Microsoft Word doc

Модуляция
 
света
 
Модуляция
света
включает
в
себя
управление
параметрами
световых
потоков
: 
амплитудой
, 
частотой
, 
фазой
, 
поляризацией
. 
Простейшим
амплитудным
модулятором
света
является
механи
-
ческая
заслонка
, 
однако
быстодействие
и
надежность
ее
невели
-
ки
. 
В
основе
действия
современных
пространственно
-
временных
модуляторов
света
лежат
различные
температурные
, 
электрооп
-
тические
, 
магнитооптические
, 
акустооптические
и
другие
эффек
-
ты
– 
явления
Поккельса
, 
Керра
, 
Фарадея
, 
дифракция
Брэггов
и
др
. 
Модуляция
светового
потока
осуществляется
внешним
 
электри
-
ческим
 
сигналом
. 
Одни
оптические
модуляторы
изменяют
яр
-
кость
света
на
выходе
, 
другие
– 
направление
распространения
излучения
. 
В
первом
случае
оптические
модуляторы
применяют
-
ся
в
сверхбыстродействующей
оптической
связи
(
несколько
Гбит
/
с
и
выше
) 
для
модуляции
излучения
полупроводниковых
лазеров
. 
Во
втором
случае
модуляторы
используются
в
лазерных
печатающих
устройствах
и
устройствах
лазерного
сканирования
. 
В
качестве
примера
рассмотрим
фазовую
 
модуляцию
 
света
на
основе
эффекта
Поккельса
. 
В
этом
эффекте
используется
зави
-
симость
показателя
преломления
несимметричного
кристалла
n 
от
величины
внешнего
электрического
поля
E: 
3
0
0
1
2
n
n
n rE
= +
,
(12.8) 

---

355 
где
n
0
– 
показатель
преломления
кристалла
в
отсутствие
внеш
-
него
поля
; r – 
электрооптический
коэффициент
, 
зависящий
от
свойств
и
ориентации
кристалла
, 
направления
поля
Е
и
поляри
-
зации
проходящего
света
. 
Световой
пучок
, 
прошедший
путь
l 
в
кристалле
, 
помещен
-
ном
в
электрическое
поле
, 
приобретает
фазовый
сдвиг
: 
3
0
0
φ
2
π
λ φ
π
λ
nl
n rEl
=
=
+
,
(12.9) 
где
λ
– 
длина
волны
света
в
вакууме
; 
φ
0
– 
начальный
сдвиг
фаз
, 
приобретенный
светом
при
прохождении
кристалла
в
отсутствие
поля
. 
Наличие
фазового
сдвига
, 
вызванного
внешним
полем
, 
и
означает
фазовую
модуляцию
света
. 
Инерционность
этого
эф
-
фекта
мала
и
позволяет
изменять
фазу
света
за
время
~10
–12
с
. 
На
рис
. 12.17 
показан
один
из
распространенных
вариантов
модулятора
света
, 
называемый
модифицированным
интерферо
-
метром
Маха
–
Цендера
, 
изготовленный
в
пленочном
исполнении
из
ниобата
лития
(LiNbO
3
). 
На
поверхности
этого
материала
ме
-
тодом
диффузии
титана
создают
необходимую
световую
конфи
-
гурацию
. 
Между
световодами
напыляют
электроды
. 
В
структуре
сформировано
два
разделенных
световода
, 
показатель
преломле
-
ния
которых
меняется
при
изменении
направления
приложенного
электрического
поля
на
обратное
. 
В
результате
появляются
соот
-
ветствующий
сдвиг
фаз
и
интерференция
световых
пучков
. 
Чтобы
Рис
. 12.17. 
Оптический
модулятор
интерференционного
типа
с
электрооптическим
кристаллом

---

356 
световод
был
одномодовым
, 
его
ширина
не
должна
превышать
несколько
мкм
. 
При
подаваемом
переменном
полуволновом
на
-
пряжении
0,3 
В
этот
модулятор
обеспечивает
высокую
частоту
модуляции
порядка
18 
ГГц
. 
Оптические
 
устройства
 
хранения
 
информации
 
По
аналогии
с
обычной
письменностью
первые
устройства
хранения
информации
использовали
бумажные
или
картонные
но
-
сители
– 
так
называемые
перфокарты
и
перфоленты
(
рис
. 12.18). 
Рис
. 12.18. 
Эволюция
устройств
записи
информации
Первым
цифровым
носителем
информации
стал
магнит
-
ный
 
дисковый
 
накопитель
(IBM RAMAC, 1956 
г
.), 
являвшийся
компромиссным
решением
между
магнитной
лентой
и
граммо
-
фонной
пластинкой
. 
Основным
конкурентом
устройств
магнитной
записи
на
рынке
являются
оптические
диски
. 
В
1982 
году
фирмы
Sony 
и
Philips 
завершили
работу
над
форматом
CD-
аудио
(Compact Disk), 
открыв
тем
самым
эру
цифровых
 
носителей
 
на
 
компакт
-
дисках
. 

