролю технічних характеристик цих пристроїв. Саме це визначає актуальність поставлених в роботі задач.

Таким чином, в даній роботі розв’язується важлива науково-прикладна проблема розвитку основ створення оптоелектронних елементів і пристроїв для застосування в високопродуктивних оптичних обчислювальних засобах обробки радіосигналів спеціальних інформаційно - вимірювальних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріал дисертації засновано на результатах НДР і ДКР, проведених згідно з науково-тематичними планами Науково-дослідного інституту комплексної автоматизації (шифри: “Алтаєць”, “Бурак”, “Сокіл”, замовники Міноборони СРСР і України, зам. гол. конструктора; “Аріадна”, “Лотос”, замовник Мінпромполітики України, гол. конструктор; “Агат”, “Талісман”, замовник МОЗ України, гол. конструктор, робота виконувалась згідно з постановою КМ України №573 від 8.10.1992 р. “Про розвиток медичної, ветеринарної та мікробіологічної промисловості...”) і Донецького національного університету (шифр “Коршун”, замовник Академія наук України, відп. виконавець; “Темп”, замовник Академія наук СРСР, науковий керівник; держ. реєстрація № 01811011752, замовник Мінвуз УРСР, виконавець; № 01817004996, замовник Мінвуз УРСР, виконавець; № 01830037579, замовник завод “Надчистих металів”, м. Світловодськ, виконавець; № 01830037468, замовник “Морський геофізичний інститут”, м. Севастополь, виконавець; замовник ГИРЕДМЕТ, м. Москва, виконавець; № 01860079404, замовник завод “Топаз”, м. Донецьк, виконавець; № 01860048419, замовник “Невський завод”, м. Ленінград, виконавець; № 0195U019350, замовник Міністерство освіти і науки України, виконавець; № 0196U021123, замовник Міністерство освіти і науки України, виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення швидкодії оптоелектронної елементної бази та пристроїв для високопродуктивних оптичних обчислювальних засобів на основі розробки базової концепції, методології проектування, виробництва та метрологічної їх атестації, шляхом комплексного використання фізичних явищ у кристалах і кристалічних світловодах.

Об'єктом дослідження є процеси первинного перетворення інформації у вигляді радіосигналів в їх оптичні аналоги – зображення, а також вторинного перетворення зображень радіосигналів, щодо розущільнення і адресації їх в лініях зв’язку структурних елементів оптичних обчислювальних засобів.

Предметом дослідження є пристрої вводу інформації у вигляді радіосигналів в оптичні обчислювальні засоби, пристрої керування потоком та просторовою адресацією оптичної інформації в ООЗ, а також елементів її розущільнення та комунікації у структурі оптичного обчислювального засобу.

Основні задачі дослідження у відповідності до поставленої мети полягають у наступному:

1. Проведення цілеспрямованих фундаментальних та прикладних досліджень проблемно орієнтованих на:

- комплексний аналіз характеристик когерентного електромагнітного поля та фізичних явищ потенційно придатних для формування структури оптичного обчислювального засобу, призначеного для застосувань в СІВС;

- розробку концепції структури узагальненого акустооптичного пристрою (АОП), номенклатура елементів якої самодостатня для реалізації АОП, функціонально призначених для потреб перетворень радіосигналів в оптичні зображення, керування їх потоком і просторовою адресацією та ущільненням-розущільненням в лініях комунікації оптичної інформації в структурі ООЗ;

- обґрунтування вимог та складу технічних характеристик до АОП і волоконних світловодів, функціонально призначених для застосувань в ООЗ;

- дослідження фізико-технічних характеристик нових кристалів, призначених для створення АОП та елементів, а також надширокосмугових волоконно-оптичних кристалічних світловодів;

- дослідження фізико-технічних характеристики полікристалічних і монокристалічних волоконних світловодів як ліній комунікації та адресації оптичної інформації між структурними елементами ООЗ.

2. Розробка методів цільового проектування АОП, що базуються на концепції узагальненого акустооптичного пристрою і оптимізації конструктивних та технічних їх характеристик – параметрів кристалів, електричних, оптичних, технологічних, експлуатаційних тощо, зокрема:

- методу проектування АОП вводу радіосигналів до оптичних процесорів – акустооптичних модуляторів (АОМ);

- методів проектування пристроїв керування потоком та просторової адресації оптичних зображень радіосигналів в ОЗП, відповідно, акустооптичних затворів (АОЗ) та дефлекторів (АОД);

- фізичних основ проектування акустооптичних елементів часового та спектрального ущільнення–розущільнення оптичних зображень радіосигналів.

3. Розробка методів та структур апаратних засобів метрологічного контролю фізико-технічних параметрів кристалів, технічних характеристик АОП та елементів, а також характеристик полікристалічних і монокристалічних волоконних світловодів, призначених для застосувань в ООЗ.

