СПОСОБ БЛИЖНЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ, ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ И УСТРОЙСТВО ЗАПИСИ/ЧТЕНИЯ
METHOD FOR NEAR-FIELD OPTICAL COMMUNICATION, OPTOELECTRONIC DATA MEDIUM AND RECORDING/READING DEVICE

Группа изобретений с единым изобретательским замыслом и общим техническим результатом относится к способам и устройствам для информационных технологий, основанных на хранении относительно небольших объемов информации, например, персональных или предметных идентификационных и/или аутентификационных данных, в электронных носителях информации с энергонезависимой памятью, выполненных в виде автономных мобильных устройств, например, электронных ключей, или электронных меток, присоединяемых к помечаемым предметам, с записью/чтением хранимой информации при соприкосновении устройств записи/чтения с носителями.
Известные виды носителей информации, применяемых в указанных информационных технологиях, и, соответственно, способы и устройства для их связи с оборудованием для записи/чтения (интерфейсы), разделяются на две группы: контактные (электрические) и бесконтактные (полевые).
В первой группе ближайшим функциональным аналогом изобретения является семейство электронных ключей-идентификаторов "Touch Memory" (ТМ - память касания), выпускаемых фирмой "Dallas Semiconductor" под маркой "iButton™". В однопроводном электрическом интерфейсе ТМ используется контактный зонд (съемник информации) "Touch Probe" (TP) [1, 2].
Ряд привлекательных потребительских качеств ТМ обеспечивается благодаря их необычному, среди прочих приборов указанной группы, герметичному корпусу из нержавеющей стали, аналогичному по конструкции корпусу «пуговичной» батарейки. Он состоит из ободка с донышком и электрически изолированной крышки. В отличие от традиционных контактных носителей информации доступ к содержимому памяти ТМ осуществляется только через две линии: «земляную» и двунаправленную сигнальную, причем ободок и донышко представляют собой «земляной» контакт, а крышка - сигнальный. Зонд TP, форма которого сделана такой, чтобы он точно сопрягался с круглым корпусом ТМ, состоит из металлического ободка и отделенного от него диэлектриком углубленного центрального контакта. Взаимодействие ТМ и TP обеспечивается при их моментальном взаимном касании, когда крышка ТМ контактирует с центральным контактом TP, а ободок ТМ - с ободком ТР.
В настоящее время наиболее широкое применение приборы ТМ/ТР находят в системах управления физическим доступом в здания и помещения, доступом к информационным ресурсам и управлению техническими средствами, в системах автоматической идентификации субъектов и объектов по уникальному коду, а также проведения безналичных электронных платежей.
Этим приборам, равно как и любым другим устройствам, эксплуатация которых сопровождается замыканием/размыканием разъемных электрических контактов, подверженных разнообразным негативным воздействиям окружающей среды, присущи известные недостатки, усугубленные в данном случае тем, что в качестве материала контактной пары выбрана нержавеющая сталь. С одной стороны, этот нетрадиционный для слаботочных и работающих при низком напряжении контактов материал позволил избежать множества технологических проблем и снизить стоимость готовых изделий, однако известно, что коррозионная стойкость нержавеющей стали связана с наличием на ее поверхности относительно тонкой, но весьма прочной пассивирующей оксидной плены. Вследствие этого однократного легкого прикосновения ТМ к TP не всегда бывает достаточно, а его приходится повторять с приложением больших усилий. Кроме того, хорошо известно, насколько труднее добиться успеха, если приборы намокли, например, вследствие попадания под дождь или, тем более, на их контактирующие поверхности случайно попали диэлектрические жидкости, например горючесмазочные материалы.
От недостатков указанного рода полностью свободны способы и устройства второй группы, интерфейс у которых не контактный электрический, а бесконтактный полевой (электромагнитный), которые, в свою очередь, разделяются на две подгруппы: радиочастотные и оптические.
К первой подгруппе второй группы относятся технология радиочастотной идентификации RFID, бесконтактные смарт-карты стандарта ISO/IEC 14443, а также расширение указанного стандарта - получившая распространение в последние годы технология беспроводной высокочастотной связи малого радиуса действия (~10 см) NFC (Near Field Communication - коммуникация ближнего поля).
По функциональности RFID-технологию как метод хранения и сбора информации, предназначенной для автоматической идентификации объектов на производстве, товаров в магазине, людей, животных, имущества, документов и т.п., принято считать близкой к технологиям маркировки на основе оптических методов распознавания, в частности, штрих-кодированию, отмечая при этом как важнейшее преимущество первой возможность работы с данными, подверженными изменениям [3]. RFTD-метка представляет собой транспондер (TRANSmitter/resPONDER - передатчик/приемник), состоящий из кристалла кремниевой интегральной схемы (ИС), включающей приемник, передатчик и энергонезависимую память, и присоединенной к ней антенны - рамочной, в виде вытравленной из фольги спирали Архимеда (для исполнений в виде плоских аппликаций) или магнитной, в виде катушки, намотанной изолированным микропроводом на миниатюрный цилиндрический ферритовый сердечник (для исполнений в виде имплантируемых биочипов). Получая энергию от радиосигнала, излучаемого устройством записи/чтения посредством собственной антенны, RFID-метка осуществляет запись (обновление) данных или отвечает сигналом, содержащим полезную информацию [4].
Однако использование RFTD-меток при всех их достоинствах сопровождается серьезными проблемами безопасности, связанными с неприкосновенностью частной жизни (соблюдения прав) человека. Основные риски связаны с тем, что RFID-метки могут оставаться в рабочем состоянии даже после того, как товар оплачен и вынесен из магазина, и поэтому могут быть использованы для слежки или других неблаговидных целей, не связанных с инвентаризационной функцией меток. Особенно опасной считается ситуация, когда помеченный RFID товар оплачивается банковской картой, что позволяет однозначно связать уникальный серийный номер этого RFID с покупателем. Кроме того, уникальные номера RFID-меток могут выдавать потенциально опасную информацию даже после избавления от товара. Например, метки на перепроданных или подаренных вещах могут быть использованы для установления круга общения их бывшего владельца. Наиболее серьезную обеспокоенность экспертов по безопасности вызывают RFID-технологии идентификации/аутентификации людей - в связи с техническими возможностями несанкционированного доступа к соответствующим кодам.
