На пути к оптоэлектронным процессорам

По предложению Н.П. Проскурина продолжаю публикацию по оптоэлектронным элементам цифровой логики, попробую здесь рассказать о триггерах - базовых элементах памяти, различных сдвиговых регистров, ... Их тоже можно выполнить на оптикоэлектронных элементах цифровой логики. И не смотря на то что описанные здесь ячейки работают на несколько иных принципах, показана возможность создания подобных элементов.  Они рассмотрены в работе [И.1] рассмотрено построение массивов асинхронных и синхронных RS-триггеров с использованием электроабсорбционных модуляторов света VCSEL (вертикально излучающих лазеров с объемным резонатором), их режимы функционирования и основные параметры. Она приведена с некоторыми исключениями и комментариями. Тем кто заинтересуется более подробно этой работой можно обратиться к первоисточнику.

 

RS-триггеры являются элементарными ячейками памяти, здесь рассмотрено их построение на оптикоэлектронных элементах. Их использование даст возможность построения оптоэлектронных массивов памяти. Основными элементами ячеек для построения массивов оптоэлектронных триггеров является электроабсорбционный модулятор света и элементы массива VCSEL [2].

Массивы синхронной и асинхронной оптоэлектронной памяти работают на пропуск оптического сигнала без использования усилительных элементов, с возможностью создания последовательного соединения каскадов массивов оптоэлектронной памяти с параллельным хранением информации.

Основными элементами оптоэлектронного асинхронного RS-тригера [3] и оптоэлектронного синхронного RS-тригера является оптически управляемые электроабсорбционные модуляторы ОСЕАМ (Opticallycontrolled electroabsorption modulators), созданные с большим количеством квантовых ям [4, 5], работающих на основе эффекта Штарка в квантоворазмерных структурах в полупроводниках [6].

Особенность построения ОСЕАМ заключается в том, что модулятор состоит из двух вертикально выращенных друг на друге слоев р-i-n диодов. Верхний р-i-n диод является фотоприемником (фотодиодом) для управляющего излучения, а нижний - модулятором для информационного луча.

Основой функционирования электроабсорбционных модуляторов является эффект Штарка в полупроводниках с большим количеством квантовых ям материал - GaAs/AlGaAs [6]. В них наблюдается изменение коэффициента поглощения с изменением внешнего напряжения. Результат исследования полученных экспериментальных зависимостей обнаружено, что в определенных диапазонах приложенного напряжения до электроабсорбционого модулятора света на определенных длинах волн наблюдаются различные зависимости коэффициента поглощения - от увеличения к уменьшению, как с уменьшением приложенного напряжения, так и с его увеличением. Это позволяет управлять пропусканием света с помощью напряжения, а также определять уровень логического нуля и логической единицы электроабсорбционого модулятора в зависимости от его коэффициентов поглощения. Для управления электроабсорбционными модуляторами в оптоэлектронных элементах памяти используется диапазон рабочих напряжений 0 ... 4 В со значением логической единицы 0 ... 1 В, а логического нуля - 3 ... 4 В, с использованием длины волны оптического сигнала питания 855 нм [2].

В построении массивов оптоэлектронной памяти существуют определенные проблемы, если используются известные оптоэлектронные запоминающие устройства. 

Например, известные элементы оптоэлектронной памяти, в частности динамические оптические запоминающие устройства на волоконно оптических линиях [7], который построен на волоконно оптических световодах и коммутационных устройствах для ввода и вывода информации. Его недостатками являются достаточно большие размеры из-за использования закольцованной участка оптического волокна и сложность изготовления в интегральном исполнении и построении последовательных каскадов этих устройств.

Также известны элементы оптоэлектронной памяти, в котором как пороговые элементы используются оптические бистабильные элементы (ОБЭ) [8]. Управление состоянием ОБЭ осуществляется исключительно оптическим путем за счет организации двустороннего симметричного обратной связи между ОБЭ по отраженным световым потоком. Однако различные уровни входных и выходных сигналов не позволяют создавать последовательное соединение каскадов на основе ОБЭ.

Для устранения вышеназванных недостатков, в частности сложности изготовления в интегральном исполнении и построении последовательных каскадов массивов оптоэлектронной памяти, предлагается разработка интегральных элементов памяти, которые работают на пропускание оптического сигнала без использования усилительных элементов, с возможностью создания последовательного соединения каскадов массивов оптоэлектронной памяти с параллельным хранением крупноразмерных массивов данных.

 

Рассмотрим работу ячейки массива асинхронной оптоэлектронной памяти на примере оптоелектронного асинхронного RS - тригера [3] с использованием элементов массива VCSEL для обеспечения входного оптического сигнала питания (рис. 1).

 

Рис. 1. Оптоелектронний асинхронний RS-тригер

 

Элементы массива VCSEL обеспечивают постоянный оптический сигнал, поступающий на вход каждого электроабсорбционного модулятора ОСЕАМ (оптический сигнал питания F) [9]. Информационные входы S и R и выходы используют одинаковые уровни оптического сигнала позволяет создавать каскады ячеек памяти. Быстродействие устройства обеспечивается  использованием по оптические информационные входы оптически управляемые скоростные двойные диоды со временем переключения до 20 пс [10].