Методи досліджень. Згідно першого пункту задач дослідження, використано:

- теорія когерентного випромінювання, теорія оптичних хвиль в кристалах, теорія перетворень в оптико - електронних системах;

- теорія дифракції та лінійних перетворень в оптиці, теорія перетворень зображень, теорія перетворень в оптико-електронному приладобудуванні, теорія лінійних чотириполюсників, теорія комплексних сигналів, теорія інтегральних перетворень та спектральний аналіз;

- теорія проектування оптико-електронних приладів, теорія радіофізичних вимірів, нормативно-технічна документація по розробці та постановці на виробництво пристроїв радіоелектроніки;

- теорія реального кристалоутворення, теорія деформації, теорія хвилевідних структур, теорія глибокого очищення речовин, теорія радіофізичних вимірів;

- теорія спектральних перетворень у оптиці, теорія радіофізичних вимірів, радіофізичні методи дослідження у фізиці твердого тіла.

Розробку методів цільового проектування АОП для застосувань в ООЗ виконано на основі теорії оптико-електронного приладобудування, теорії перетворення зображень, теорії перетворень в оптико-електронному приладобудуванні, нормативно-технічної документації по розробці та постановці на виробництво пристроїв радіоелектроніки.

Розробку методів та структур апаратних засобів метрологічного контролю фізико-технічних параметрів кристалів, технічних характеристик АОП та елементів, а також характеристик полікристалічних і монокристалічних волоконних світловодів виконано з використанням теорії радіофізичних вимірів, методів дослідження у фізиці твердого тіла та нормативно-технічних документів про метрологічне забезпечення контролю технічних характеристик виробів радіоелектроніки.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертації розроблено наукові основи створення пристроїв підвищеної швидкодії, призначених для перетворення вхідної інформації у вигляді радіосигналів у вторинні просторові зображення, керування їх потоком та просторовою адресацією, елементів розущільнення та комунікації зображень у структурі оптичних обчислювальних засобів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- розвитку теорії щодо утворення структур оптичних обчислювальних засобів, носієм інформації в яких є когерентне електромагнітне поле, та які призначені для обробки інформації у вигляді радіосигналів, що дозволяє досягти продуктивності ООЗ не менше 109 комплексних оп/с для кожного із сигналів в паралельних потоках, які налічують понад 1000 сигналів;

- синтез та теоретичне обґрунтування структури узагальненого акустооптичного пристрою для застосувань в ООЗ, номенклатура елементів якої самодостатня для реалізації АОП, функціонально призначених для потреб перетворень радіосигналів в оптичні зображення, їх керування потоком і просторовою адресацією та ущільненням-розущільненням в лініях комунікації оптичної інформації у структурі ООЗ;

- метод синтезу структурних елементів узагальненого акустооптичного пристрою вводу інформації у виді радіосигналів в оптичні обчислювальні засоби, що дозволило розробити оптимальний поопераційний технологічний процес їх виготовлення та вхідного і вихідного метрологічного контролю;

- математичні опис і модель акустооптичного модулятора - пристрою вводу інформації у виді радіосигналів в оптичний процесор реалізації інтегральних перетворень Фур'є, який дозволив розробити метод проектування модулятора з використанням комп’ютерного моделювання та скоротити проектування;

- математичні описи і моделі акустооптичного затвора і дефлектора, пристроїв керування потоком і просторовою адресацією інформації у виді зображень радіосигналів в оптичних ЗП, що дозволили розробити методи їх проектування з використанням комп’ютерного моделювання та скоротити проектування;

- математичні опис і модель акустооптичних елементів часового і спектрального розушільнення інформаційних потоків в ООЗ, що дозволили створити основи їх проектування з використанням комп’ютерного моделювання;

- розвитку математичного опису процесу утворення полікристалічних і монокристалічних світловодів, що дозволило розробити лабораторно - виробничий технологічний цикл їх виготовлення.

Практичне значення одержаних результатів визначається одержанням та створенням на основі теоретичних результатів роботи:

- фізико-технічних параметрів нових матеріалів для реалізації акустооптичних пристроїв і елементів, а також волоконних полікристалічних і монокристалічних світловодів, що дозволило сформулювати простір вхідних даних при комп’ютерному моделюванні пристроїв, та розробити поопераційний лабораторно-виробничій процес їх виготовлення;

- методів та засобів оцінки частотної залежності ефективності керування лазерним пучком відомих і досліджених автором вперше кристалів - середовищ акустооптичної взаємодії, орієнтований на комп’ютерне моделювання;

- методу проектування акустооптичних пристроїв вводу інформації у вигляді радіосигналів в ОП та керування потоком і адресацією інформації у вигляді зображень радіосигналів в оптичних ЗП, орієнтованого на комп’ютерне моделювання ;

