Оптические вычисления - Арратуна Р.
Скачать (прямая ссылка):
волокон, можно считать, что вся мощность, переносимая каждым из тонких
волокон, передается в толстое волокно. Если предположить, что
максимальный коэффициент объединения по входу соответствует наихудшему из
всех возможных случаев, когда световую мощность передает лишь одно из
тонких волокон, тогда минимальная регистрируемая мощность будет в
конечном счете определяться переданной по тонкому волокну мощностью и
степенью несовпадения площадей детектора и толстого волокна. При этом,
естественно, считается, что угловые апертуры постоянны, а уровень
регистрируемой мощности соответствует конкретному фотодетектору,
определенным значениям ширины полосы пропускания и частоте появления
ошибок. Это находится в хорошем соответствии с представленной в [22]
теоремой, согласно которой произведение квадрата величины входной
апертуры и площади входного "пятна" света не может превышать произведение
величины выходной апертуры и площади выходного пятна. Предполагая, что
затухание в волокне и потери при состыковке волокна не приводят к
значительным потерям мощности, можно выделить четыре наиболее важных
параметра, определяющие коэффициенты объединения по входу и разветвления
по выходу. Такими параметрами являются мощность входного оптического
сигнала, чувствительность фотодетектора, ширина полосы пропускания и
частота появления ошибок. Фактически все эти параметры являются
взаимосвязанными. В следующих двух подразделах будет анализироваться
взаимосвязь этих параметров, а также будут рассмотрены предельные
возможности, определяемые существующими ограничениями на плотность
упаковки волокон и рассеиваемую мощность.
9.2.2. Рассеиваемая мощность
Для того чтобы установить достижимые на практике предельные величины
коэффициентов объединения по входу и разветвления по выходу, необходимо
проанализировать чувствитель-
Глава 9. Волоконно-оптические программируемые матрицы
247
ность фотодетектора, ширину полосы пропускания, частоту появления ошибок
и передаваемые мощности. Один из путей установления предельных значений
состоит в определении частоты появления ошибок, ширины полосы пропускания
и коэффициентов объединения по входу и разветвления по выходу для
интересующей системы. После этого величина требуемой мощности должна быть
сопоставлена с типичными предельными величинами требуемой мощности для
близких систем (чтобы убедиться в том, что оценки коэффициентов
объединения/разветвления являются корректными). В дополнение к этому
необходимая плотность упаковки волокна должна согласовываться с
выбранными размерами системы.
Частота появления ошибок, по-видимому, является наиболее легко
определяемым параметром, поскольку стандартом для волоконно-оптических
систем является одна ошибка на миллиард битов. Чтобы достичь этой частоты
появления ошибок при скорости передачи данных в один Гбит/с при условии
использования высококачественных лавинных фотодиодов, требуются
минимальные мощности сигналов (60 нВт). При частоте появления ошибок в 1
Гбит/с этот уровень мощности дает в среднем 300 фотонов на бит (в
предположении, что число битов во включенном состоянии равно числу битов
в выключенном состоянии). Если произведение коэффициентов объединения по
входу и разветвления по выходу составляет 100 миллионов (каждый из
коэффициентов составляет около 10 000), то требуется средняя мощность
излучателя, равная 6 Вт. В соответствии с указанной выше теоремой
снижение необходимой мощности может быть получено при выборе диаметра
тонкого волокна менее диаметра активной области фотодетектора. Для
волокна с диаметром 75 мкм типичное отношение площадей волокна и
фотодетектора может составлять V4, так что принципиально можно достичь
снижения средней мощности излучателя до 1 Вт. На практике потери за счет
состыковки волокна и неоднородности распределения световой мощности могут
потребовать использования несколько больших мощностей излучателя, но
влияние этих факторов может быть уменьшено путем соответствующего
увеличения величины апертуры передачи света от излучателя до
фотодетектора. Так как мощность излучателя в 1 Вт представляет собой
практический предел для приемлемых видов излучателей, то теоретически
максимальное значение произведения коэффициентов объединения по входу и
разветвления по выходу составляет 100 000 000. С точки зрения возможных
конструкций ОПЛМ теоретически возможно использование максимум 10 000
излучателей, 10 000 фотодетекторов и 100 000 000 межэлементных
соединений.
Возможно ли достижение указанных параметров на практике, можно оценить на
примере модельного устройства, в кото-
248
Часть III. Систолические процессоры и логические матрицы
ром мощность в 10 кВт рассеивалась бы на поверхности сферы, имеющей такой
диаметр, что дисперсия света в волокне существенно не снижала бы ранее
установленную скорость передачи данных в 1 Гбит/с. В случае передачи
сигналов по многомодовому волокну с частотой 1 Гбит/с межмодовая
