Оптические вычисления - Арратуна Р.
Скачать (прямая ссылка):
выражением
Л, = Я2л2р - /, (1.15)
wh
где р-удельное сопротивление используемого металла, h - высота шины, a w
- ширина проводника. В случае использования золотой шины при сечении г/-
шины 10x5 мкм2 (максимум h задается толщиной магнитооптической пленки,
составляющей около 5 мкм, если шина целиком заполняет канавку) потери,
приходящиеся на 1 см, составят около 1 Вт. Эта мощность переходит в тепло
за время (менее 10 мкс), в течение которого прикладывается магнитное
поле. Энергетические потери за акт переключения составляют довольно
высокую величину- 10 мкВт/см. При переключении матричного модулятора эту
величину следует умножить на число переключающих ячеек. Например,
переключение 104 ячеек в матрице размером 1x1 см дает величину выделяемой
мощности в 100 мВт/см за время переключения матрицы и соответственно
среднюю мощность в 100 мВт за 1 с.
В соответствии с формулой можно ожидать небольшого снижения потерь в
случае уменьшения ширины проводника w. Однако, поскольку размеры
нагревательного элемента не могут быть резко уменьшены из-за возникающей
в этом случае проблемы воспроизводимости устройства, функция (w-\-a) 2/wh
при уменьшении w резко не изменится. Любого значительного снижения
тепловых потерь можно ожидать только за счет улучшения свойств материалов
(т. е. уменьшения |Ну-Afs|), так как Второй эффект, который
следует рассмотреть,
это электромиграция в тонких проводниках при высоких плотностях тока
[23]. Плотности тока, превышающие обычно 106 А/см2, вызовут химическое
разрушение материала проводника [24].
Для обсуждавшихся до сих пор численных примеров плотность тока
ограничивается этим пределом. Дальнейшее снижение размера проводников при
том же токе, следовательно, невозможно.
Тепловая энергия, необходимая для переключения магнитооптической ячейки,
составляет около 0,5 мкДж на ячейку. При типичном времени нагрева ячейки
в 15 мкс это дает пиковую приходящуюся на 1 ячейку мощность в 33 мВт. В
матри-
42
Часть I. Пространственные модуляторы света
це последовательно соединены в одном ряду N ячеек, что дает NX33 мВт на 1
ряд (3,3 Вт в случае матрицы в 100x100 элементов).
Так как за тепловым импульсом должны следовать импульсы магнитного поля
длительностью 10 мкс, минимальное время цикла переключения составляет 25
мкс, что соответствует 40 000 циклам в секунду. При переключениях с этой
предельной скоростью средняя мощность, рассеиваемая в нагревательных
элементах, составляет NX33 мВтХ 15/25 = NX20 мВт (2 Вт для
представленного численного примера). Управляющее напряжение,
прикладываемое к х-шине, следует выбирать максимально возможным, чтобы
сохранить на низком уровне ток и дополнительные потери в х-шине.
Напряжение в 20 В, например, приводит к управляющим токам в 100 мА и
дополнительным потерям мощности около 1/20 Вт, если поперечное сечение х-
шины также составляет 10x5 мкм2.
Пиковая мощность, необходимая для проведения пошаговой адресации, таким
образом, составляет около 3 Вт для матрицы в 100X100 элементов. Для
переключения с максимальной скоростью 40 000 переключений в секунду
требуется средняя мощность в 3 Вт. Дальнейшее увеличение может произойти
при построчном переключении ячеек. Одновременное переключение М ячеек
требует в М раз большей мощности на у-шине (например, для 10 ячеек-10 Вт
и т. д.). Переключение одновременно всех ячеек матрицы потребовало бы
слишком большой пиковой мощности, и, кроме того, возникают жесткие
проблемы перекрестных наводок. В предельном случае магнитные поля смежных
шин-столбцов могут в сумме давать те же порядки величин, что и адресующие
поля в ячейках. При одновременном переключении ячеек следует выбирать их
на максимальном расстоянии друг от друга.
1.5.2,4. Линейки элементов с термической адресацией
Для линейной матрицы элементов, состоящей только из одного столбца ячеек,
термомагнитное переключение, осуществляемое с помощью нагревательных
элементов, является наиболее подходящим, так как управляющие токи в
нагревательном элементе могут составлять только несколько миллиампер при
напряжениях около 8 В. Это позволяет осуществлять непосредственное и
параллельное управление с помощью полупроводниковых элементов с высокой
степенью интеграции. Избирательное переключение в этом случае достигается
с помощью термической адресации подачей магнитного поля сразу на всю
матрицу. Этот принцип используется в магнитооптической матрице
переключения света, показанной на рис. 1.19-Управляющие токи для
термического переключения постуДа-
Глава 1. Магнитооптические модуляторы света
43
ют в п-канальных МОП интегральных схем, установленных на каждой из сторон
матрицы. При этом может выполняться до 2000 циклов переключения в
секунду, что соответствует скорости передачи данных изображения в 1
Мбит/с [25].
1.5.3. Модулятор света "лайтмод" с магнитной адресацией
1.5.3.1. Принцип работы
В устройстве "лайтмод" [И] уменьшение переключающего поля достигается с
помощью имплантации отдельных участков магнитооптического материала
