Разработка и исследование многоканальных оптоэлектронных коммутаторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Асланиди, Максим Юрьевич

• Асланиди, Максим Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Асланиди, Максим Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ эффективности применения оптоэлектронных коммутаторов (ОЭМК) в информационных системах.

1. Анализ. 1.2. Постановка основных задач исследований.

Выводы.

Глава 2. Физические основы работы оптоэлектронных коммутаторов.(ОЭМК).

2.1. Основные уравнения физических процессов, протекающих в ОЭМК.

2.2. Физическая модель излучателя ОЭМК.

2.3. Расчет фотоэлектрических характеристик интегрального фотодиода ОЭМКП.

2.4. Электрические модели оптоэлектронных коммутаторов.

2.5. Переходные процессы в ОЭМК.

2.5.1. Методы заряда при анализе переходных проъ^ессов в ОЭМК.

2.6. Расчет первичных фототоков.

Выводы.

Глава 3. Аппаратная реализация оптоэлектронных коммутаторов.

3.1. Оптоэлектронные коммутаторы аналоговых сигналов.

3.2. Оптоэлектронные многоканальные коммутаторы.

3.3. Переходные процессы в оптоэлектронных ключах, работающих в режиме коммутации малых сигналов.

Выводы.

Глава 4. Эксплуатация оптоэлектронных коммутаторов.

4.1. Система параметров оптоэлектронных коммутаторов.

4.2. Система параметров излучающих диодов для ОЭМК.

4.3. Система параметров фотоприемников для оптоэлектронных коммутаторов.

4.4. Система параметров оптоэлектронных коммутаторов.

4.5. Методы измерения параметров оптоэлектронных приборов.

4.5.1. Методы измерения параметров излучающих диодов для ОЭМК.

4.5.2. Методы измерения параметров фотоприемников для оптоэлектронных коммутаторов.

4.5.3. Экспериментальные исследования натурных образцов оптоэлектронных матричных коммутаторов.

4.6. Экспериментальные исследования ОЭМК.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование многоканальных оптоэлектронных коммутаторов»

Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники, посвященный одновременному использованию оптических электрических методов обработки, коммутации, передачи и хранения информации. Ее физическую основу представляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и оптических в электрические.

Одним из основных преимуществ оптоэлектронных проборов является гальваническая развязка между управляющим входом и коммутационным выходом. Это позволяет создавать пространственно раздельные поля информационных сигналов, что позволяет на порядки повысить устойчивость к электромагнитным наводкам и помехам информационных сетей.

Основу таких полей составляют оптоэлектронные комхмутаторы (ОЭК), в простейшем случае состоящие из светодиода и фототранзистора.

Дальнейшее развитие ОЭК направлено на повышение уровня интеграций за счет многоканалыюсти. Применение таких коммутаторов позволяет создавать сложные вычислительные и телекоммуникационные системы, управляющие большим числом источников информационных сигналов.

По общему мнению отечественных и зарубежных специалистов, оптоэлектронные коммутаторы в ближайшем будущем найдут широкое применение в различных системах связи, в радиоэлектронных бортовых системах обработки информации.

Перенос и коммутация информации с помощью световых импульсов по сравнению с электрическими сигналами дают существенное преимущество. Прежде всего следует отметить, что частота световой волны Г >1015 ГЦ, что на порядок выше частоты электрических сигналов и волн, используемых в современной связи или компьютерной технике.

Кроме того, поскольку длина световой волны ничтожна, мала, то имеется возможность коммутации информационных сигналов с необычайно высокой скоростью.

Целью настоящей работы является создание методов расчета параметров ОЭМК, которые позволяют сократить время их проектирования и изготовления. Основными задачами решения, которые необходимы для достижения поставленной цели являются:

• разработка требований к оптоэлектронным многоканальным коммутаторам

ОЭМК) со стороны информационных систем и сетей;

• разработка математических моделей работы ОЭМК в различных эксплуатационных условиях;

• расчет динамических помех ОЭМК в режиме коммутации «малого» сигнала;

• разработка аппаратной реализации ОЭМК;,

• выбор системы параметров ОЭМК и методов измерения их процессов;

• проведение экспериментальных исследований ОЭМК.