Смарт-карты, в т.ч. бесконтактные, являются значительно более сложными в функциональном отношении приборами, чем обычные RFTD-метки, поскольку их ИС, как правило, дополнительно содержат микропроцессор и операционную систему, контролирующее устройство и доступ к его памяти при помощи криптографических процедур, однако в конструктивном отношении бесконтактная смарт-карта являет собой полное подобие RFTD и в ней для взаимодействия с устройством записи/чтения используется та же самая технология радиосвязи [5].
В связи с этими их особенностями технологии идентификации/аутентификации людей посредством бесконтактных смарт-карт принято считать относительно безопасными (они широко применяются, в т.ч. в современных электронных «биометрических» паспортах), однако канал радиосвязи в физическом отношении является открытым (передаваемая информация, в принципе, может быть перехвачена на достаточно большом расстоянии) - поэтому несанкционированный доступ к передаваемым кодам при помощи хорошо организованных и тщательно спланированных хакерских атак со 100%-ной вероятностью исключать нельзя. Кроме того, хранящиеся в бесконтактных смарт-картах и RFTD данные относительно легко могут быть разрушены или сделаны временно недоступными существующими средствами радиоэлектронной борьбы (РЭБ) - такими, например, как мощными импульсными генераторами электромагнитного излучения или т.н. «глушилками».
NFC-технология, по существу, сводящая воедино стандартизованные интерфейсы RFID-меток, бесконтактных смарт-карт и соответствующих устройств записи/чтения в одном приборе - например, мобильном телефоне или планшетном компьютере [6] - не вносит в решение проблем безопасности, являющихся следствием использования в канале связи электромагнитного излучения радиочастотного диапазона, ничего нового, однако она должна быть указана в числе аналогов изобретения как прецедент концентрирования интерфейсов, и, соответственно, функций, разнородных устройств, ранее представленных лишь по отдельности. По этой же причине в числе аналогов есть основания указать и т.н. «цифровую ручку» [7] - так же, как правило, многофункциональный прибор, предназначенный, прежде всего, для фиксации рукописных символов и рисунков пользователя, их оцифровки и хранения в оцифрованном виде в собственной энергонезависимой памяти. Аналогично тому, как вышеуказанные относительно крупногабаритные (хотя и портативные) приборы, поддерживающие NFC, являются концентраторами радиочастотных интерфейсов не только носителей информации, но и устройств записи/чтения, форм-фактор цифровой ручки - намного более легкой и удобной в ношении не только в сравнении с планшетом, но и с мобильным телефоном - будет представлен как наиболее целесообразный для концентратора разнородных двунаправленных рефлексно-оптических интерфейсов.
Ко второй подгруппе второй группы известных технологий бесконтактной (полевой) связи ближнего радиуса действия между устройствами информатики, где в качестве среды передачи используется электромагнитное излучение оптического (в частности, инфракрасного - ПК) диапазона, относится, в частности, т.н. "Infrared Data Association" - IrDA или ИК-порт [8].
В настоящее время IrDA - морально устаревшее решение, практически полностью вытесненное более современными технологиями на основе радиосвязи - например, Wi-Fi и Bluetooth - однако оно заслуживает упоминания в связи с тем, что является прецедентом использования в данном качестве оптических линий связи ближнего радиуса действия. Еще до недавнего времени ИК-портами оснащалась большая часть мобильных телефонов, ноутбуков и миникомпьютеров; нынче же на базе упрощенной версии IrDA - с однонаправленным каналом связи - продолжают строить только пульты дистанционного управления (ПДУ) для бытовой техники - в частности, телевизоров, видеоплееров и кондиционеров.
Основное (однако пока не реализованное) преимущество применения в данном качестве оптической связи по сравнению с радиосвязью состоит в принципиальной возможности создания функционально и конструктивно законченных оптоэлектронных носителей информации вместе с элементами их полевых интерфейсов (аналогами антенных структур радиодиапазона) в микроструктурной (а в перспективе и наноструктурной) шкале размеров, в т.ч. на единой планарной поверхности монолитных оптоэлектронных ИС памяти.
Это становится очевидным, если принять во внимание, что, из соображений энергетической эффективности приема/передачи электромагнитных волн требуется, чтобы характеристические размеры приемопередающих структур (в частности, антенн), были бы, по меньшей мере, соизмеримыми с длинами волн излучения, составляющими - в оптическом диапазоне - доли и единицы мкм, что на 4÷6 порядков меньше, чем у ультракоротких радиоволн. Тем самым объясняется, почему только в системах полевой связи оптического диапазона можно обойтись без каких-либо относительно крупных антенн, а достаточно самих твердотельных (полупроводниковых - ПП) опто-электронных приборов, к которым, как известно, относятся фотодиоды (приемники) и светодиоды, в т.ч. ПП лазеры (излучатели).
Традиционное разделение этих оптоэлектронных приборов на две указанные группы - следствие того, что подавляющее большинство известных способов оптической связи - не только дальней, но и ближней - строят так, что в случаях, когда требуется двунаправленная связь, на каждой стороне в обязательном порядке используют пары оптоэлектронных приборов - один только для излучения, другой - только для приема. Это имеет под собой объективные предпосылки: не смотря на очевидность того, что, если выполнить фотодиод (приемник) из ПП с преимущественно излучательной рекомбинацией носителей заряда, то он, в той или иной мере, будет обладать обратимостью (возможностью работы в качестве излучателя) - однако его параметры, в связи, в частности, с разными требованиями к поглощению излучения в ПП, получатся посредственными - по меньшей мере, для одной из функций.
Как правило - в частности, при аппаратной реализации систем IrDA, за исключением ПДУ, где требуется односторонняя связь - оптическая пара на каждой из сторон содержит излучатель и приемник, разделенные не только функционально, но и конструктивно. Однако для применений в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) были предложены интегральные оптоэлектронные приборы, содержащие излучающий и фоточувствительный диоды, сформированные в одном ПП кристалле, например [9].
Структура этого и аналогичных ему оптоэлектронных приборов весьма сложна: как правило, они содержат множество ограничивающих и дополнительных слоев ПП с разными типами проводимости, единственное назначение которых - обеспечение максимальной развязки между принимаемым и передаваемым оптическими сигналами с целью получения возможности дуплексного режима работы (когда прием и передача осуществляются одновременно). Это существенно усложняет технологию производства таких приборов по сравнению с раздельными излучающими и принимающими диодными структурами. Поэтому стоимость одного такого прибора получается намного выше стоимости обычной оптической пары, что делает их применение в подавляющем большинстве случаев экономически нецелесообразным, за исключением ВОЛС с повышенными требованиями к трафику.