---

357 
Чтение
и
запись
информации
в
этом
случае
осуществляет
-
ся
лазером
с
длиной
волны
от
780 
нм
для
CD 
и
650 
нм
для
DVD 
до
405 
нм
для
новых
дисков
DVD BR (
от
англ
. blue ray – 
голу
-
бой
луч
). 
Максимальный
объем
информации
для
оптических
дисков
составляет
от
720 
Мбайт
(CD) 
до
17 
Гбайт
(DVD), 
а
так
-
же
100 
Гбайт
для
blue-ray. 
В
1988 
году
компания
Intel 
разработала
еще
один
способ
хранения
данных
на
основе
микросхем
Flash-
памяти
, 
запоми
-
нающая
ячейка
которой
представляет
собой
транзистор
с
двумя
изолированными
затворами
: 
управляющим
и
плавающим
, 
спо
-
собным
удерживать
электроны
, 
то
есть
заряд
. 
Низкий
заряд
на
плавающем
затворе
соответствует
логической
единице
, 
а
высо
-
кий
– 
нулю
. 
При
чтении
эти
состояния
распознаются
путем
из
-
мерения
порогового
напряжения
транзистора
. 
При
стирании
с
флэшки
какого
-
либо
файла
на
управляющий
затвор
подается
высокое
отрицательное
напряжение
и
электроны
с
плавающего
затвора
переходят
(
туннелируют
) 
на
исток
. 
Наконец
, 
совсем
недавно
создатель
сканирующего
тун
-
нельного
микроскопа
и
сотрудник
исследовательского
института
IBM, 
нобелевский
лауреат
Герд
Бинниг
предложил
вернуться
к
механическому
принципу
хранения
информации
, 
разработав
технологию
Millipede (
англ
. «
многоножка
») (
рис
. 12.19). 
Биннинг
обратил
внимание
на
возможность
формирования
наноразмерных
«
ямок
» 
с
помощью
наноиндентации
поверхности
полимера
зон
-
дом
атомно
-
силового
микроскопа
. 
Наличие
или
отсутствие
такой
«
ямки
» 
в
определенной
точке
поверхности
можно
трактовать
, 
как
единичное
значение
бита
памяти
. 
Для
ускорения
работы
устрой
-
ства
наноиндентация
(
запись
) 
и
сканирование
поверхности
поли
-
мера
(
считывание
) 
может
производиться
не
одним
кантилевером
, 
а
целой
матрицей
 
зондов
. 
В
марте
2005 
года
на
выставке
в
Ганновере
IBM 
предста
-
вила
работающий
чип
с
плотностью
хранения
информации
153 
Гбайт
на
площади
в
квадратный
дюйм
(1 
дюйм
= 2,54 
см
). 
Следующие
поколения
устройств
Millipede, 
как
обещают
иссле
-

---

358 
дователи
IBM, 
будут
иметь
в
100 
раз
большую
емкость
, 
что
по
-
зволит
хранить
огромное
количество
информации
на
крошеч
-
ных
чипах
. 
По
прогнозам
IBM, 
это
новое
устройство
хранения
данных
должно
вытеснить
с
рынка
чипы
flash-
памяти
. 
Рис
. 12.19. 
Изображение
устройства
записи
Millipede
(
чтение
информации
производится
«
ощупыванием
» 
поверхности
большим
набором
зондов
) 
Японская
компания
TDK 
разработала
технологию
, 
которая
позволяет
уместить
на
болванке
до
200 
гигабайт
данных
. 
Израиль
-
ская
компания
Mempile 
разработала
технологию
TeraDisc, 
которая
позволяет
записать
на
диск
, 
изготовленный
из
полимера
, 
сходного
с
плексигласом
, 
до
5 
терабайта
данных
. 
Оптические
устройства
хранения
информации
(
оптиче
-
ская
память
) 
потенциально
обладают
весьма
высокой
информа
-
ционной
емкостью
или
объемной
плотностью
записи
информа
-
ции
благодаря
малым
размерам
элементарной
ячейки
записи
информации
, 
исчисляемым
в
единицах
– 
долях
длины
световой
волны
. 
Электронная
информация
в
двоичном
коде
фиксируется
на
физическом
носителе
(
оптическом
диске
) 
вдоль
спиральной
траектории
записи
в
виде
элементарных
ячеек
– 
областей
высо
-