- комплексу вимог до технічних характеристик акустооптичних пристроїв вводу інформації у вигляді радіосигналів, керування потоком і адресацією інформації у виді зображень радіосигналів, а також елементів часового і спектрального роз- ущільнення зображень для ООЗ;

- методів і засобів вихідного метрологічного контролю технічних характеристик акустооптичних пристроїв вводу радіосигналів та керування потоком і адресацією даних, а також характеристик елементів часового і спектрального розущільнення даних в оптичних лініях комунікації інформації ООЗ;

- технологічний процес і спеціальне технологічне устаткування, орієнтовані на лабораторно-виробничий цикл виготовлення акустооптичної комірки, основного конструктивного елемента акустооптичного пристрою, та пристроїв в цілому;

- технологічні процеси, орієнтовані на лабораторно-виробничий цикл виготовлення полікристалічних і монокристалічних волоконних світловодів, а також спеціальне технологічне устаткування, що включає: установки очищення речовин, синтезу з'єднання, росту монокристалів, екструзії полікристалічних волоконних світловодів, росту монокристалічних волоконних світловодів;

- методів і засобів вхідного та вихідного метрологічного контролю фізико-технічних параметрів і характеристик полікристалічних і монокристалічних волоконних світловодів.

Практичні результати дисертації використовуються у виробничому відділені НДІ комплексної автоматизації (м. Донецьк), в науково-дослідному процесі Інституту проблем реєстрації інформації НАН України (м. Київ) та в навчальному процесі на кафедрі радіофізики Донецького національного університету.

Особистий внесок здобувача. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить: [1-4,28,30,31,37] – ідеї структурної організації пристроїв, [10,12, 33] – математичний опис пристроїв, [19] – математичний опис процесу кристалоутворення, [29] – програма і методика експерименту.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися на галузевих, республіканських і міжнародних конференціях: “Информационно–управляющие и вычислительные комплексы на основе новых технологий”. Всероссийская научно - техническая конференция с международным участием. С.- Петербург, 1992; VI міжнародна науково-технічна конференція “ВОЛСПІ-95”. м. Запоріжжя, 1995; “НВЧ техніка і комунікаційні технології”. VI міжнародна Кримська конференція. м. Севастополь, 1996; “НВЧ техніка і комунікаційні технології”. IX міжнародна Кримська конференція, м. Севастополь, 1999; “Сучасні інформаційні й електронні технології”. Міжнародна науково - практична конференція “СИЕТ – 2000”, Одеса, 2000; “НВЧ техніка і комунікаційні технології”. Х міжнародна Кримська конференція. м. Севастополь, 2000; “Сучасні інформаційні й електронні технології”. Праці наукової конференції Донецького національного університету за підсумками науково-дослідної роботи за період 1999 – 2000 рр. Міжнародна науково-практична конференція “СИЕТ - 2001”, Одеса, 2001.

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 37 роботах, зокрема, в 27 статтях наукових журналів, 2 авторських посвідченнях, 8 матеріалах і тезах наукових конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, восьми розділів, висновків, списку використаних джерел та 7 додатків і містить 385 сторінок, з них 285 сторінок друкованого тексту, 98 рисунків, 18 таблиць. Список використаних джерел містить 201 назву. Додатки містять 100 сторінок, мають 85 рисунків та 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дисертаційної роботи обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету і задачі досліджень, наведено основні наукові результати і їх практичне значення.

У першому розділі розглядаються: пристрій вводу інформації в електронні обчислювальні засоби обробки радіосигналів (ОРС) на прикладі АЦП фірми Аnа1оg Devices, а також труднощі підвищення швидкодії існуючих спеціалізованих інтегральних мікросхем (СІМС); існуючі реалізації оптичних процесорів для здійснення інтегральних перетворень Фур'є, Лапласа, Меліна, Гілберта й інші над зображеннями у реальному масштабі часу (табл.); існуючі реалізації оптичних ЗП; аналіз фізичних ефектів, потенційно придатних для введення інформації у вигляді радіосигналів в оптичні обчислювальні засоби; перспективи використання галогенідних монокристалів для реалізації волоконних світловодів середнього інфрачервоного діапазону з пропускною здатністю вище і оптичними втратами нижче, ніж в існуючих (кварцових).

У додатку А наведено огляд відомих структур електронних (аналогових і цифрових) Фур'є процесорів, використовуваних для обробки радіосигналів.

У результаті аналізу викладено, що розв’язок задачі щодо з'ясування радіоелектронної обстановки, вихідні дані якої мають, як правило, матричну структуру, а алгоритми обробки характеризуються природним паралелізмом, розробники електронних обчислювальних засобів ОРС зв’язують зі створенням проблемно–орієнтованих стаціонарних багатомашинних обчислювальних комплексів, що допускають паралелізм процесів обробки. Разом з тим, за умов різкого росту складності і щільності використаних радіосигналів, подальше підвищення продуктивності електронних ОЗ СІВС неможливе без удосконалення швидкодії їх елементної бази, зокрема, основних конструктивних елементів - спеціалізованих інтегральних мікросхем (СІМС).