Поскольку требования к способу оптической связи для вышеуказанных областей применения таковы, что дуплексный режим работы не требуется, и в связи с тем, что взаимодействие сторон в аналогичных случаях, как правило, организуют по принципу «ведущий-ведомый» (Master-Slave - далее M-S) [2], достаточен полудуплекс (или прием, или передача по двунаправленной линии связи).
Это открывает возможность для использования здесь особых способов оптической связи на близкие расстояния, адаптированных исключительно к решению узкого круга задач для своих применений, и заведомо непригодных для чего-либо еще из традиционных областей оптической связи (например, для организации трафика по протяженным ВОЛС). Такой способ, вместе с конструктивно-технологическими путями его реализации, описан в [10] -наиболее близком техническом решении к заявляемым по всей совокупности признаков, в котором замысел их ключевой отличительной особенности - рефлексно-оптического интерфейса (РОИ) - был раскрыт впервые - в варианте возможном, но, как будет показано ниже, очень узко применимым.
Формально предметом [10] является устройство - бесконтактная интегральная микросхема (БкИМС) на основе кремния, являющаяся функциональным аналогом RFID и предназначенная для встраивания в лазерно-оптические диски (CD/DVD) с целью защиты от несанкционированного воспроизведения. Ее уникальное качество состоит в том, что отдельного устройства для считывания информации, записанной в энергонезависимой памяти БкИМС, не требуется, поскольку таковым служит лазерно-оптическая головка дисковода. Однако фактически - для того чтобы БкИМС на основе кремния, в котором излучательная рекомбинация невозможна, давала бы оптический ответ - потребовалось предложить новый способ ближней оптической связи и соответствующий ему интерфейс - один из вариантов РОИ.
Способ ближней оптической связи между двумя оптоэлектронными устройствами, взаимодействующими по принципу M-S, согласно [10], основан на том, что первичный источник излучения помещают только в первое - М-устройство, а второе - S-устройство используют в пассивном режиме, при котором оно при котором оно получает питание в результате фотовольтаического преобразования энергии поглощенной части первичного (падающего) излучения, посылаемого М-устройством при запросе S-устройства, и, в свою очередь, отвечает на запрос путем модуляции вторичной (отраженной или иным способом возвращенной М-устройству) части его излучения.
Отражение (рефлексию) с модуляцией вторичного излучения на ведомой стороне, взамен генерирования на обеих связывающихся сторонах первичного излучения, есть основания признать прорывным решением в области оптической связи, поскольку оно, в принципе, позволяет строить двунаправленные каналы связи даже тех в случаях, когда ведомая сторона физически не способна работать в активном режиме (т.е. генерировать излучение сама). Однако технический потенциал этого способа в известном решении был реализован в неполной мере, достаточной лишь по условиям конкретной задачи. БкИМС - S-устройство - была задумана как своего рода «интерактивная дорожка» в корневой части CD/DVD, обращение к которой осуществляется по монофизическому принципу с контентом, т.е. при ее движении в ходе вращения диска, когда сфокусированный лазерный луч оптической головки - М-устройства - осуществляет последовательный опрос (сканирование) линейки раздельно расположенных на поверхности БкИМС структур, или только принимающих, или только возвращающих излучение. Поэтому необходимым условием обращения к энергонезависимой памяти БкИМС является движение, при котором вышеуказанные устройства перемещаются одно относительно другого. Тем самым крайне сужаются функциональные возможности, в принципе, любого РОИ, в основу построения которого положен описанный в [10] способ ближней оптической связи.
Задачей изобретения является соединение в новом комплекте приборов преимуществ и устранение недостатков двух известных групп носителей и устройств записи/чтения информации - с контактными (электрическими) и бесконтактными (полевыми) интерфейсами - путем усовершенствования и новой аппаратной реализации концепции РОИ, являющегося контактным по способу применения и бесконтактным по принципу действия. Для этого, во-первых, предложен универсальный способ ближней оптической связи между разнообразными М-устройствами - запросчиками и S-устройствами - ответчиками (транспондерами) без собственных источников питания, который, в частности, позволяет строить РОИ, не требующие перемещения носителей информации (S-устройств) относительно соответствующих им устройств записи/чтения (М-устройств). Во-вторых, предложены варианты конструкций таковых, основанные на разных физических принципах и обладающие разными потребительскими качествами. Результатом, связанным с решением этой задачи, является сочетание в новом комплекте приборов, ранее представленных по отдельности, функциональных возможностей их контактных и бесконтактных аналогов - в частности, Touch Memory, RFID и бесконтактных смарт-карт, при отсутствии их недостатков в области безопасности личной сферы и в части устойчивости к внешним воздействиям.
Поставленная задача в части способа решена тем, что в известном способе ближней оптической связи между двумя оптоэлектронными устройствами, взаимодействующими по принципу M-S, в котором первичный источник излучения помещают только в первое - М-устройство, а второе - S-устройство используют в пассивном режиме, при котором оно получает питание в результате фотовольтаического преобразования энергии поглощенной части первичного (падающего) излучения, посылаемого М-устройством при запросе S-устройства, и, в свою очередь, отвечает на запрос путем модуляции вторичной (отраженной или иным способом возвращенной М-устройству) части его излучения, для проведения обмена данными между устройствами в соответствии с установленным протоколом, оба устройства приводят в соприкосновение так, чтобы между активной структурой в составе М-устройства - оптическим приемопередатчиком, и активной структурой в составе S-устройства - мишенью сформировался бы световод, концентрирующий излучение в канале связи между устройствами и ограничивающий его распространение в окружающее пространство, после чего, по стартовой команде, генерируемой М-устройством, осуществляют обмен данными.
