3.2. Примеры электрооптической обработки сигналов (ЭООС)

Электрооптическая обработка сигналов обычно используется в задачах, где скорость и производительность более важны, чем точность и динамический диапазон. Это задачи из области обработки сигналов, обработки изображений и оптических вычислений. ЭООС особенно хорошо подходит для таких задач из-за изначально двумерной природы оптических пучков и возможности наложения нескольких пучков на одном и том же участке, что приводит к высокой степени параллельности вычислительных сетей. Эту концепцию параллельной обработки в настоящее время дублируют в электронных вычислительных сетях, называемых «систолическими матрицами», где большое число связанных процессоров образует упорядоченную двумерную сеть. В данном разделе представлены некоторые примеры такого параллелизма, откуда становится ясной превалирующая роль ПЗС-технологии.

Первым из примеров устройства ЭООС является аналого-цифровой преобразователь (АЦП), использующий электроопти-ческий эффект в -разрядный вариант этого устройства показан на рис. 3.2, а, в то время как на рис. более подробно показана схема матрицы элементов АЦП на Преобразуемый аналоговый сигнал подается на центральные электроды четырех оптических волноводных интерфе-рометрическпх модуляторов, выполненных на подложке из Эти модуляторы обладают тем свойством, что их оптический выходной сигнал представляет собой периодическую функцию аналогового сигнала напряжения и длины электродов вдоль направления волноводов. Это означает, что при подходящих пороговых характеристиках выходные сигналы волновода могут быть использованы для получения двоичного представления аналогового входного сигнала. Реализация функции выборки в этих устройствах осуществляется оптическими методами с использованием серии коротких лазерных импульсов, подаваемых с соответствующей скоростью выборки. Были получены скорости выборки в 1 ГВ/с (гигавыборка/секунду) [3], и методика дает надежду на получение скоростей, достигающих 3 ГВ/с.

На рис. 3.2, а пунктирной рамкой обозначена наиболее критическая часть преобразователя, регистрирующая короткие оптические импульсы, применяющая пороговую функцию к получающемуся сигналу и затем демультиплексирующая данные

(кликните для просмотра скана)

для дальнейшей обработки при меньших скоростях. В системе, предложенной в [3], эти функции осуществлялись с помощью лавинных фотодиодов, подсоединенных к быстродействующим биполярным компараторам и последовательно-параллельному преобразователю. При скоростях более 1 ГВ/с эти элементы схемы потребуется заменить на более быстродействующие, и здесь технология GaAs могла бы поднять существующий потолок быстродействия. Матричные ПЗС-детекторы на арсениде галлия могли бы обеспечить детектирование, а их выходные сигналы — усиливаться и подаваться в компараторы, изготовленные на монолитной GaAs-подложке. Демультиплексирование могло бы быть выполнено преобразователем последовательного кода в параллельный на ПЗС или быстродействующих полевых транзисторах.

Акустооптический спектроанализатор [17] представляет собой хорошо известный случай приложения оптических методов. На рис. 3.3 описана такая система и показано, как в ней используется ПЗС-детектор — демультиплексор. Анализируемый сигнал в ячейке Брэгга преобразуется в ультразвук. Лазерный луч при прохождении ячейки претерпевает дифракцию на бегущей акустической волне, и оптическая схема преобразует это угловое распределение в пространственное распределение в плоскости детектора. Таким образом, оптический сигнал в матрице детекторов представляет собой мгновенное фурье-преоб-разование радиочастотного сигнала.

Иллюстрацией больших возможностей параллельной оптической двумерной обработки служит показанная на рис. 3.4 схема вычисления разности в кадре. Основной операцией является сравнение элемент-за-элементом образа с ранее записанным в память образом. Записанный образ часто представляет собой более ранний образ того же самого объекта, и вычисление разности имеет целью обнаружение изменений объекта. Первый образ записан в двумерном ПМС с обратным контрастом. Таким образом, при прохождении второго образа через ПМС результатом будет исключение всей информации, кроме изменений, происходящих в образе. Хотя на рис. 3.4 описан «электрически» программируемый ПМС, окончательным устройством для таких применений будет служить «оптически» программируемый ПМС.

В заключение дан пример из области оптических вычислений. На рис. 3.5 описан метод умножения матрицы на матрицу, являющийся изящным примером оптического систолического процесса и названный архитектурой соединения матриц. Элементы двух матриц представлены ячейками оптических транспарантов, при этом пропускание света каждой ячейкой пропорционально элементам матрицы. Свет из однородного коллимированного источника слева проходит через транспаранты и

регистрируется двумерной матрицей детекторов справа. Транспаранты одновременно смещаются перед детектором на 1 ячейку, как показано на рисунке, и при каждом шаге подается импульс света от источника. На рис. 3.5, а представлен момент времени, когда свет прошел через элементы транспарантов в результате чего свет с интенсивностью собирается в одной ячейке матрицы фотоприемников. По мере выполнения

Рис. 3.3. Схема акустооптического спектроанализатора.

Рис. 3.4. Схематическое изображение метода получения разности двух изображений, в котором используются двумерные ПМС и матрицы фотоприемников.

(кликните для просмотра скана)

данного процесса детектор интегрирует суммируемые произведения элементов матриц. После перемещения транспарантов относительно детектора последний будет содержать требуемое произведение матриц (рис. 3.5, б). В дополнение к детектору в данном подходе требуется ПМС, обладающий способностью шагового перемещения или «прокрутки» значений пропускания относительно модулятора. В разд. 3.5 будет показано, что эта особенность является неотъемлемой чертой ПМС на основе ПЗС-структур.

Все эти примеры оптических процессоров имеют общий вид, показанный на рис. 3.6 и обычно включающий (1) источник света, (2) один или более пространственных модуляторов света, (3) оптические элементы (такие как линзы, зеркала, поляризаторы), (4) матрицу детекторов. Отсюда следует, что модуляторы и детекторы являются устройствами, где применение ПЗС-технологии может внести значительный вклад, и в оставшейся части этой главы обсуждаются эти устройства.