Введение к работе
Актуальность работы. Особенностью современного этапа развития общества является возрастающая роль обработки информации. Такие задачи, как управление сложными объектами, распознавание образов, моделирование ситуаций и принятие решений характеризуются большим объемом перерабатываемой информации, сложными законами преобразования. Показано, что дальнейшее повышение производительности обработки информации в электронике может быть связано с мультипроцессорными комплексами. Однако организация высокопараллельных вычислений в ЭВМ сталкивается с принципиальными трудностями главным образом при обеспечении множественных межсоединений процессоров и элементов различного уровня средствами электроники.
Потенциальным преимуществом оптических вычислительных машин служит присущая оптике доступность параллельной обработки информации и межсоединений. Существенно также, что оптические частоты обеспечивают значительно большую полосу пропускания и предельно допустимое быстродействие по сравнению с радиочастотным диапазоном.
Однако на пути развития оптической информационной техники имеется немало существенных трудностей, обусловленных технологией их производства и связанных с особенностями использования фотонов излучения в качестве носителей информации. Необходимость тщательной юстировки элементов объемной оптической схемы, большие размеры и стоимость элементов, а также проблемы их совместимости с интегральными электронными устройствами требуют новых подходов к построению технологических процессов (ТЩ производства оптических средств.
Отмеченные трудности в принципе преодолеваются в случае, если распространение н преобразование излучения происходит в объединенных.общей подложкой твердотельных диэлектрических структурах. Технологическая реализация процессов изготовления волноведущих структур интегральной оптики основана на методах, близких к методам технологии изготовления электронных ИМС. Необходимое качество формирования структур микронных и субмикронных размеров в этом случае обеспечивается только при условии автоматизации ТП. Однако ориентация современных методов и средств автоматизации ТП на изготовление электронных ИМС не позволяет учитывать особенности распространения оптического излучения в формируемых структурах. В результате плотность упаковки шггегрально-оптнческнх элементов (ИОЭ) функциональной обработки сигналов оказывается значительно меньше плотности упаковки электронных приборов, изготовленных с помощью тех же автоматизированных технологических комплексов. Малая плотность упаковки ИОЭ на подложке фотонной интегральной схемы (ФИС) приводит к недостаточной реализации основного преимущества оптических вычислительных систем - осуществления высоко-параллельной обработки информации.
Целью работы является автоматизация технологических процессов изготовления оптических волноводов для обеспечения повышения плотности упаковки ИОЭ обработки сигналов на подложке.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Проанализировать назначение и конструктивно-технологические варианты исполнения устройств н элементов интегральной оптики, выявить ограничения плотности упаковки оптических волноводов (ОВ) при их изготовлении микроэлектронными методами, а также специфические требования, определяющие принципы управления ТП изготовления ФИС.
-
Обосновать выбор управляющих технологических факторов, обеспечивающих создание в интегрально-оптических подложках локальных областей каналиро-вания мод сигнального излучения (СИ).
-
Разработать математические модели (ММ) технологических процессов формирования ОВ, а также волноводных и других характеристик формируемых структур.
-
Разработать алгоритмы управления технологическим оборудованием, реализующие автоматизацию технологических процессов.
-
Разработать критерии выбора технологического оборудования, пригодного для реализации автоматизированных ТП формирования ФИС с повышенной плотностью упаковки.
Методы исследования включают физические эксперименты; моделирование процессов взаимодействия проникающего электромагнитного излучения с веществом; применение математического аппарата квантовой электроники и электродинамики к исследованию процесса распространения излучения в элементах ФИС; использование методов теории автоматического управления, теории точности, теории графов, а также методов обработки изображений для разработки алгоритмов управления технологическим оборудованием.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:
-
Разработаны ММ и алгоритмы автоматизированного управления процессами взаимодействия проникающих у - и лазерного излучений с материалом подложки, определяющие структуру ТП последовательного формирования канальных симметричных ОВ и ИОЭ, обеспечивающего возможность многослойной упаковки ОВ;
-
Разработана структура автоматизированного ТП нанесения на поверхность полупроводниковой или диэлектрической подложки ФИС симметрирующих слоев из порошков, обеспечивающего возможность уменьшение размеров ОВ вплоть до минимальных размеров канальных симметричных волноводов.
-
Разработаны алгоритмы управления процессами формирования ИОЭ функциональной обработки сигналов, допускающих многослойную упаковку.
-
Разработан алгоритм последовательного формирования топологии волновод-ной структуры ФИС, позволяющий повысить производительность процесса лазерной размерной обработки за счет уменьшения суммарной длины холостых переходов.