Не смотря на внешнее сходство такого способа оптической связи и его элементной базы с одним из вышеописанных аналогов - IrDA - имеются и радикальные отличия, способствующие достижению указанного результата: оптический передатчик в М-устройстве IrDA, например, ПДУ - открытый вовне широкоугольный излучатель, а фотоприемная структура в составе S-устройства (как правило, фотодиод) - вовсе не мишень (объект, на который оказывают концентрированное воздействие при точном попадании), а сенсор, поскольку для срабатывания S-устройства IrDA достаточно крайне малой доли рассеянного излучения М-устройства, улавливаемого фотоприемником, где бы он ни находился в пределах допустимого расстояния от излучателя, и как бы ни был ориентирован относительно него. Согласно изобретенному же способу, концентрация первичного излучения с помощью световода в канале связи между устройствами и точная его адресация на мишень, ограничивающая утечку энергии в окружающее пространство, являются мерами, которые позволяют обеспечить достаточность энергии, дошедшей до S-устройства, не только для уверенного детектирования им информации, но и для его питания, при исключении возможности злонамеренного перехвата информации извне.
При этом в качестве мишени в S-устройстве используют функциональную область обратимого (обращаемого) оптоэлектронного прибора, могущего работать как приемником (преобразователем энергии) первичного излучения, так и электрически управляемым передатчиком (модулятором) вторичного излучения. Фактически, прибор с такими возможностями есть функциональный аналог приемопередающей радиоантенны для оптического диапазона. Не смотря на то, что обычный светодиод, в принципе, может работать в таком качестве, взаимно обратные эффекты фотоэлектрического преобразования в нем, по имеющимся данным, в прикладном аспекте не изучались.
Целесообразно стартовую команду, инициирующую обмен данными, в М-устройстве генерировать автоматически при соприкосновении обоих устройств, для чего в состав М-устройства следует включить сенсор оказываемого на него давления. Пользование комплектом оптоэлектронных устройств, автоматически обменивающимися данными при касании, на практике не будет отличаться от пользования вышеописанным аналогом - ТМ, однако повлечет много преимуществ, связанных с электрической бесконтактностью.
Световод, образующийся между активными структурами М- и S-устройств при их соприкосновении, в простейшем варианте реализации способа, может быть с общим каналом для первичного и вторичного излучений. Однако задача разделения запросных и ответных сигналов в М-устройстве при наличии световода не может быть решена так же, как она решается в вышеупомянутом М-устройстве для БкИМС - лазерно-оптической головке дисковода CD/DVD - путем использования дихроического зеркала и поляризационных эффектов при отражении, поскольку положение плоскости поляризации луча после его прохождения через световод может измениться. Поэтому запросные сигналы первичного излучения и ответные сигналы вторичного излучения целесообразно разделять по времени, строя схему S-устройства так, чтобы в нем передние фронты ответных импульсов формировались бы за задними фронтами запросных. В этом случае каждый ответный импульс S-устройства будет поступать к М-устройству не ранее, чем оно завершит посылку запросного импульса, играющего роль строба (т.е. асинхронно с ним), поэтому основанный на этом принципе РОИ далее будет именоваться асинхронным (АсРОИ). Конкретный пример схемы S-устройства, построенной вышеуказанным способом, будет приведен ниже (при раскрытии изобретения в части устройства - оптоэлектронного носителя информации с АсРОИ).
Световод с общим каналом для первичного и вторичного излучений можно образовывать, в частности, путем присоединения к одному из устройств отрезка полой трубки с отражающей внутренней поверхностью, охватывающей активные структуры обоих устройств: первого - постоянно, а второго - временно (на период касания). Этот вариант целесообразен для описываемых ниже носителей информации с АсРОИ, выполненных в форм-факторе миниатюрных светодиодов в пластиковой оболочке-корпусе с укороченными аксиальными выводами, и соответствующих им устройств записи/чтения (М-устройств), подобных монетоприемникам торговых автоматов.
Кроме того, световод с общим каналом для первичного и вторичного излучений можно образовывать путем присоединения к одному из устройств жесткого волоконно-оптического блока, представляющего собой пучок параллельно уложенных и совместно работающих волоконных световодов в общей защитной оболочке, заостренный и/или закругленный на внешнем конце, которым следует касаться оптически прозрачного окна (лунки соответствующего радиуса закругления в оптически прозрачном окне) второго устройства. Этот вариант целесообразен, когда одно из устройств выполнено в форм-факторе цифровой ручки (или стилуса), поскольку волоконно-оптический блок по форме может представлять собой заостренный (в частности, на конус) и закругленный на конце стержень, внешне неотличимый от шарикового пишущего узла. При наличии лунки в окне второго устройства правильный выбор точки его касания первым упрощается и сопровождается тактильным откликом, что создает удобства для пользователя. Если в таком форм-факторе выполнено S-устройство (носитель информации), то его конструкция, в оптоэлектронной части, также может быть подобна светодиоду. Если в форм-факторе ручки выполнено устройство записи/чтения, то для носителя информации более целесообразно другое исполнение - таблеточное.
Не реализованная в таких вариантах способа важнейшая функциональная возможность световода в виде жесткого волоконно-оптического блока, представляющего собой пучок параллельно уложенных волокон, состоит в том, что, используя его, можно первичное и вторичное излучения разделить не только во времени, но и в пространстве. Таким вариантом способа могут быть построены наиболее интересные и во многом рекордные -по всему комплексу технико-экономических показателей - варианты оптоэлектронных носителей информации - с синхронным РОИ (СхРОИ), описываемые ниже.
Для этого к М-устройству следует присоединить волоконно-оптический блок, представляющий собой заостренный и/или закругленный на внешнем конце, которым касаются оптически прозрачного окна (лунки соответствующего радиуса закругления в оптически прозрачном окне) S-устройства, пучок параллельно уложенных, но раздельно работающих волоконных световодов в общей защитной оболочке. А именно, группу волокон, расположенных по центру (в сердцевине) пучка, целесообразно использовать для канализирования первичного излучения, а группу волокон, расположенных по периферии (в кольцевой зоне, прилегающей к оболочке) пучка - вторичного. Целесообразность такого разделения связана с тем, что формирование вторичного излучения путем отражения от мишени и модуляции первичного излучения сопровождается его рассеянием - поэтому вторичное излучение рациональней собирать с расширенной зоны, прилегающей к оболочке пучка, а воздействие на мишень, напротив, следует концентрировать - поэтому первичное излучение рациональней направлять по узкой сердцевине пучка.
