из наиболее трудных задач микроэлектроники Проблему передачи сигналов между отдельными конструктивными платами. Надежность и габариты микроэлектронных устройств вычислительной техники в первую очередь определяются качеством электрических соединений. Установлено, что надежность работы твердотельного устройства, собранного на одной пластине, в 10 раз выше надежности того же устройства, собранного из отдельных элементов с электрическими связями между ними. Применение оптической связи для передачи сигналов между соседними пластинами, на которых сформировано большое число отдельных микросхем, позволяет собрать их в плотный пакет, значительно облегчить и упростить сборку, уменьшить объем устройств в целом. Кроме того, устранение паяных соединений и их замена на оптическую связь в таком пакете значительно повышает надежность устройства.

Оптико-электронные схемы с излучателями, работающими в ви-диMQЙ области спектра, дают возможность визуально судить о состоянии схемы, что облегчает работу оператора при наладке, монтаже и эксплуатации вычислительных устройств н приборов.

Важнейшей особенностью оптической связи в схемах, как уже говорилось, является отсутствие обратного потока информации (обратного воздействия приемника света на его источник). Эта особенность обеспечивает отсутствие влияния нагрузки на работу схемы, исключает нежелательную обратную связь и повышает помехоустойчивость. Так как вход и выход устройств с оптической связью разделены, то, используя обратную связь и оптико-электронные усилители, можно получать большое число схемных разновидностей. Например, на оптико-электронных логических элементах осуществимы такие логические схемы, в которых число входов и выходов может достигать нескольких сотен и даже тысяч. Ни один из обычных электронных приборов, используемых в настоящее время, не обладает такой нагрузочной способностью ни на входе, ни на выходе.

Двумерная природа оптического излучения позволяет многим сигналам независимо и параллельно распространяться по простым каналам без взаимного их влияния. Отличительной особенностью оптического тракта передачи информации является то, что он с успехом может заменить импульсный трансформатор, также обеспечивающий электрическую развязку по постоянному току, и при этом передавать еще и постоянную составляющую сигнала.

В больших системах из-за общих заземленных шин н шин питания возникают значительные токи, вызванные множеством электрических соединений между отдельными частями системы. Введение оптической связи между этими частями системы обеспечивает полную развязку по питанию, исключает циркуляцию токов в заземленных шинах, а значит, и заметное падение напряжения. Высокая степень независимости действия отдельных оптико-электронных схем в системе исключает положение, при котором выход из строя одной из таких схем влияет на работу других частей системы. Величина наводок в соседних оптических каналах практически не зависит от ширины спектра передаваемых сигналов.

Сложной задачей проектирования электронных вычислительных машин с высокой тактовой частотой (порядка 10 Мгц и выше) является способ передачи сигналов между устройствами. Для уменьшения реактивного сопротивления линии передачи и устранения взаимных наводок применяются коаксиальные кабели и поло-

екоЁые линии. Однако согласование волновых сопротивлений с целью устранения отраженных сигналов в этих цепях вызывает значительные трудности. Кроме того, затухание импульсов в коаксиальных кабелях и полосковых линиях значительно возрастает с повышением частоты передаваемых сигналов. Например, для коаксиального кабеля марки РК-19 при повышении частоты сигнала от 10 до 300 Мгц затухание возрастает почти в 6 раз. Передача же высокочастотных оптических сигналов по стекловолокну не сопровождается увеличением затухания с повышением частоты, а само затухание и габариты волоконных световодов не уступают характеристикам лучших коаксиальных кабелей. Так, например, затухание типичного пассивного волокна составляет 1,1 дб/Ми а у одного специально изготовленного коаксиального кабеля диаметром 0,89 мм затухание на частоте 1 Ггц составляло 1,8 дб/м.

Возможность модуляции оптического пучка путем простой установки на его пути механических нли светочувствительных фотохромных шаблонов (масок) позволяет реализовывать различные логические функции на базе использования оптико-электронных логических матриц (преобразователей). Смена самих функций при этом может осуществляться с высокими скоростями.