 

Оптоэлектронный асинхронный RS-тригер содержит два двойных диода DD1 и DD2 (Dublediode) два электрических источника питания Е1 и Е2, два резисторы R1 и R2, четыре электроабсорбционних модулятора света EAM, два оптических информационных входа S и R, два оптических выхода Q, . Вход каждого электроабсорбционного модулятора соединен с оптическим источником питания F, в Рис. 1. Оптоэлектронный асинхронный RS-тригер в качестве которого используется соответствующий элемент массива VCSEL. Первый оптический вход DD1 является первым информационным входом триггера - S, а первый вход DD2 является информационным входом триггера R. - Оптические выходы ЕАМ1 и ЕАМ3 является прямым и инверсным оптическими выходами устройства Q, . С помощью сигналов оптического питания F осуществляются внутренние связи в триггере и формируются прямой Q и инверсный  оптические выходы триггера. Оптический сигнал Q и  определяется прохождением сигнала оптического питания F через ке мерованы приложенным напряжением ЕАМ1 и ЕАМ3, соответственно. Аналогично внутренние связи, подключены ко второму оптического входа DD1 и DD2 через ЕАМ2 и ЕАМ4 связаны с сигналами оптического питания F. Оптические информационные сигналы S и R одинаковые по уровням с сигналами оптического питания F, обеспечивается использованием одинаковых массивов VCSEL. Наличие оптического сигнала воспринимается как логическая единица, а отсутствие - как логический ноль.

Оптоэлектронный асинхронный RS триггер работает так:

 

 

где U_R↑, U_R↓ увеличение, падение напряжения на соответствующем резисторе, U_EAM ↑, U_EAM ↓ увеличение , падение напряжения электроабсорбционном модуляторе света. Значение S и R обозначают наличие входного оптического сигнала на соответствующем информационном входе.

Как элемент оптоэлектронной памяти для построения массивов синхронной памяти используется оптоэлектронный синхронный RS-триггер (рис. 2).

Оптоэлектронный синхронный RS-тригер содержит четыре двойных диода DD1 ... DD4 четыре электрических источника питания, четыре резисторы R1 ... R4, шесть электроабсорбционных модуляторов света EAM, шесть источников оптического питания F два оптических информационных входа S и R, два входа синхронизации C на которые подается идентичный сигнал (конструктивно могут быть выполнены в виде одного входа), два оптических выхода Q, .

Первый оптический вход DD1 является информационных входом устройства S, а первый вход DD2 есть, информационным входом устройства R. Оптические выходы ЕАМ3 и ЕАМ6 является первым и вторым оптическими выходами устройства Q и , соответственно.

 

Рис. 2. Оптоэлектронный синхронный RS-тригер

 

Оптоэлектронный синхронный RS-тригер создан посредством присоединения синхронизирующего каскада к оптоэлектронного асинхронного RS-тригера, поэтому функционирования его второго каскада аналогичное оптоэлектронном асинхронном RS-тригеру. Оптоэлектронный синхронный RS-тригер работает так:

 

 

Значение С обозначает наличие входного оптического сигнала на входе синхронизации, другие обозначения аналогичны обозначениям для работы оптоэлектронного асинхронного RS-триггера.

На рис. 3 показано упрощенную структурную схему массива асинхронной оптоэлектронной памяти на основе оптоэлектронного асинхронного RS-тригера с использованием массива VCSEL в качестве источника оптического питания. Горизонтальные сигналы обозначают информационные сигналы устройства S и R, а вертикальные - сигналы оптического питания F. Для примера показано матрицу асинхронных RS-тригеров размером 3×4 с оптическим питанием.

Чрезвычайно важны параметры быстродействия и временные характеристики устройства. Определим их для оптоэлектронного асинхронного RS-тригера.

 

Рис. 3. Структурная схема массива асинхронной оптоэлектронной памяти
с использованием массива VCSEL как источника оптического питания

 

Далее исследуем временные характеристики эквивалентной схемы с помощью анализа переходных процессов программой MicroCap 9. Исходя из графика, можно определить, что время срабатывания схемы ограничивается временем переднего фронта импульса напряжения за исключением 10% времени от начала роста фронта импульса с нулевого состояния и 10% в установления в единичное состояние. Считается, что за время 80% продолжительности переднего фронта импульса происходит срабатывания схемы.

 

Итак, примерное время срабатывания оптоэлектронного асинхронного RS-тригера

 

t₁=(731,518 – 295,721) 0,8 = 348,63 пс.

 

Можно оценить приблизительную потребляемую мощность как отношение энергии переключения в

времени срабатывания устройства по формуле:

 

P=E_sw/t

 

Энергия переключения для рабочей длины волны 855 нм и напряжения 9 В (при двух последовательно включенных электроабсорбционних модуляторов света) составляет 1,259 · 10^-13Дж [9], так с известным временем срабатывания 348,63 пс потребляемая мощность составит Р = 0,361 мВт.