На внутреннем (соединенном с М-устройством) конце световода с раздельными каналами для первичного и вторичного излучений целесообразно выполнить хвостовик с сечением, меньшим сечения его основной части - таким, чтобы в него вошла только сердцевина, предназначенная для канализирования первичного излучения, а торцы периферийных волокон, предназначенных для канализирования вторичного излучения, оказались бы в зоне ступенчатого перехода от основной части световода к хвостовику. При этом оптический приемопередатчик М-устройства следует строить с отдельными приемной и передающей структурами (оптоэлектронными приборами) по оптической схеме, обеспечивающей разделение первичного и вторичного излучений по соответствующим приборам с достаточным уровнем оптической развязки между ними. Ступенчатый профиль световода позволяет разнести приемную и передающую структуры по его оси, обеспечив тем самым возможность использования в качестве каждой из них простых, а не комбинированных оптоэлектронных приборов с требуемыми функциями. Один из примеров реализации описанного способа в схеме М-устройства приведен ниже.
Предложенный способ ближней оптической связи, описанный выше во всех подробностях своей реализации, в принципе, инвариантен по отношению к функциональной принадлежности S- и М-устройств, участвующих в нем - важно только, чтобы взаимодействие между ними осуществлялось по принципу «ведущий-ведомый». Что касается группы раскрываемых изобретений, то в нее - в части устройств - включены наиболее актуальные варианты таковых, в каждом из которых S-устройство представляет собой опто-электронный носитель информации (ОНИ), а М-устройство - устройство записи/чтения (УЗЧ) для него. Поэтому вместо S- и М-устройств в дальнейшем изложении будут фигурировать аббревиатуры ОНИ и УЗЧ соответственно.
Первым целесообразно рассмотреть компромиссный - не монолитный (однокристальный), а гибридный вариант ОНИ, в котором реализация таковых в истинно микроскопическом масштабе размеров с полным отказом от сборочных операций невозможна, однако для него не требуется проводить исследования и разработки новых оптоэлектронных приборов, а достаточно существующей элементной базы. Ключевыми моментами этого варианта ОНИ являются АсРОИ и формирование вторичного излучения не прямым (оптическим) отражением первичного (падающего) излучения от соответствующего слоя мишени, а оговоренным выше «иным способом его возврата»: косвенным (электрическим) отражением, идущим через посредничество тока, циркулирующего по рассматриваемому далее отражательному контуру.
В качестве прототипа для всех вариантов ОНИ, как и для способа, рассматривается БкИМС (прибор) [10], представляющий собой ретранслятор сигнала Устройства Записи/Чтения (УЗЧ), получающий свое питание в результате фотовольтаического преобразования энергии излучения, посылаемого УЗЧ при запросе ОНИ, и отвечающий на запрос путем модуляции вторичного (отраженного или иным способом возвращенного УЗЧ) излучения.
3
5
Вышеуказанная задача изобретения в первом варианте решена тем, что ОНИ, представляющий собой ретранслятор сигнала УЗЧ, получающий свое питание в результате фотовольтаического преобразования энергии излучения, посылаемого УЗЧ при запросе ОНИ, и отвечающий на запрос путем модуляции вторичного (отраженного или иным способом возвращенного УЗЧ) излучения, выполнен в виде гибридной микросборки, содержащей кремниевую ИС со схемами энергонезависимой памяти, к которой, в виде замкнутой кольцевой цепи, присоединены оптически активная диодная структура из материала, например, группы AB, позволяющего ей работать как в фотодиодном (преобразовательном), так и в светодиодном (излучательном) режимах, и индуктивный (микро)элемент. Его индуктивность определена по критерию достаточности энергии, накопленной в его магнитном поле за один импульс тока, для формирования ответного импульса света, излучаемого структурой в светодиодном режиме по окончании засвечивающего импульса вследствие того, что ток в цепи с индуктивностью мгновенно прекратиться не может.
Замкнутая кольцевая цепь, состоящая из диодной структуры с обратимой оптической активностью и индуктивного элемента, таким образом, являет собой отражательный контур - функциональный аналог (эквивалент) отражающей (зеркальной) поверхности - с той существенной разницей, что отражение от него информативной составляющей вторичного излучения происходит не мгновенно (синхронно с облучением), а с запаздыванием (асинхронно): когда действие облучающего импульса (но не порожденного им тока в замкнутом контуре) уже прекратилось. Естественно, имеет место и паразитная синхронная составляющая вторичного излучения, обусловленная неизбежным оптическим (прямым) отражением от диодной структуры, однако она несущественна, поскольку схемы УЗЧ с АсРОИ таковы, что в каждый момент времени они работают только на прием или только на передачу.
Для управления отражательным контуром кремниевая ИС со схемами энергонезависимой памяти, входящая в состав такого ОНИ, должна содержать электронный ключ, размыкающий контур в случаях, когда двоичный разряд цифровой последовательности, передаваемой в текущий интервал, таков, что формирование ответного импульса не требуется.
Описанное схемное решение, в котором относительно сильные токи, формирующие импульсы вторичного излучения, циркулируют по короткой петле отражательного контура, внешней по отношению к микромощной ИС, осуществляющей при этом только функции хранения данных и управления, позволяет оптимально решить задачу управления светодиодом как низкоомной нагрузкой со стороны ИС путем вынесения за ее пределы импульсного источника тока. Кроме того, при малой разности потенциалов, которую может обеспечить светодиодная структура в приемном (фотовольтаическом) режиме, статическое накопление достаточного заряда для ответных импульсов традиционным путем (в конденсаторе) сопровождалось бы техническими проблемами, значительно более серьезными, чем использование индуктивных элементов в отражательном контуре для динамического накопления заряда. По этим причинам именно такая конструкция ОНИ с АсРОИ наиболее благоприятствует достижению указанного технического результата.
В первом из рекомендуемых форм-факторов такого ОНИ ИС и диодная структура смонтированы в перпендикулярных плоскостях: первая - на боковой, вторая - на торцевой поверхностях, по меньшей мере, одного из выводов. Далее эти приборы, подобно серийно выпускаемым т.н. «мигающим» светодиодам - гибридным микросборкам из диодных структур и ИС мультивибраторов - совместно залиты (опрессованы) оптически прозрачным компаундом. Форма для заливки, в частности, может представлять собой цилиндр с выпуклым дном, являющимся фокусирующей линзой с фокусом на месте расположения диодной структуры. Индуктивный микроэлемент установлен снаружи на отрезках выводов минимальной длины, выпущенных за пределы прозрачной заливки (опрессовки).
