УДК 621.3.049.774
Проскурін М. П.1, Щекотихін О. В.2
ОПТИЧЕСКИЕ НЕКОНДУКТИВНЫЕ СВЯЗИ НА МАЛО-
/МИКРОМОЩНЫХ ОПТРОНАХ И ИХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ
ИНТЕРФЕЙСОВ ЦИФРОВЫХ СХЕМ
Использование структурированных потоков оптической инфор-
мации получило широкое применение в технике: в приборах передачи
данных, в устройствах управления (УУ) технологическим и бортовым
оборудованием, медицинской аппаратуре, видеонаблюдении, др.[1].
Известно, что динамика изменения параметров цифровых ИС, свя-
зи между каскадами которых осуществляются по направляющим средам
(НС) на основе металлических (Ме) связей, указывает на приближение их
к определенному частотному пределу (граничная частота переключения
Fгр.). Его граница отличается для логических элементов (ЛЭ) разных ти-
пов логики ИС (Т2Л, ЭСЛ, Т2ЛШ, МОП, К-МОП, др.), но она связана с
рядом факторов, основные из которых: физические свойства выбран-
ных основных носителей заряда (НЗ) – квазисвязанные электроны (значе-
ния: подвижности м в полупроводниковой структуре – ППС, ширина зон,
др.), НС в виде проводников и связанные с ними R, L, C параметры (на-
пример, задержка переключения t~R. C, др.); технологические ограниче-
ния (топологические: минимальный размер элементов, количество выво-
дов корпуса ИС и внутренних связей, их длина, др.); свойства ППС (ве-
личины: работа переключения из «1»/»0» в «0»/«1», рассеиваемая мощ-
ность РИС, шумы тепловые РШТ~kТ, др.). Известна высокая восприимчи-
вость ИС, плат, блоков, устройств (токоведущие дорожки, внутрен-
ние/внешние интерфейсы, кабели, шлейфы, др.), к электромагнитным
помехам (ЭМП) суть явления которых заключается в наведении в провод-
нике длинной l ложных импульсов в виде «0» и «1». Это определяет не-
достатки таких НС: двупроводная организация передачи, сложности пе-
редачи множества сигналов по 1-й цепи, наличие паразитных обратных
связей, восприимчивость к ЭМП, ограничения длины l сетей и ЛС, пара-
метры частот переключения FГР, др.
Анализ излучателей «коротких» и «длинных» оптронов (схем с
источником мало - и микромощного оптического излучения в виде: моду-
ляторов, приемопередатчиков, переключательных устройств, др.) указы-
вает, что подходящими для расстояний 0,001мкм..103м являются некоге-
рентные излучатели типа ИК СД (на основе GaAs). Они обладают прием-
лемым набором качеств и характеристик: малой потребляемой мощнос-
тью, высоким быстродействием (около 10–9с), достаточным КПД преоб-
разования Е→L, длительным временем функционирования (≥106 ч) пре-
образования Е→L, длительным временем функционирования (≥106 ч) и
производятся по современным планарным технологиям [2,3].
Обзор фотоприемников (ФП) оптронов указал перспективность
применения схемы ФП в виде p-i-n ФД и ВЧ транзистора (Тр.) с быстро-
действием более 10–9с [3]; среди них оригинальным КТР является «Інтег-
ральний фотоприймальний пристрій» [4] (ИФУ) одного из авторов1, в ко-
тором p-i-n ФД интегрирован в n-p-n ВЧ Тр. (обеспечило: приемлемые
уровень генерации ФД, коэффициент усиления Тр., возможность его под-
стройки, др.), а также технологичность этапов его производства по пла-
нарной технологии. Объединение ИК СД и ИФУ в КТР в виде микромощ-
ного оптрона, разработка, расчет его элементов и компьютерное модели-
рование (КМ) на основе схем оптоэлектронных ЛЭ (типа n-ИЛИ-НЕ: ба-
зис Пирса) показало их возможности, перспективы для создания ИС с оп-
тическими связями (ОС) [5].