Для массива 100×100 элементов суммарная потребляемая мощность составит 3,61 Вт. В связи с особенностями формирования OCEAM приведена эквивалентная схема оценочной, поэтому в дальнейшем результаты могут уточняться.

Период работы массива оптоэлектронной асинхронной памяти составит сумму времени срабатывания схемы оптоэлектронного асинхронного RS-тригера и времени переключения между элементами, который можно определить по заднему фронту импульса напряжения, изображенном на рис. 5.

 

Рис. 5. График напряжения, полученный для эквивалентной схемы
оптоэлектронного асинхронного RS-тригера в программе MicroCap 9

 

Исходя из этого, оценочная частота работы устройства составит:

 

f = 1/T = 1/( 348,63·10^-12 + 314,21·10^-12) = 1,508 ГГц

 

Выводы

Рассмотрены устройство и принцип работы интегральных элементов оптоэлектронной памяти - оптоэлектронного асинхронного RS-тригера и оптоэлектронного синхронного RS-тригера, работающих на пропускание оптического сигнала без использования усилительных элементов, с возможностью создания последовательного соединения каскадов массивов оптоэлектронной памяти с параллельным хранением крупноразмерных массивов данных. Описаны их принципы работы и состояния функционирования. Рассмотрены параметры быстродействия и энергопотребления на примере эквивалентной схемы оптоэлектронного асинхронного RS-тригера. Рабочая частота массива оптоэлектронной памяти на основе оптоэлектронного асинхронного RS-тригера составляет 1,508 ГГц. Потребляемая мощность массива 100×100 элементов составит 3,61 Вт. Показано структуру асинхронного массива оптоэлектронной памяти. Преимуществами данного устройства является паралелизм и возможность создания массивов памяти с высоким быстродействием, достигается быстрым переключением элементов устройства и отсутствием промежуточных каскадов с высоким время переключения. Массивы оптоэлектронной памяти могут быть использованы в информационно вычислительных системах для построения специализированных вычислительных устройств с параллельной обработкой информации.

 

Список литературы:

1. Ланина Э.. П. Организация ЭВМ и систем: учеб. пос. / Э. П. Ланина; Иркутский гос. техн. ун-т. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. - 33 с.

2. Лысенко Г. Л. Построение элементов оптоэлектронной памяти с использованием электроабсорбционных модуляторов света / Г. Л. Лысенко, Д. С. Костюченко / / Оптико-электронные информационно-энергетические технологии. - 2012. - № 1 (23). - С. 88-91.

3. Патент на полезную модель «оптоэлектронный асинхронный RS-триггер» № 62527 / Лысенко Г. Л., Костюченко Д.С., Бурмакина А.В. Зарегистрировано в государственном реестре патентов на полезные модели 25.08.2011.

4. Vijit Sabnis. Optically-controlled electroabsorption modulators for future generation optical networks / / A dissertation submitted to the department of applied physics and the committee on graduate studies of Stratford University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. - 2003. - P. 166-170.

5. Noah Charles Helman. Optoelectronic modulators for optical interconnects / / A dissertation submitted to the department of applied physics and the committee on graduate studies of Stratford University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy - 2005. - P. 29-33.

6. Исследование эффекта Штарка вертикально сопряженных квантовых точек в гетероструктурах InAs / GaAs / / физиока и техника полупроводников. - 2002. - Т. 36, вып. 9. - С. 1089-1096.

7. Цирюльник С.М. Архитектура динамических оптических оперативных запоминающих устройств на волоконнооптических линиях: монография. / С. М. Цирюльник, В.П. Кожемяко, Г. Л. Лысенко. - М.: ВНТУ, 2009. - С. 51-52.

8. Пат. Российской Федерации, G02F3/00, H03K23/78. Оптический триггер / Соколов С. В. - № 2040028; заявл. 10.02.1992.

9. Seurin, J.-F., Xu, G., Khalfin, V., Miglo, A., Wynn, JD, Pradhan, P., Ghosh, CL, and D'Asaro, LA, «Progress in

high-power high-efficiency VCSEL arrays, »Proc. SPIE 7229, 722903 (2009).

10. Micah Yairi , HV Demir, CW Coldren, JS Harris, and DAB Miller «Demonstration of an optoelectronic dual-diode optically controlled optical gate with a 20 picosecond repetition period »Nonlinear Optics: Materials, Fundamentals and Applications (NLO) KL, Hawaii August 6, 2000.

11. Micah B. Yairi. An optically controlled optoelectronic switch: from theory to 50 gigahertz burst-logic demonstration / / A dissertation submitted to the department of applied physics and the committee on graduate studies of Stanford University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. - 2001. - Р. 54-85.

 

 

Источник:

1. Г. Л. Лысенко, к.т.н., доцент; Д. С. Костюченко, студент, Исследование функционирования массивов оптоэлектронных RS - триггеров, Вестник Винницкого политехнического института. 2012. № 5, 119

 

Подготовил к публикации

А.Сорокин