Показано: фізичні і технологічні труднощі підвищення швидкодії СІМС за рахунок чергового витка мікромініатюризації, що призведуть до обмеження їх серій, а

відповідно і підвищення вартості; величезних витрат можна уникнути більш перспективним шляхом - переходом на нову елементну базу, наприклад, оптоелектронну; продуктивність існуючих оптичних обчислювальних засобів обмежується швидкодією їхніх елементів вводу (пристроїв вводу, керування потоком і адресацією інформації), розущільнення і комунікації даних; з фізичних ефектів, що дозволяють з мінімальною кількістю проміжних перетворень ввести радіосигнали в оптичні процесори і ЗП є фотопружний (акустооптичний); для збільшення швидкості обміну сигналами керування і синхронізації структурних елементів оптичних обчислювальних засобів доцільне використання оптичних і волоконо - оптичних ліній передачі на базі полікристалічних і монокристалічних світловодів, що мають оптичні втрати на 2-3 порядки менше, ніж у відомих, склоподібних.

У другому розділі, розглядається вирішення задач: комплексного аналізу характеристик когерентного електромагнітного поля та фізичних явищ потенційно придатних для формування структури оптичного обчислювального засобу призначеного для застосувань в СІВС; розробки концепції структури узагальненого АОП, номенклатура елементів якої самодостатня для реалізації пристроїв функціонально призначених для потреб перетворень радіосигналів в оптичні зображення, керування їх потоком і просторовою адресацією та ущільненням-розущільненням в лініях комунікації оптичної інформації в структурі ООЗ.

Для вирішення поставлених задач досліджується: інформаційна ємність когерентного електромагнітного поля; структура ООЗ і її елементи, що стримують продуктивність обробки радіосигналів; акустооптична взаємодія, як процес вводу інформації без спотворень у лазерний пучок оптичного обчислювального засобу; фізична модель АОВ; особливості АОВ за умов селекції оптичних сигналів АОК; структура АОК для реалізації процесу амплітудно-просторової модуляції лазерного пучка та розроблюється математичний опис АОК за амплітудно-просторової модуляції лазерного пучка.

Внаслідок проведених досліджень одержано наступні результати. Запропоновано структуру ООЗ, призначеного для ОРС, що включає джерело лазерного випромінювання, оптичний операційний блок, елементи вводу-виводу інформації, лінії передачі сигналів синхронізації і керування елементів структури та міжблокового обміну, яка відрізняється тим, що пристрої вводу радіосигналів, ущільнення-роз-ущільнення реалізовано на основі АОВ, а сигнали синхронізації, керування і обміну інформацією структурних елементів передаються по оптичним і волоконо-оптичним лініям передачі, зокрема, полікристалічним і монокристалічним світловодам.

Встановлено: за умов використання когерентного електромагнітного поля, як носія інформації, оброблювана інформація може бути закодована не менш, ніж у восьми параметрах (або ), (або ), , і знак при , де (або ), (або ) – амплітуди компонент когерентного електромагнітного поля, - фази компонентів поля і його частота, - кут напрямку розповсюдження хвилі поля в горизонтальній площині, - кут напрямку розповсюдження хвилі поля у вертикальній площині; поле як носій інформації багатовимірний (часова і просторова природа); інформаційна ємність оптичного сигналу, у вигляді когерентної хвилі є значно більшою, ніж електричного; процесу введення інформації в оптичні обчислювальні засоби передує процес введення інформації в лазерний пучок; фізичною моделлю процесів АОВ є акустооптична комірка (рис. 1а), яка, як і відомий оптичний транспарант, реалізує тільки фазову модуляцію лазерного випромінювання;

електронним аналогом АОК є параметричний чотириполюсник (рис. 1б); відповідність дифракційної ефективності і смуги частот АОВ амплітудній і частотній характеристиці АОК; за індексу фазової модуляції та параметрі розрізнення режимів дифракції АОВ 1<<15 існує функціональний зв'язок дифракційних ефективностей режимів Рамана-Ната, Брегга і проміжного, у вигляді ряду:

, (1)

що дозволяє апроксимувати їх залежністю виду:

, (2)

де , - інтенсивності дифрагованого (вихідного) і вхідного лазерних пучків; гомоморфізм перетворень радіосигналу часової природи у його акустичний аналог просторово-часової природи і далі, за допомогою АОВ, у світловий аналог у вигляді вихідного лазерного пучка АОК, також просторово - часової природи (рис. 1в); математичний опис АОК за реалізації нею амплітудно-просторової модуляції лазерного пучка у вигляді модуля комплексного коефіцієнта передачі:

, (3)