-
Разработаны автоматизированные методы нанесения полутоновых и цветных контурно-штриховых изображений на стекла, основанные на управлении про-
цессами взаимодействия проникающего электромагнитного излучения с монолитными и порошковыми стеклянными материалами в соответствии с разработанными ММ и алгоритмами.
На основании проведенных исследований на защиту выносятся:
-
Функциональное, алгоритмическое и математическое обеспечение системы программного управления (СПУ) радиационно-лазерным ТП последовательного формирования в объеме стеклянной подложки канальных симметричных ОВ и ИОЭ.
-
Математическое обеспечение СПУ ТП лазерного нанесения на поверхность полупроводниковой или диэлектрической подложки ФИС симметрирующих слоев из порошков.
-
Алгоритм управления процессом подстройки параметров Y-образного развет-вителя оптических сигналов для формирования логических элементов.
-
Алгоритм последовательного формирования топологии волноводной структуры ФИС.
-
Функциональное, алгоритмическое и математическое обеспечение СПУ ТП нанесения полутоновых и цветных контурно-штриховых изображений на стекла.
Практическая ценность полученных результатов заключается в повышении плотности упаковки ОВ на подложке ФИС; повышении производительности процессов лазерной размерной обработки; повышении художественной выразительности стеклоизделий за счет разработки принципов управления существующим прецизионным оборудованием с целью реализации процессов формирования оптических и графических элементов с помощью проникающих у - и лазерного излучений.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в промышленность и использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ Владимирского государственного университета к Владимирского регионального лазерного инженерно-технологического центра в рамках исследований, проводимых в интересах предприятий Владимирской области, а также в учебный процесс при подготовке радиоинженеров и магистров в ВлГУ.
Апробация работы. Диссертация в целом и ее отдельные результаты доложены на следующих научно-технических конкурсах, конференциях и выставках: Всероссийский конкурс грантов для аспирантов «Стипендиаты Президента России» (проведенные исследования удостоены гранта в 1998/1999 уч. году); Всероссийский конкурс научных работ молодых ученых по радиоэлектронике и связи за 1998 г. (работа отмечена дипломом и 3-й премией Президиума Центрального совета российского научно-технического общества радиоэлектроншаг и свяот им. А. С. Попова); Всероссийский конкурс научных работ молодых уче= ных по радиоэлектронике и связи за 1999 г. (работа отмечена дипломом Президиума Центрального совета российского научно-технического общества радиоэлектроники и связи им. А.С. Попова); конкурс на лучший доклад на всероссийской конференции «Гагаркнские чтения» (выступления в 1997, 1998, 1999 гг.
4 отмечены дипломами конференций); науч.-техн. конф. с международным участием «Приборостроение-94» (Судак, 1994 г.); 2-я Международная светотехническая конференция (Суздаль, 1995 г.); 5-я и 6-я Международные конференции «Лазерные технологии-95», «Лазерные технологиин-98», (Шатура, 1995, 1998 гг.); 2-я и 3-я Международные науч.-техн. конф. «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии» (Владимир, 1996, 1998 гг.); международные конференции «LASE'98: High-Power Lasers and Application», (Сан Хосе, Калифорния, США, 1998 г.), «LASE'99», (Сан Хосе, Калифорния, США, 1999 г.); LX Международная конференция «Laser Optics'98» (Санкт-Петербург, 1998 г.); Международная науч.-техн. конф. «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (Владимир, июль 1999 г.); всероссийская науч.-техн. конф. «Конверсия, приборостроение, рынок» (Владимир, июнь 1995 г.); российские научные конференции «Радиационная стойкость электронных систем»: «Стой-кость-98», «Стойкость-99» (Москва, июнь 1998, июнь 1999 гг.); ХХШ, XXIV и XXV Всероссийские молодежные научные конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 1997, 1998, 1999 гг.); областные науч.-техн. конф.: «Проектирование и применение радиотехнических устройств», (Владимир, май 1994, 1995 гг.); международная научно-техническая выставка «Наука, конверсия, образование» (Тульский ГТУ, май 1993 г.); выставка годичного Всероссийского собрания «Наука-94» (ВлГТУ, февраль 1995 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, в том числе ] статья в журнале «SPIE» (США), 2 статьи в отечественных журналах, 10 материалов докладов на конференциях, а также другие публикации; подана заявка на изобретение (№ 98105811, приоритет 25.03.98).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основной части, изложенных на 171 странице и иллюстрированных 96 рисунками и 19 таблицами, заключения, списка литературы, включающего 198 наименований отечественных и зарубежных источников, а также 6 приложений, подтверждающих практическую значимость проведенных исследований.