---

359 
кого
либо
низкого
коэффициентов
отражения
света
– 
размерами
около
0,5
×
3 
мкм
. 
Период
спирали
1,6 
мкм
, 
скорость
вращения
диска
до
2000 
об
/
мин
, 
типичный
диаметр
диска
120 
мм
. 
Запись
информации
производится
экспонированием
специального
ма
-
териала
– 
фоторезиста
. 
Для
считывания
информации
обычно
используются
полупроводниковые
излучатели
инфракрасного
диапазона
0,8–0,9 
мкм
. 
На
рис
. 12.20 
представлен
общий
вид
видеодиска
, 
а
на
рис
. 12.21 – 
структура
и
организация
записывающей
поверхно
-
сти
. 
Однако
расстояние
между
записывающими
дорожками
составляет
всего
1,6 
мкм
. 
Дорожки
на
поверхности
расположе
-
ны
по
спирали
, 
раскручивающейся
изнутри
наружу
. 
Рис
. 12.20. 
Схема
записи
на
видеодиск
На
этом
практически
исчерпываются
все
возможности
по
-
вышения
плотности
записи
информации
в
однослойном
и
мно
-
гослойном
рельефно
-
фазовом
виде
. 
Дальнейший
прогресс
в
разработке
дисковых
систем
опти
-
ческой
памяти
разработчики
связывают
с
использованием
метода
оптической
голографии
, 
позволяющего
использовать
не
только

---

360 
поверхность
, 
но
и
весь
объем
диска
. 
Голография
(
от
греч
. hólos – 
весь
, 
полный
и
gráph
ō
– 
пишу
) – 
метод
получения
объемного
изо
-
бражения
объекта
путем
регистрации
и
последующего
восста
-
новления
волновых
полей
, 
изобретенный
английским
физиком
венгерского
происхождения
Д
. 
Габором
в
1948 
году
. 
Этот
метод
открывает
новые
возможности
при
аналоговой
обработке
и
хра
-
нении
информации
. 
Рис
. 12.21. 
Увеличенное
изображение
записывающей
поверхности
видеодиска
На
рис
. 12.22 
изображен
принцип
записи
информации
при
помощи
средств
голографии
. 
Источником
света
служит
лазер
. 
Лазерный
луч
расщепляется
на
опорный
и
предметный
лучи
, 
которые
используются
для
освещения
объекта
. 
На
голо
-
грамме
получается
сложная
комбинация
световых
волн
в
ре
-
зультате
интерференции
световых
потоков
. 
Полученное
изо
-
бражение
на
голографической
пластинке
внешне
совершенно
не
похоже
на
объект
записи
. 
Для
воспроизведения
исходного
объекта
, 
или
, 
как
говорится
, 
для
регенерации
основного
объек
-
та
, 
пластинку
с
голограммой
нужно
осветить
опорным
 
лучом
, 
полученным
от
лазерного
источника
. 

---

361 
Рис
. 12.22. 
Принцип
голографической
записи
данных
Идея
использования
метода
голографии
для
создания
систем
хранения
информации
была
опубликована
Питером
ван
Херденом
, 
сотрудником
компании
«
Поляроид
», 
еще
в
1963 
го
-
ду
. 
В
качестве
физического
предела
плотности
хранения
ин
-
формации
в
голографических
системах
им
была
определена
плотность
в
1 /
λ
3
бит
/
м
3
. 
Основным
сдерживающим
фактором
в
развитии
гологра
-
фических
систем
памяти
долгие
годы
являлось
отсутствие
реги
-
стрирующей
среды
, 
пригодной
для
мультиплексной
объемной
голографической
записи
. 
Другим
фактором
, 
сдерживающим
ис
-
пользование
голографических
запоминающих
устройств
в
широ
-
ких
масштабах
, 
является
разработка
средств
, 
обеспечивающих
работу
и
управление
голографических
запоминающих
устройств
с
высокой
скоростью
и
разрешающей
способностью
. 
Ситуация
изменилась
в
конце
девяностых
годов
с
разработ
-
кой
объемных
фотополимерных
сред
для
объемной
голографиче
-
ской
записи
. 
Так
, 
американская
компания
InPhase Technologies 
со
-
общила
о
совместной
разработке
с
японской
фирмой
Hitachi Maxell 
Ltd 
голографического
диска
, 
размером
с
диск
DVD, 
способного
хранить
300 
Гбайт
информации
, 
что
примерно
в
60 
раз
превышает
емкость
диска
DVD, 
и
обладающего
скоростью
доступа
к
инфор
-
мации
, 
в
10 
раз
превышающей
скорость
, 
реализуемую
в
DVD-
сис
-

---

362 
темах
. 
Компания
предполагает
выпускать
линейку
систем
голо
-
графической
дисковой
памяти
с
емкостями
до
1,6 
Тбайт
при
скоро
-
стях
доступа
к
информации
120 
Мбит
в
секунду
. 
По
заключению
разработчиков
, 
технология
голографиче
-
ской
записи
информации
будет
принята
в
качестве
основной
при
создании
следующих
поколений
относительно
простых
и
недо
-
рогих
систем
голографической
дисковой
памяти
. 
Были
анонси
-
рованы
принципы
создания
первых
голографических
HVD 
(Holographic Versatile Discs) 
дисков
емкостью
до
4 
Тбайт
. 
Каждый
год
в
согласии
с
законом
Мура
средняя
плотность
записи
всех
типов
устройств
возрастает
в
~1,5 
раза
. 
Какая
же
из
технологий
является
оптимальной
и
будет
доминировать
на
рын
-
ке
через
10 
лет
? 
Время
покажет
...