де L - довжина АОВ, ЩБ - частота Брегга, Щ - поточна частота акустичної хвилі, V - швидкість акустичної хвилі в середовищі АОВ, л - довжина хвилі лазерного випромінювання в середовищі АОВ; узагальнений математичний опис АОК у виді , де - амплітудно - частотна характеристика АОВ, - амплітудно-частотна характеристика передачі середовища АОВ лазерного випромінювання; для селекції оптичних сигналів АОВ повинна бути реалізована в оптично активних кристалах, причому, в режимі колінеарної АОВ, частотна залежність дифракційної ефективності взаємодії у її фізичній моделі, колінеарної АОК (КАОК), може бути представлена у вигляді модуля комплексного коефіцієнта передачі комірки:

У третьому розділі продовжено розробку концепції структури узагальненого АОП; наведено обґрунтування вимог та номенклатури технічних характеристик до АОП функціонально призначених для застосувань в ООЗ, а також досліджуються фізико-технічні характеристики кристалів, призначених для створення АОП.

Для вирішення поставлених задач досліджено: питання синтезу структури узагальненого АОП та функціональне призначення її елементів у сукупності реалізуючих цільову функцію - модуляцію лазерного випромінювання (введення інформації в лазерний пучок); питання фізичної реалізованості структурних елементів АОП; фізичні основи метрологічної атестації структурних елементів АОП; фізико-технічні параметри структурних елементів АОП; питання розробки математичного опису узагальненого АОП.

Внаслідок проведених досліджень одержано наступне. Запропоновано структуру узагальненого акустооптичного пристрою (рис. 2), призначеного для введення

радіосигналів в ООЗ, основними елементами якого є модуль збудження електроакустичного перетворювача (ЕАП), АО комірка, модуль забезпечення експлуатаційної стабільності пристрою, елементи оптичної схемотехніки, джерело керуючого радіо-сигналу.

Обґрунтовано номенклатуру технічних характеристик АОП, що відрізняються від відомих в електронному й оптичному приладобудуванні наявністю вперше введеної групи електронно-оптичних характеристик.

Запропоновано метод проектування АОП, що базується на концепції узагальненого АОП, зокрема: АОК є основним структурним елементом АОП будь-якого призначення для використання в ООЗ; функціональне призначення структурних елементів узагальненого АОП, незалежно від реалізованого виду модуляції (керування лазерним пучком), залишається незмінним.

Запропоновано математичний опис узагальненого АОП у вигляді:

, (5)

де Кd, Ка - відповідно, електронно-оптична амплітудно-частотна характеристика (ЕОАЧХ) АОП та АО ефективність АОК, , , , - відповідно, частотно-залежні коефіцієнти, що описують процес перетворення енергії радіосигналу в його акустичний аналог, акустооптичну взаємодію, загасання акустичної хвилі у світлозвукопроводі (СЗП) АОП, передачі енергії акустичної хвилі елементами акустичного зв'язку АОП, одержаної в припущенні індексу фазової модуляції . Основними етапами методу є: вибір середовищ (кристалів) світлозвукопроводу, п'єзоперетворювача, акустичного навантаження, сполучних шарів, з урахуванням їх фізико-хімічних властивостей за сумісністю; визначення параметрів електричної еквівалентної схеми п'єзоелектричного перетворювача; визначення геометрії АОВ; розрахунок електричного ланцюга, що узгоджує ЕАП із джерелом радіосигналу; розрахунок електронно-оптичної ефективності і кутового режиму дифракції.

Відбір перспективних кристалів для реалізації СЗП АОП запропоновано проводити відповідно методики, яка враховує різновид освітлення апертури АОП (рис. 3), яка може бути D (рис. 3а) чи D=2w0 (рис. 3б). Далі, за доведеним рівнянням , де - частота акустичної хвилі, Н – висота АОВ, - довжина світлової хвилі, шляхом розрахунку на ЕОМ по експериментально отриманим тільки константам кристалу М2 - акустооптична добротність, - частотно-незалежне загасання акустичної хвилі, одержують частотні залежності акустооптичної ефективності нових кристалів.

Встановлено: можливості фізичної реалізації елементів структури узагальненого акустооптичного пристрою, зокрема, елементів модулів ЕАП, АОК і експлуа-

таційної стабільності пристрою; умови широкосмугового узгодження джерела радіосигналу з модулем ЕАП АОП, за умов сильного навантаження електроакустичного перетворювача та великого коефіцієнта його електромеханічного зв'язку; метрологічні основи і структури апаратних засобів атестації структурних елементів АОП; акустооптичні параметри кристалів та використаних матеріалів, запропонованих при створенні АОП.

У четвертому розділі розглянуто вирішення задач: розробки методу проектування АОП вводу радіосигналів до оптичних процесорів - акустооптичних модуляторів (АОМ); розробки комплексу технічних характеристик АОМ; методів і структур апаратних засобів метрологічного контролю технічних характеристик АОМ.