В начале этапа использования дискретных оптронов, их элементов
(при реализации преимуществ ОС) предложено было применить их в раз-
личных экспериментальных конструкциях, например, в виде блока из ряда
плат с ИС и межплатных ОС (с открытым и/или закрытым ВОК). В одной
из них использованы ОС по закрытому ВОК в виде волоконнооптических
пластин (ВОП) между горизонтальными платами «этажерки» блока на
основе излучателей (ИК СД) и ФП (на основе p-i-n ФД) с рабочей часто-
той FР до нескольких десятков МГц. Предложенное КТР одним из авто-
ров2 тезисов [6] позволяло входные/выходные сигналы ИС одной гори-
зонтальной платы преобразовать в оптические/электрические (типа Е→L,
L→Е) и перенаправить на другую горизонтальную плату по ВОП. Одна-
ко предложенное КТР далеко от оптимального по ряду причин: а – ис-
пользование ИС и Ме связей между ними на і-той плате; б – выполнение
оптронов, их элементов (СД, ФП) и ВОК, связей между ними и ИС по
гибридной (немонолитной) технологии; в – сложность юстирования слоев
ВОП (для повышения КПД передачи оптических цифровых сигналов от
СД к ФП); г – отсутствие системного подхода к снижению габаритов,
мощности потребления дискретных оптронов (их элементов) и повыше-
ния частоты их переключения FГР; др.. Указанные недостатки были пре-
одолены в КТР, предложенных одним из авторов1: патент «Цифровий
пристрій з оптоелектронним блоком» [7] и патент на полезную модель
«Оптоелектронна інтегральна схема для цифрових автоматів» [8], которая
состоит из рядов «склеек» ИСОС, оптически связанных между собой, как
и каждая «склейка». Разработчики фирм Intel и Apple, др., применили
сходные подходы с авторами1,2 в реализации ИСОС: организация разде-
ления входных/выходных оптических потоков цифровых данных; однако
особые подходы (гибридная технология - навесные элементы) для излуча-
телей/фотоприемников ИС [9].
Анализ приведенных КТР [5–9] и указанные подходы авторов1,2
настоящей статьи показали возможные направления интеграции оптронов
и их элементов в ИС, но в вопросе реализации оптических интерфейсов
ИС они мало что внесли обнадеживающего. Однако позже автором1 для
решения этого вопроса предложено направление реализации КТР оптиче-
ского интерфейса ИС в статье [10] (на основе ранее проведенных иссле-
дований и разработок российских [11] и украинских ученых [12]). Первые
предложили технологию получения и использование ОС на основе техно-
логии окисления пористого кремния (Si); вторые указали на возможность
создания оптронов (типа СД-ФД) по планарным технологиям (GaAs мезы
на Si подложках). Совместное использование указанных подходов может
привести к созданию планарных оптических интерфейсов ИС (частично
схожих с проводными интерфейсами ИС).
Выводы. Приведеный анализ подводит авторов к следующим выводам:
1. Объективные тенденции повышения производительности после
достижения предела FГР для металлических НС в традиционных цифровых
ИС (10…12 ГГц) могут быть обеспечены переходом на ОС.
2. Обзор современных КТР с использованием ОС показал начало
их промышленного применения (в экспериментальных устройствах) как
на уровне межплатных связей, так и между/внутри ИС и/или ее частями.
3. Рассмотренные КТР характеризуются как применением
гибридных технологий получения ППС (в экспериментальных ИС с ОС),
так и тенденциями их унификации и сближения с современными
планарными технологиями получения ППС, характерными для ИС.
4. Для внутренних/внешних ОС, интерфейсов перспективным
направлением может быть использование элементов микромощных
оптронов УВЧ диапазона (ИК СД-p-i-n ФД) на Si подложках.
Список литературы
1. Р. Фриман. Волоконно-оптические системы связи.– М.: Техносфера,2003.–450 с.
2. А. Берг, П. ин. Светодиоды. Пер. с англ. под ред. .–М.:Мир, 1979.– 688 с.
3. С. М. Зи. Физика полупроводниковых приборов: В 2 т. / Мир.– М., 1984.–912 с.
4. Декл. Пат. № 000А. Україна, МКИ G02F 3/00. Інтегральний фото-
приймальний пристрій / Білявська О. С., , Проскурін М. П. – №
20033076496; Заявл.11.07.2003; Опубл. 16.08.2004, Бюл.№ 8.–3 с.
5.
1 Проскурін Микола Петрович, к. т.н., ЗНТУ, доцент каф. КСС. 2 Щекотіхін Олег Вячеславович, к. т.н., ЗНТУ, доцент каф. ЗІ.