Подобные ОНИ для ряда применений, в особенности, торговых, целесообразно заключать в обоймы-держатели, обеспечивающие удобство обращения с ними и/или их присоединение к маркируемым предметам, и защищать от несанкционированных действий разрушающимися при снятии липкими аппликациями с защитными (труднокопируемыми) - например, голографическими - рисунками, охватывающими обоймы. На уровне носителей в этих аппликациях целесообразно выполнять перфорации, прорывающиеся при первом акте записи/чтения (инициализации носителя) конечными пользователями. К несанкционированным действиям, от которых могут защитить аппликации, относятся, в частности, не сказывающийся на внешнем виде перенос носителя, являющегося уникальным товарным маркером-ярлыком, с одного товара на другой (например, с легального на контрафактный товар), повторное прикрепление использованного носителя к другому предмету, доступ к уникальным (в т.ч. ключевым) данным, содержащимся в носителе, ранее, чем этот носитель на законных основаниях (например, после оплаты) обретает владельца и инициализируется с внесением в него дополнительных данных (например, реквизитов продавца и даты продажи). Защищенный таким образом ОНИ может являться не только маркером, гарантирующим подлинность товара, но и далее (в процессе эксплуатации товара) служить его владельцу, например, в качестве автоматически заполненного при продаже талона на гарантийное обслуживание. Очевидно, что к аналогам - контактным и бесконтактным (радиочастотным) - столь простая и эффективная мера защиты не применима: к первым можно без последствий для внешнего вида подключиться через аппликацию тонкими игольчатыми зондами, а ко вторым надежно исключить этим путем воздействие радиоволн невозможно.
Такие ОНИ для других применений, в особенности, в качестве персональных идентификаторов и/или ключей для защищенного транспорта данных, целесообразно заключать в конический наконечник цифровой ручки (стилуса) и состыковывать внутри с пропущенным по оси наконечника жестким волоконно-оптическим блоком, представляющим собой пучок параллельно уложенных и совместно работающих волоконных световодов в общей защитной оболочке, внешний торец которого, подобно шариковому пишущему узлу, обработан на сферу. В этих случаях заливку ОНИ оптически прозрачным компаундом целесообразно проводить в форме в виде цилиндра, напротив, с вогнутым (снабженным лункой) дном, обеспечивающим стыковку с внутренним торцом волоконно-оптического блока, обработанным так же, как и внешний. Для того чтобы идентифицироваться или ввести в терминальное устройство свои персональные данные (например, PIN-код) при помощи оформленного так ОНИ, пользователю достаточно под произвольным (варьирующимся в широких пределах) углом совершить легкое касание кончиком своей ручки (стилуса) заданного места на панели терминального устройства, которое выделено специальным окошком со встречной лункой. Такая процедура оказывается проще, надежней и безопасней, чем основанная на применении известных аналогов - как контактных, так и бесконтактных.
Во втором из рекомендуемых форм-факторов такого ОНИ, ИС и диодная структура смонтированы в параллельных плоскостях на противоположных лицевых сторонах двух выводных рамок, сложенных вместе тыльными сторонами так, что выводы, подлежащие внутренним соединениям, оказываются совмещенными (наложенными), и совместно залиты (опрессованы) оптически прозрачным компаундом в форме миниатюрного короткого цилиндра (таблетки). Внешние контуры рамок и не подлежащие внешним соединениям (технологические) выводы удалены после заливки (опрессовки).
В отличие от первого форм-фактора, ориентированного преимущественно на свободную заливку оптически прозрачным компаундом в открытых многоместных формах из кремнийорганического эластомера, здесь базовой технологией является опрессовка в металлических формах, подобных применяемым в крупносерийном производстве ИС в DIP-корпусах и им аналогичных. Разнесение ИС и диодной структуры по двум подсборкам с собственными выводными рамками, встречающимися только на финише в форме для опрессовки также является предпочтительным для условий крупносерийного и массового производства, в особенности по кооперации. Основным же преимуществом этого форм-фактора является значительно меньшая, чем в первом, осевая длина оптоэлектронных блоков ОНИ, что открывает возможности для создания особых конечных конструктивных исполнений приборов.
Целесообразно, в частности, заключать такие ОНИ в открытые со стороны трубчатых хвостовиков головки пустотелых заклепок или застежек (кнопок) в составе оснащаемых ими предметов (чехлов предметов) личного пользования, а индуктивные микроэлементы выполнять на кольцевых (тороидальных) сердечниках и устанавливать снаружи в одной плоскости с ОНИ, расположенными в центральных отверстиях сердечников. Предметами, оснащаемыми такими ОНИ, могут быть, например, кошельки (портмоне) с отделениями для банковских карт, в которых ОНИ исполняют функции защищенного хранилища PIN-кодов (доступных для считывания только цифровой ручкой владельца, которую он должен хранить отдельно); футляры для смартфонов и миникомпьютеров - для защищенного хранения паролей - вплоть до предметов одежды, в только ему известной (известных) кнопке (кнопках) которой владелец может скрытно и надежно хранить в путешествиях резервные копии своих паспортных, медицинских данных, банковских реквизитов и т.п. Кроме того, низкопрофильными заклепками с ОНИ могут быть оснащены товарные ярлыки, технические паспорта, сертификаты соответствия и другие документы. Выполнение индуктивных микроэлементов на кольцевых сердечниках и установка их в одной плоскости с ОНИ являются конструктивными мерами, минимизирующими осевую длину изделия.
В отличие от первого форм-фактора ОНИ одним из рекомендуемых исполнений которого является наконечник ручки (стилуса), для ОНИ в виде заклепок такое исполнение должно быть второго прибора комплекта - УЗЧ.
Далее рассматривается второй - наиболее совершенный - в т.ч. монолитный (полностью кремниевый) вариант ОНИ, в котором возможна реализация таковых в микроскопическом масштабе размеров при полном отказе, для части исполнений, от сборочных операций. Ключевыми моментами этого варианта являются СхРОИ и формирование вторичного излучения прямым (оптическим) отражением первичного (падающего) излучения от соответствующего слоя мишени. Наряду с теми из раскрываемых далее физических принципов его модуляции, которые работоспособны вне всяких сомнений ввиду того, что в них апробированные решения применены по своему прямому назначению - новизна состоит лишь в частных моментах их адаптации к задачам - один из них сопряжен с определенной долей технического риска, поскольку представляет собой не известное из уровня техники готовое решение, а научный прогноз - хотя и логически вытекающий из достоверно установленных физических законов. Основное преимущество этого принципа - реализуемость в рамках базовых технологий твердотельной электроники без необходимости разработки новых процессов и материалов.