Для вирішення поставлених задач досліджуються: пружна нелінійність середовища СЗП акустооптичного пристрою - АОМ; вплив на динамічний діапазон АОМ пружної нелінійності світлозвукопроводу, загасання акустичної хвилі та рівня оптичних шумів, а також розроблюються: математичний опис АОМ і метод його проектування; комплекс технічних характеристик АОМ; методи і комплекс апаратних засобів метрологічного контролю електронно-оптичних характеристик АОМ; методика розрахунку пропускної здатності АОМ.

Практичні реалізації АОМ, акустооптичних Фур'є процесорів (АОФП), широкосмугових електронних підсилювачів з великим динамічним діапазоном для АОФП, а також можливості підвищення динамічного діапазону інтерференційного АОФП наведено в додатку Б.

Внаслідок проведених досліджень одержано наступне. Запропоновано метод проектування АОМ, основу якого складають положення й етапи, розвинуті у розгляді узагальненого АОП, який відрізняється тим, що для його реалізації встановлена математична модель АОМ.

Розроблено методи і структури апаратних засобів контролю технічних характеристик АОМ, зокрема, вперше введеної групи електронно-оптичних характеристик пристрою: електронно-оптичної амплітудно-частотної характеристики (ЕОЧХ), розподільної здатності, частоти та кута Брегга.

Встановлено: вплив загасання акустичної хвилі та пружної нелінійності кристалічного СЗП АОМ на динамічний діапазон пристрою; вид апаратної функції акустооптичного Фур'є процесора. перевага АОМ за інформаційною ємністю та пропускною здатністю на порядок вище у порівнянні з електронними АЦП, пристроями введення радіосигналів у цифрові процесори ШПФ. У додатку Б наведено структуру блоку сполучення акустооптичного Фур’є процесора з ЕОМ та індикації розрахунків спектральних компонент радіосигналів (рис. 5).

У п'ятому розділі розглянуто вирішення задач: розробки методів проектування пристроїв керування потоком та просторової адресації оптичних зображень радіосигналів в ОЗП, відповідно, акустооптичних затворів (АОЗ) та дефлекторів (АОД); розробки комплексу технічних характеристик АОЗ та АОД; методів і структур апаратних засобів контролю технічних характеристик АОЗ та АОД.

Для вирішення поставлених задач досліджуються: структура вузла АОЗ як пристрою керування потоком даних у процесі запису інформації в оптичні ЗП; структура вузла АОД як пристрою просторової адресації даних в оптичних ЗП; явища, що призводять до зміни профілю лазерного пучка у випадку акустооптичної взаємодії у світлозвукопроводах АОЗ і АОД; похибки просторової адресації лазерного пучка АОД; основи проектування радіоелектронних пристроїв керування АОД та АОЗ; математичні описи АОЗ і АОД як частинні математичного опису узагальненого АОП; методи проектування АОЗ і АОД як частки загального методу; комплекс технічних характеристик АОД і АОЗ, що містить групу електронно-оптичних характеристик пристроїв; методи і структури апаратних засобів контролю електронно-оптичних характеристик АОЗ і АОД. Порівняльний аналіз створених автором АОЗ і АОД та радіоелектронних пристроїв їхнього керування приведено у додатку В.

Внаслідок проведених досліджень одержано наступне. Розроблено метод проектування акустооптичних затвора і дефлектора, пристроїв введення інформації в оптичні ЗП, призначених для керування потоком та адресацією даних. Для реалізації методу обґрунтовані на основі математичних описів, математичні моделі акустооп-тичного затвора

Розроблено методи і структури апаратних засобів метрологічного контролю технічних характеристик АОЗ і АОД для вперше введеної групи електронно-оптичних характеристик пристроїв: електронно-оптичної ефективності АОЗ і АОД; контрастності АОЗ; максимальної частоти проходження керуючих радіоімпульсів АОЗ; числа розподільних положень дифрагованого лазерного пучка АОД; часу затримки АОЗ.

Запропоновано структури вузлів АОЗ (рис. 6) і АОД (рис. 7), як елементів керування потоком і адресацією даних в процесі запису інформації в оптичних ЗП з побітовим представленням інформації.

Встановлено, що обов'язковими складовими вузла акустооптичних дефлектора і затвора в оптичних ЗП є елементи оптичної схемотехніки, формуючі визначений профіль вхідного лазерного пучка і радіоелектронні блоки керування АОД і АОЗ.