Следует, однако, отметить и недостатки, присущие оптико-электронным элементам связи. К ним надо отнести прежде всего низкий коэффициент передачи и преобразования энергии, а также необходимость защиты элементов от возможной паразитной перекрестной засветки. Кроме того, в настоящее время оптико-электронные элементы связи lie могут еще обеспечить достаточно высокого коэффициента качества (произведение коэффициента усиления на диапазон рабочих частот). Необходимо также отметить, что быстродействие выпускаемых промышленностью приемников света пока еще недостаточно велико. Тем не менее применение простой логики и преимущества оптико-электронных схем с излишком компенсируют все указанные недостатки.

6. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ ЯЧЕЙКА

Основой любого оптико-электронного устройства нли схемы служит оптико-электронная ячейка, которая осуществляет преобразование электрических сигналов в оптические, передачу этих сигналов по оптическому каналу связи (световоду) и последующее обратное преобразование оптического сигнала в электрический (с усилением в случае необходимости). Такая ячейка состоит из излучателя световой энергии (источника света), светопроводящей среды (световода) и фотоприемника (приемника света). По типу используемых приборов оптико-электронные ячейки делятся на ячейки с некогерентным и когерентным излучением.

В оптико-электронных ячейках с некогерентным излучением через излучатель и фотоприемник по подводящим сигналы проводникам и самому материалу излучателя и фотоприемника перемещаются электрические заряды. Между излучателем и фотоприемником передача энергии осуществляется с помощью фотонов, электрически нейтральных. Такие устройства из-за наличия в них реактивных элементов инерционны.

Оптико-электронные ячейки с когерентным излучением более быстродействующие. Объясняется это тем, что в когерентных ячейках обычно отсутствуют фотоприемники, а сигналы воспринимаются

и усиливаются лазерным приемником когерентного излучения. Фотоприемники с электрическим выходным сигналом в этом случае необходимы лишь на выходе таких ячеек. В отличие о г некогерентных ячеек, в которых электрические сигналы сначала преобразуются в световые, а затем снова в электрические, в когерентных ячейках происходит преобразование световых сигналов в световые. Процесс преобразования световых сигналов в световые требует лишь изменения внутриатомных энергетических состояний, и времени на подобного рода преобразования требуется меньше, чем на передачу электрических сигналов по проводам в ячейках с некогерентным излучением.

Следует, однако, обратить внимание на такое преимущество ячеек с некогерентным излучением, как наличие направленности в распространении информационного или управляющего сигнала. В ячейках же с когерентным излучением необходимо использовать специально направленные линии связи или располагать входные и выходные пути распространения оптического сигнала под прямым углом, так как иначе эти пути могут оказаться неразвязанными, и сигналы будут накладываться один на другой.

Логические оптико-электронные ячейки с некогерентным излучением можно разделить на ячейки с низким быстродействием, работающие на поликристаллических приборах, и на ячейки с высоким быстродействием, использующие монокристаллические быстродействующие полупроводниковые приборы. Передача сигналов между каскадами ячейки может осуществляться оптическим или электрическим способами.

Первый способ построения логических схем предусматривает локализацию тракта передачи оптического сигнала. В этом случае информация передается между каскадами в виде электрических сигналов по электрическому тракту. При этом используют электролюминесцентные источники и приемники излучения на фоторезисторах. По второму способу построения логических схем локализации подвергается электрический тракт передачи информации, а передача сигналов между каскадами оптико-электронной ячейки осуществляется с помощью оптического тракта связи.

Построение каскадов в соответствии с первым способом обеспечивает высокоэффективную оптическую связь, однако такой вариант не исключает некоторых недостатков связи между каскадами, встречающихся в обычных электронных вычислительных машинах. К ним относятся отражение сигналов, перекрестные наводки, наличие задержки в распространении сигнала, влияние паразитных реак-тивностеи цепи, а также ограниченность значения коэффициентов объединения по входу и разветвления по выходу.

Варианту построения каскадов по второму способу свойственны относительная простота передачи сигналов между каскадами, а также большое значение коэффициентов объединения по входу и разветвления по выходу. Этот вариант каскадирования наиболее эффективен в случае небольших расстояний между каскадами (связь между ячейками на одной плате или связь между ячейками, расположенными на соседних платах в одном пакете). Недостаток этого способа построения многокаскадных оптико-электронных ячеек заключается в трудности осуществления эффективной оптической связи между каскадами, расположенными относительно далеко один от другого (например, связь между каскадами, расположенными В разных блоках вычислительной машины).