Вышеуказанная задача изобретения во втором варианте решена тем, что ОНИ, представляющий собой ретранслятор сигнала УЗЧ, получающий свое питание в результате фотовольтаического преобразования энергии излучения, посылаемого УЗЧ при запросе ОНИ, и отвечающий на запрос путем модуляции вторичного (отраженного или иным способом возвращенного УЗЧ) излучения, содержит схемы энергонезависимой памяти и оптически активную диодную структуру, работающую исключительно в фотодиодном (преобразовательном) режиме, а также, по меньшей мере, один дополнительный структурный и/или схемный элемент, обеспечивающий модуляцию излучения, отраженного от диодной структуры, причем, из всех вышеупомянутых элементов, по меньшей мере, схемы энергонезависимой памяти реализованы в составе кремниевой ИС. То, что здесь оптически активная диодная структура, в отличие от первого варианта, не должна быть обратимым преобразователем/излучателем света, а предназначена для работы исключительно в фотодиодном (преобразовательном) режиме, а потому может быть выполнена из кремния - ключевой момент второго варианта, в принципе, позволяющий реализовать в составе кремниевой ИС все без исключения элементы ОНИ.
Технологически наиболее просто выполнить эту программу-максимум, если сделать указанные дополнительные элементы исключительно схемными - в составе контроллера, управляющего, в режиме передачи, электрической нагрузкой диодной структуры с целью модуляции отраженного ею излучения по параметру, чувствительному к доле поглощенной энергии, выведенной из структуры в преобразованной (электрической) форме. Феномен, состоящий в том, что нагрузка фотовольтаического преобразователя, так или иначе, влияет, по меньшей мере, на один параметр отраженного им излучения, по имеющимся данным, не наблюдался и его еще предстоит открыть и изучить - однако в пользу его существования могут быть приведены следующие доводы.
Исторически сложилось, что во всех ранее проведенных исследованиях фотоэффекта как такового, исследователей интересовало только, какая энергия подводится к фотоэлементу в электромагнитной (оптической) форме, и какая энергия отводится от фотоэлемента в электрической форме. При этом не учитывалось, что фотоэлемент, как и любое реальное тело, абсолютно черным быть не может, а потому далеко не вся подводимая к нему электромагнитная энергия полностью поглощалась, преобразуясь в тепло и электричество, а какая-то ее часть обязательно возвращалась в виде вторичного светового излучения. Явление это, традиционно считающееся вредным, не подвергалось предметному изучению, а были предложены только средства борьбы с ним - в частности, путем нанесения просветляющих покрытий.
С другой стороны, ясно, что работающий на холостом ходу (без отведения тока), и подключенный к внешней электрической нагрузке фотовольтаический преобразователь одинаково отражать падающее на него излучение не может, поскольку подведенная энергия, которая в первом случае оказывает только локальные воздействия, поглощаясь фотовоспринимающими слоями и отражаясь от них, во втором случае частично удаляется (отводится), поэтому и на отражение ее должно оставаться меньше, чем в первом случае. В обоих случаях в фотовоспринимающих слоях (p-n переходе) преобразователя идут конкурирующие процессы генерации электронно-дырочных пар (с поглощением энергии) и их рекомбинации (с выделением энергии) - только при замкнутой внешней цепи, благодаря разряду части электронов и дырок на соответствующих электродах, генерация преобладает над рекомбинацией, а при разомкнутой, благодаря торможению носителей заряда, движущихся к электродам, встречным электрическим полем - следствием разности потенциалов - процессы генерации и рекомбинации приходят в динамическое равновесие. Очевидно, что это различие было бы заметней не на кремнии, а на материале с преимущественно излучательной рекомбинацией носителей: такой преобразователь в ненагруженном состоянии генерировал бы больше вторичного излучения (сильнее люминесцировал), чем нагруженный, однако ясно, что вне зависимости от материала преобразователя отсутствие корреляции между, по меньшей мере, одним параметром отраженного излучения и состоянием его электрической нагрузки противоречит закону сохранения энергии.
Таким образом, если бы удалось создать фотовольтаический преобразователь, близкий к идеальному, то он бы при подключении к нему согласованной нагрузки и одинаковом освещении заметно темнел - в связи с тем что, в конечном итоге, энергии на отражение оставалось бы значительно меньше. В той или иной степени, этот эффект должен быть присущ и реальным преобразователям, в т.ч. фотодиодным структурам - следовательно, корректный физический эксперимент должен его подтвердить, и выявить тот параметр отраженного излучения, который наиболее информативен - т.е. чувствителен к доле поглощенной энергии, выведенной из структуры в преобразованной (электрической) форме, и при этом уверенно детектируется.
Не обязательно, чтобы в качестве информативного параметра была интенсивность (амплитуда) отраженного излучения - возможны варианты, связанные, например, со сдвигом спектрального состава его инфракрасной компоненты из-за изменения нагрева приповерхностных слоев структуры, и т.п. Только после этого можно будет конкретизировать технические требования к детекторным схемам УЗЧ для ОНИ с этим принципом модуляции.
В отдельных исполнениях второго варианта ОНИ независимо от использованного в них принципа модуляции целесообразно оптически активную диодную структуру реализовывать в составе кремниевой ИС на ее единой планарной поверхности со схемами энергонезависимой памяти. Такие исполнения наиболее просты в конструктивно-технологическом отношении.
В тех случаях, когда ОНИ требуется предельно минимизировать по площади, оптически активную диодную структуру целесообразно реализовывать в составе кремниевой ИС на ее второй (тыльной) планарной поверхности - противоположной той, на которой расположены схемы энергонезависимой памяти. Такое исполнение, однако, требует решения непростой технологической проблемы создания изолированных электрических соединений между элементами, расположенными с противоположных сторон кристалла.