Досліджено питання фізичної реалізованості математичної моделі АОЗ, зокрема, встановлено: габаритні розміри вузла визначаються, в основному, оптичною системою пристрою, мінімальні розміри якої, у разі забезпечення контрастності АОЗ

більшої, ніж 1000, забезпечуються вибором СЗП пристрою з мінімальними швидкістю і загасанням акустичної хвилі; функціональна залежність контрастності АОЗ від параметра розбіжності - а; функціональна залежність АО ефективності АОЗ від параметра розбіжності; мінімальне відношення зміни діаметра дифрагованого лазерного пучка dx/dy1,1 по координатам х і у досягається в АОЗ за слабкої АОВ, параметрі розбіжності АОК пристрою 0,5а0,7 і параметрі QKK<15; функціональний зв'язок зміни профілю лазерного пучка на виході АОЗ від його місця розташування щодо перетяжки лазерного пучка (ЛП), формованої елементами оптичної схемотехніки вузла АОЗ; функціональний зв'язок АО ефективності АОЗ від його положення щодо перетяжки ЛП; зв'язок часу наростання імпульсу дифрагованого пучка АОЗ від його розташування щодо перетяжки ЛП; вплив загасання акустичної хвилі в СЗП у вигляді на його розігрів і мікродеформацію, де , , - відповідно коефіцієнти теплопровідності, поглинання світла і термічного розширення СЗП, F - фокусна відстань термічно стимульованої “лінзовості” СЗП.

Досліджено питання фізичної реалізованості математичної моделі акустооптичного дефлектора (сканера), зокрема, встановлено: співвідношення для розрахунку оптимальної геометрії оптичної системи АОД; співвідношення, що визначають стабільність і точність просторового позиціювання дифрагованого лазерного пучка

АОД у вигляді , , , , де - відносна похибка установки фокусної відстані формуючого профіль лазерного пучка об'єктива, і - нестабільність частоти керуючого радіосигналу і температури СЗП АОД, - кутова нестабільність лазерного пучка на виході АОД, - температурний коефіцієнт швидкості акустичної хвилі в СЗП АОД, - максимальне значення частоти керуючого радіосигналу, N – число розподільних положень лазерного пучка у растрі, Дf - смуга частот керуючого радіосигналу, V - швидкість акустичної хвилі в СЗП АОД; умови режиму безупинного просторового відхилення лазерного пучка АОД, звідки зроблено припущення про доцільність оптимізації пристрою за характеристикою, що об'єднує його розподільну здатність і швидкодію - ; розподіл інтенсивності дифрагованого лазерного пучка АОД за різного загасання акустичної хвилі по його апертурі.

Запропоновано комплексний підхід до створення радіоелектронного блока керування АОЗ, зокрема, структури блока (рис. 8); технічні рішення елементів структури; результати дослідження процесу формування радіоімпульсів керування АОЗ і спотворень їх, обумовлених зміною вхідного опору транзисторів потужного вихідного каскаду. Обґрунтовано доцільність використання елементів міжкаскадного узгодження блока - мікрополозкових вентилів.

Запропоновано структуру блока радіоелектронного керування акустооптичним дефлектором (рис. 9), основу якого складає генератор з електронною перебудовою частоти (ГЕПЧ). Зокрема, наведено математичний опис ГЕПЧ, досліджено фактори, що визначають стабільність генератора. Запропонований ГЕПЧ відрізняється від відомих тим, що з метою збільшення швидкодії та зниження рівня вихідних перешкод, включення (вимикання) його реалізовано на базі імпульсної модуляції зворотного зв'язку.

У шостому розділі розглянуто вирішення задач розробки фізичних основ проектування акустооптичних елементів часового та спектрального ущільнення – розущільнення оптичних зображень радіосигналів, розробки комплексу їх характеристик; розробки методів і структур апаратних засобів контролю характеристик елементів.

Для вирішення поставлених задач досліджуються: питання створення математичного опису АО елемента часового розущільнення оптичних потоків даних і фізи-

ко-технічні аспекти реалізації його математичної моделі; питання створення матема-тичного опису АО елемента спектрального розущільнення потоків даних на основі колінеарної акустооптичної комірки (КАОК) і фізико-технічні аспекти реалізації її математичної моделі; технічні можливості КАОК із спектрального розущільнення потоку даних на макеті лінії оптичного зв'язку; фізичні можливості КАОК щодо кількості спектральних каналів зв'язку, що комутуються нею, і часу комутації; методика і структура апаратних засобів виміру апаратної функції КАОК.

У додатку Д наведено: порівняльний аналіз відомих спектральних розущільнювачів і ущільнювачів оптичних каналів зв'язку на основі інших принципів функціонування; відомі структури КАОК та результати їх експериментальної перевірки; елементи технології створення КАОК.

Із досліджень елемента часового розущільнення, на основі створеного математичного опису, встановлено: математична модель елемента часового розущільнення оптичних потоків даних, на базі АОК зі стоячою акустичною хвилею, у вигляді рівнянь:

інтенсивності вихідних недифрагованого і дифрагованого лазерних пучків і модулюються з подвоєною частотою акустичної хвилі, причому частота (швидкість) модуляції не залежить від часу перетинання оптичної апертури АОК акустичною хвилею (9а), (9б); облік часової залежності (9а, 9б) дає можливість виділити дві робочі моди: перша дозволяє розщеплення послідовності оптичних імпульсів акустооптичним елементом у дві серії, друга – у чотири.