Методы исследований. Для решения поставленных выше задач в качестве методов исследования использовались: теория систем дифференциальных уравнений; теория электрических цепей; моделирование и версификации электронных схем; анализ и статическая обработка полученных экспериментальных результатов.

Достоверность научных результатов. Достоверность научных результатов, выводов, рекомендаций, а также корректность разработанных математических моделей, подтверждается путем сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также сравнение полученных результатов с результатами исследований, опубликованными ранее в отечественных и зарубежных научных публикациях.

Научная новизна работы.

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

• Разработаны математические модели ОЭМК, позволившие создать основы их проектирования в вычислительных сетях.

• Проведен расчет динамической помехи ОЭМК в режиме коммутации «малого» сигнала, позволивший устранить причины возникновения помехи и проектировать высокоточные, помехоустойчивые коммутаторы.

• Разработаны принципы аппаратной реализации ОЭМК, позволяющие разработать структурную схему ОЭМК, схемотехнику применения в вычислительных сетях.

• Разработанные методы измерения параметров ОЭМК, позволяющие вести контроль параметров на этапах производства и эксплуатации.

Значения полученных результатов для теории и практики.

Значения диссертационной работы для теории состоит в получении новых научных результатов в области математического моделирования аппаратной реализации ОЭМК. Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Выбраны требования к параметрам ОЭМК, позволившие оценить качество работы ОЭМК.

2. Разработаны экспериментальные образцы ОЭМК позволившие оценить возможность работы ОЭМК в различных эксплуатационных условиях.

3. Разработаны методы испытаний ОЭМК, позволившие выбрать систему параметров ОЭМК.

На защиту выносятся;

• выбор требований к ОЭМК;

• разработка математических моделей работы ОЭМК в различных эксплуатационных условиях;

• расчет динамических помех ОЭМК в режиме коммутации «малого» сигнала;

• аппаратная реализация ОЭМК;

• выбор системы параметров ОЭМК;

• методы измерения параметров ОЭМК. Публикации:

По материалам данных исследований опубликовано 4 работы:

1. Асланиди М.Ю., Дмитриев В.П. Разработка принципиальной электрической схемы оптоэлектронного интегрального коммутатора.- М.: Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: Сборник научных трудов. 2009.С.194 - 197

2. Асланиди М.Ю. Система параметров оптоэлектронных коммутаторов аналоговых сигналов и методы их измерения, — М.: Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: Сборник научных трудов.2009.С.201- 208

3. Асланиди М.Ю. Физико-топологическая модель ОЭМК - Таганрог «Известия ЮФУ. Технические науки», 2010. № 2 (103)-С.162 -168

4. Дмитриев В.П. и Асланиди М.Ю. Optoelectronic sensors for operating «Information Systems,-Information and Telecommunication technologies in Intelligence systems» -Maiorka 2007.C. 154-163.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Асланиди, Максим Юрьевич

Выводы

1.На основе анализа физических принципов работы оптоэлектропных приборов в качестве информационных устройств, их эквивалентных схем выбраны основные параметры этих приборов. Причем параметры оптоэлектронных приборов с внутренним оптическим взаимодействием, описывающие их свойства в качестве устройств информационных систем сбора и передачи информации, могут быть разделены на группы:

• входные параметры, определяемые входной цепью — излучающим диодом (1пр, Свх, 10бр и др.);

• выходные параметры, определяемые фотоприемником (1у1, Свых.11дНф и др.);

• параметры передачи и усиления выходных электрических сигналов (К! , КПД и дрО;

• параметры, характеризующие быстродействие передачи электрических сигналов со входа на выход (время включения, время задержки включения, время выключения, время задержки выключения, длительности фронта нарастания и спада и т.д.);

• параметры, характеризующие величину гальванической развязки (сопротивления изоляции) и емкости связи между входом и выходом ОЭМК (Киз?Сиз,ииз).

