5.3. Аналого-цифрові перетворювачі. Чотири розрядний ацп

Основою інтегрально-оптичного АЦП є матриця модуляторів інтерференційного типу (рис. 5.3.1, а).

Випромінювання від лазера з частотою дискретизації подається на вхід ОІС. Аналоговий сигнал подається на керуючі електроди (А) матриці інтерферометрів. Зауважимо, що в кожного наступного інтерферометра довжина їх у два рази менше. Отже, одна й та сама напруга призводить до вдвічі меншої зміни показника заломлення. Як наслідок – вдвічі менше змінюється різниця фаз. Модуляція інтенсивності на інтерферометрах у залежності від напруги наведена на рисунку 5.3.2.

а б

Рис. 5.3.1

Рис. 5.3.2

На виході інтерферометрів розташовані приймачі та нелінійні елементи, які спрацьовують по деякому пороговому рівню, що позначений на рисунку 5.3.2 пунктиром. Порговий рівень задається опорним сигналом, якій формується світловим потоком, що не пройшов через інтерферометри. Тоді на виході такої схеми будемо мати послідовність імпульсів частотою та величиною, яка визначається згідно з рисунком 5.3.2 (товсті лінії).

Початкова різниця фаз у всіх інтерферометрах встановлюється рівною величині . Для цього у конструкції АЦП передбачається початкове регулювання інтерферометрів за допомогою напруги , яка подається на електроди (В). На виході системи встановлено компаратор. Отже, вихідними елементами ОІС формується код згідно з таблицею, зображеною на рис. 5.3.1, б.

5.4. ОІс для обчислювальної техніки

В даному пункті розглянемо бістабільні та мультістабільні інтегрально-оптичні пристрої. Відомо, що саме на основі бістабільних та мультістабільних елементів і будується логічні комірки сучасних електронно-обчислювальних машин.

Оптичним бістабільним елементом прийнято називати пристрій, залежність потужності оптичного сигналу якого від потужності на вході елемента має вигляд гістерезисної петлі (рис. 5.4.1).

О

Рис. 5.4.1

дним з перших пристроїв, в яких спостерігалося явище оптичної бістабільності є певний резонатор, заповнений нелінійним середовищем (рис. 5.4.2). При низький інтенсивності вхідного сигналу певної довжини хвилі не виконується умова виникнення в ньому стоячої хвилі:

(5.4.1)

д е – довжина резонатора, – показник заломлення нелінійного середовища, яке його заповнює, – ціле число. В такій ситуації резонатор діє як певний поглинаючий фільтр. Отже інтенсивність випромінювання на його виході суттєво менша ніж на вході.

П

Рис. 5.4.2

1,1 – резонатор, 2 – нелінійне електро-оптичне середовище, 3 – світлоподілювач, 4 – фотоприймач, 5 – підсилювач напруги, 6 – керуючі електроди

ри збільшенні інтенсивності збільшується показник заломлення середовища і „частота” настройки резонатора все більше збігається з частотою хвильових коливань, тобто ліва і права частини співвідношення (5.4.1) все менше різняться. Як наслідок, інтенсивність випромінювання в самому резонаторі і на його виході починає зростати, що в свою чергу призводить до додаткового збільшення . Фактично утворюється ланка позитивного оберненого зв’язку, Отже процес буде продовжуватися поки не буде виконуватися співвідношення (5.4.1) Крива наростання потужності на виході такого елемента має стрибкоподібний характер, аналогічний характеру кривої наведеної на рис. 5.4.1. При зменшенні вхідної інтенсивності наявність нелінійності середовища та виконання умови (5.4.1) буде „підтримувати” на певному рівні вихідну потужність випромінювання, поки система „не зірветься”. В цьому випадку рівень вхідної інтенсивності точно недостатній, щоб виконувалася рівність (5.4.1) та ліва і права його частини різняться на величину близьку до . Таким чином реалізується гістерезисна петля, аналогічна кривій наведеної на рис. 5.4.1.

Проте реалізація таких пристроїв з „чистою” оптичною бістабільністю проблематична, оскільки суттєві зміни показника заломлення вимагають значних потужностей лазерного джерела (близько до 1 МВт/см²). Вийти з цієї ситуації та створити бістабільні елементи, які працюють при відносно невеликих потужностях дозволяє гібридна технологія. Для цього в якості нелінійного середовища використовують електро-оптичний матеріал. Частина випромінювання на виході елемента відводиться на фотоприймач 4 (див. рис. 5.4.2). Після цього електричний сигнал підсилюється та подається на керуючи електроди. За рахунок цього показник заломлення середовища 2 додатково змінюється.

Зауважимо, що сучасна технологія дозволяє створити такі пристрої в планарному виконанні у вигляді ОІС.

Н

Рис. 5.4.3

Рис. 5.4.4

а рисунку 5.4.3 зображений бістабільний елемент, виконаний на основі зв’язаних хвилеводів. При малій інтенсивності довжина активної ділянки Х-розголужовача менша ніж довжина зв’язку. Отже світлова хвиля розповсюджується, як в каналі Б так і в каналі А. Сигнал з виходу каналу Б поступає на фотоприймач 1 та через підсилювач 2 подається на керуючі електроди. При зростанні інтенсивності в результаті дії світла відбувається зменшення довжини зв’язку. Відповідно все більша частина світлового потоку перекачується в канал Б. Проте параметри системи вибрані таким чином, що ще тривалий час інтенсивність в каналі А зростає в абсолютних одиницях виміру. Такий процес буде відбуватися до тих пір, поки співвідношення між довжиною активної ділянки та довжиною зв’язку не стане близьким до одиниці та завдяки зменшенню долі інтенсивності, яка залишається в каналі А сигнал на фотоприймачі не перестане зростати. При цьому зростання інтенсивності в каналі Б відбувається значно скоріше, ніж зростання цієї величини на вході ОІС, загасання інтенсивності в цьому каналі відбувається з певною затримкою.

Наступний пристрій виконаний на основі нелінійного хвилеводу і решітчастого елемента зв’язку (рис. 5.4.4). При малих інтенсивностях пучок не вводиться хвилевід, оскільки кут дифракції в середовищі хвилеводу не відповідає напрямку на хвилевідні моди. При зростанні вхідної інтенсивності показник заломлення хвилевідного шару починає змінюватися, що в свою чергу призводить до зміни кута дифракції пучка .

В решті решт кут дифракції стає близьким до кута, під яким розповсюджується мода та інтенсивність в середині хвилевода (і на виході ОІС теж) починає швидко зростати. При зменшенні вхідної інтенсивності вихідна поводить себе так само, як і в двох попередніх випадках. Природно, що для забезпечення роботи такого елементу на низьких інтенсивностях при побудові такого бістабільного пристрою може також бути використана гібридна технологія з організацією електронної ланки додатного оберненого зв’язку.