Із досліджень елемента часового розущільнення запропоновано: структуру апаратних засобів на основі АОК з стоячою акустичною хвилею, що дозволяє у випадку застосування двухполяризаційного часового ущільнення вхідної послідовності оптичних імпульсів, реалізувати часове розущільнення їх у 4 і 6 каналів відповідно; фізичну модель АО елемента, призначеного для часового розущільнення оптичних послідовностей імпульсів, що здійснює переключення послідовностей зі швидкістю не менше, ніж 3860 Гбіт/с (у випадку двохполяризаційного вхідного ущільнення).

Із досліджень елемента спектрального розущільнення, на основі створеного математичного опису, встановлено: математична модель елемента спектрального розущільнення оптичного потоку даних на основі колінеарної акустооптичної комірки у вигляді:

- ефективна фотопружна константа, S - пружна деформація, c и ? - швидкість і частота світла, ? - щільність, V - швидкість акустичної хвилі і Ра/А - щільність потужності акустичної хвилі в середовищі АОВ, kі, kd, - хвильові числа вхідної і дифрагованої світлових хвиль, К – хвильове число акустичної хвилі, nі, nd - показники заломлення вхідної і дифрагованої світлових хвиль; розрахункові співвідношення, що дозволяють визначити смугу оптичних частот і оптичну роздільну здатність КАОК - ?л, ?астоти синхронізму - ?Щi, на яких можлива колінеарна АОВ та вхідну кутову апертуру КАОК - ?; що величина бічних максимумів апаратної функції КАОК зменшується з віддаленням від центра смуги пропускання, однак ступінь спаду величини бічних максимумів не відповідає залежності 1/(7,5N2), яка спостерігається для теоретичної кривої, а є істотно менше.

Із досліджень елемента спектрального розущільнення запропоновано: структуру апаратних засобів, моделюючих оптичну лінію зв'язку ООЗ з спектральним ущільненням каналів (рис. 11), на макеті якої проведено дослідження можливостей КАОК (рис. 10) по спектральному розущільненню оптичних сигналів; метод розрахунку числа оптичних каналів, що комутуються КАОК у випадку спектрального їх ущільнення, та визначено граничну швидкість довільного переключення каналів КАОК, у разі спектрального розущільнення (27 кбит/с); методику і структуру апаратних засобів для вимірювання апаратної функції КАОК та визначено її реальний вигляд (рис. 12); у зв'язку з тим, що величина бічних максимумів КАОК зменшується з

віддаленням від центра смуги пропускання не у відповідності з теоретичною кривою, а істотно слабкіше, в процесі проектування повного числа розущільнених каналів і рівня перехресних перешкод елемента необхідно виходити з урахування реальної апаратної функції КАОК.

Внаслідок проведених досліджень одержано наступне: розроблено фізичні основи проектування акустооптичних елементів ущільнення-розущільнення інформації в оптичних і волоконно-оптичних лініях комунікації даних ООЗ; розроблено методи і структури апаратних засобів метрологічного контролю характеристик АО елементів ущільнення - розущільнення інформації.

У сьомому розділі розглянуто вирішення задач: дослідження фізико-технічних характеристик полікристалічних і монокристалічних волоконних світловодів (ПКС і МКС); розробки методів і структур апаратних засобів метрологічного контролю характеристик ПКС і МКС.

Для вирішення поставлених задач досліджуються: фізичний процес створення ПКС; фізичний процес створення МКС; фізика втрат у кристалічних заготівках та світловодах на їх основі; фізико-технічні параметри ПКС і МКС.

У додатку Ж наведено: методику і структуру апаратних засобів для очищення сировини й одержання монокристалічних заготовок; методику і структуру апаратних засобів для одержання ПКС і МКС; результати створення волоконного ІЧ радіометра і лазерної хірургічної установки на основі полікристалічного волоконного світловоду з КРС-13.

Внаслідок розгляду одержано наступне: розроблено математичний опис методу створення ПКС і МКС; розроблено структури і створено устаткування для одержання ПКС і МКС; розроблено методи і структури апаратних засобів контролю фізико-технічних параметрів ПКС і МКС.

Розроблений математичний опис процесу створення полікристалічних світловодів дозволив зробити наступні висновки. Серед існуючих методів їхнього одержання відомі екструзія, прокатка і волочіння. У зв'язку з тим, що прокатці і волочінню властиве зниження втрат на розсіювання менше супутнього збільшення втрат на поглинання, обраний як метод одержання ПКС - екструзія; основною проблемою методу є заглушування втрат на розсіювання, що може бути значно знижене шляхом формування однорідної і малодефектної структури волокна. Цьому перешкоджає деформація і напруга екструзії та необхідність оптимізації складу кристала–заготовки. Так для