2. Расчет параметров ОЭМК необходимо вести на основе разработанных физических и электрических моделей, полученных в предыдущих главах. Причем для возможности простого и удобного расчета параметров выбираются эквивалентные четырехполюсники

3. При разработке методов измерения определены теоретические значения параметров и предложены конкретные измерения параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ эффективности применения ОЭМК в вычислительных системах и сетях, разработаны требования к параметрам ОЭМК.

2. Рассмотрены особенности физических процессов, проходящих в ОЭМК в различных режимах эксплуатации. На основе анализа этих особенностей разработаны физические модели элементов ОЭМК. На основе этих моделей проведен расчет параметров экспериментальных образцов ОЭМК.

3. На основе анализа и решения нестационарных уравнений непрерывности рассчитаны переходные характеристики «первичных» фототоков с учетом изменения времени жизни носителей заряда, время действия импульса ионизирующего излучения.

На основе решения системы уравнений заряда получены расчетные соотношения переходных процессов многослойных фоточувствительных структур в режиме «малого» сигнала. На основе полученных расчетных соотношений определено оптимальное сочетание параметров быстродействующих, вносящих малые искажения в коммутируемый информационный сигнал, многослойных фоточувствительных структур.

4. Разработаны принципы конструирования и микросхемотехники ОЭМК, устойчивых к комплексному воздействию различных эксплуатационных факторов, в том числе и к воздействию ионизирующих излучений.

5. На основе анализа физических процессов, принципов схемного использования с помощью предложенных математических моделей разработаны системы параметров ОЭМК.

6. На основе критерия «идеальных» условий измерения («холостой ход, «короткое замыкание» и т.д.) теоретически и экспериментально обоснованы методы измерения ОЭМК.

7. На основе разработанных математических моделей, методов измерения и особенностей применения ОЭМК в различных вычислительных системах разработаны методики испытаний ОЭМК. На базе этих методик проведены испытания экспериментальных образцов ОЭМК.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Асланиди, Максим Юрьевич, 2011 год

1. Асланиди М.Ю. Дмитриев В.П. Разработка принципиальной электрической схемы оптоэлектронного интегрального коммутатора— М.: Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: Сборник научных трудов. 2009.С.194 197

2. Асланиди М.Ю. Система параметров оптоэлектронных коммутаторов аналоговых сигналов и методы их измерения, — М.: Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: Сборник научных трудов.2009.С.201- 208

3. Асланиди М.Ю. Физико-топологическая модель ОЭМК — Таганрог «Известия ЮФУ. Технические науки», 2010. № 2 (103)-С.162 168

4. Дмитриев В.П. и Асланиди М.Ю. Optoelectronic sensors for operating «Information Systems,-Information and Telecommunication technologies in Intelligence systems» -Maiorka 2007.C.154-163.

5. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. М: Высшая школа, 1986. - 464 с.

6. Дмитриев В.П. и др. Коммутационные устройства радиоэлектронной аппаратуры. -M : Радио и связь, 1985. 264 с.

7. Дмитриев В.П., Гребнев А.К. Перспективы применения оптоэлектронных приборов и устройств для передачи и обработки информации //Электроника и техника СВЧ и КВЧ. Том 5. Вып.З. 1999.

8. Дмитриев В.П. и др. Волсторны — новый класс изделий электронной техники // Электронная промышленность. 1983. Вып.6 123.С. 11-12.

9. Дмитриев В.П. и др. Характеристики и методы расчета оптоэлектронных приборов- М: ВИНИТИ // Итоги науки и техники СССР., 1989. т.24. С. 3-59 Сер. Электроника

10. Дмитриев В.П., Гребнев А.К., Набатов И.Н. Оптоэлектронные коммутаторы аналоговых сигналов на основе биполярных структур // Электронная техника. 1981. Вып.1. С. 42-41-46. (сер. Радиодетали и радиокомпоненты)

11. Горохов В.А., Дмитриев В.П., Носов Ю.Р. Принципы конструирования оптоэлектронных коммутаторов аналоговых сигналов // Микроэлектроника. М: Сов. Радио, 1975, вып.8. С. 47-62.14.17.