Описанный выше принцип модуляции вторичного излучения, для реализации которого не требуется дополнять диодную структуру какими-либо отсутствующими у обычных фотодиодов структурными элементами, безусловно, наиболее интересен в научном и перспективен в практическом планах. Однако в связи с тем, что он пока должным образом не изучен, следует рассмотреть и альтернативный вариант - технологически более сложный, однако заведомо работоспособный и осуществимый на практике. В нем оптически активная диодная структура содержит внешний полупрозрачный электрод, включенный в схему в качестве общего для режимов приема и передачи, поверх которого известными технологическими методами нанесены дополнительные структурные элементы в виде электрически управляемого оптически активного слоя, выполненного, например, из сегнетоэлектрического или жидкокристаллического диэлектриков, а также второго полупрозрачного электрода, включенного в схему в качестве модулятора для режима передачи.
Мишенью такого ОНИ, таким образом, является комбинированный оптоэлектронный прибор, составленный из двух наложенных один на другой известных, а потому заведомо работоспособных приборов - модулятора и преобразователя - с общим разграничивающим полупрозрачным электродом. Для него монолитное интегральное исполнение, при котором формирование всех дополнительных элементов включено в маршрут изготовления ИС, не всегда целесообразно. По меньшей мере, один из них может располагаться на прозрачной диэлектрической подложке, несущей ИС, и подключаться к ее схеме методами сборки, применяемыми в гибридно-пленочной технологии.
Раскрытие предложенных решений УЗЧ для всех рассмотренных выше вариантов ОНИ, соблюдая логику при изложении материала, относящегося к частным изобретениям группы, проводится в сопоставлении с упоминаемой выше лазерно-оптической головкой дисковода для CD/DVD - УЗЧ для БкИМС [10] - общего прототипа всей группы изобретений. Ее существенными признаками, в данном контексте, являются оптический приемопередатчик (здесь - состоящий из лазера и блока фотодиодов), посылающий первичное излучение к ОНИ (здесь - БкИМС) при его запросе, и принимающий вторичное (здесь - отраженное) излучение от ОНИ при его ответе, а также реализованная тем или иным способом система разделения запросных и ответных сигналов (здесь - построенная на дихроическом зеркале).
3
5
Простейшее в конструктивном отношении УЗЧ - для ОНИ с АсРОИ, в котором запросные и ответные сигналы не требуется разделять в пространстве. Такое УЗЧ, содержащее оптический приемопередатчик, посылающий первичное излучение к ОНИ при его запросе, и принимающий вторичное (отраженное или иным способом возвращенное УЗЧ) излучение от ОНИ при его ответе, и систему разделения запросных и ответных сигналов, согласно изобретению, содержит общую для режимов передачи и приема оптически активную диодную структуру из материала, например, группы AB, позволяющего ей работать как в светодиодном (излучательном), так и в фотодиодном (преобразовательном) режимах. Так реализован применительно к УЗЧ тот же принцип минимизации числа активных элементов - на основе использования единственной диодной структуры со свойством обратимости - который был раскрыт выше применительно к ОНИ. Для временного разделения запросных и ответных сигналов достаточно электронной схемы коммутатора, поочередно подсоединяющего эту диодную структуру к выходу усилителя запросных сигналов или к входу усилителя ответных сигналов.
Сложнее устроено УЗЧ для ОНИ с СхРОИ. Такое УЗЧ, содержащее оптический приемопередатчик, посылающий первичное излучение к ОНИ при его запросе и принимающий вторичное (отраженное или иным способом возвращенное УЗЧ) излучение от ОНИ при его ответе, и систему разделения запросных и ответных сигналов, согласно изобретению, содержит оптическую систему их пространственного разделения. Она выполнена в виде отрезка жесткого волоконно-оптического блока, представляющего собой пучок параллельно уложенных волоконных световодов, который на своем внешнем конце заострен и/или закруглен, а на внутреннем конце содержит хвостовик с сечением, меньшим сечения его основной части. Это сечение выбрано таким, чтобы в него вошла только сердцевина, предназначенная для канализирования первичного излучения, а торцы периферийных волокон, предназначенных для канализирования вторичного излучения, оказались бы в зоне ступенчатого перехода от основной части к хвостовику. Хвостовик пропущен через отверстие в, по меньшей мере, одном зеркале, расположенном наклонно относительно оптической оси - так, чтобы торцы периферийных волокон отображались бы на световоспринимающую поверхность, по меньшей мере, одного приемного (преобразовательного) прибора приемопередатчика, установленного напротив зеркала рядом с волоконно-оптическим блоком, а передающий (излучательный) прибор приемопередатчика - светодиод или лазер - установлен на выпущенном за пределы зеркала (системы зеркал) его торце. Очевидно, что таким образом задача решена: излучение передающего прибора не может попасть на приемный прибор иначе, чем выйти наружу по сердцевине на внешнем конце волоконно-оптического блока, отразиться от чего-либо, на что он опирается или куда направлен (на лунку в окне ОНИ, а, в общем случае - на любую опорную поверхность), и, рассеявшись при отражении, вернуться по периферийным волокнам в виде вторичного излучения.
Если вышеупомянутое зеркало одно, то имеет место эффект затенения хвостовиком торцов расположенной за ним (относительно приемного прибора) части волокон периферийной зоны. Чтобы этого избежать, хвостовик волоконно-оптического блока целесообразно пропустить через центральное (проходящее через вершину) отверстие в пирамидке с зеркальными гранями, напротив каждой из которых установлен отдельный приемный прибор. Очевидно, что затенение в такой схеме принципиально исключено.
К преимуществам, связанным с применением в УЗЧ нескольких приемных приборов вместо одного, является возможность распознавания изображения, формирующегося на внутренних торцах периферийных волокон, как на экране, вследствие разных условий их освещенности на внешних концах, обусловленных, в т.ч., деталями фактуры опорной поверхности. Если схема УЗЧ при этом содержит специализированный для обработки изображений цифровой сигнальный процессор (DSP-процессор), то это позволит ему работать в реальном масштабе времени - в качестве дополнительной опции, вне связи с ОНИ - в режиме графического манипулятора (аналога оптической мыши). Для этого на вход DSP-процессора должно быть подано оцифрованное изображение кольцевой зоны волоконно-оптического блока, полученное с нескольких приемных приборов (для пирамидальной системы зеркал), или, по меньшей мере, с одного приемного прибора, выполненного в виде многоэлементной матрицы. Это изображение получается в условиях подсветки опорной поверхности, через сердцевину волоконно-оптического блока, работающим в непрерывном режиме (режиме подсветки) передающим прибором. Потребительская ценность этой опции, превращающей такое УЗЧ в многофункциональный компьютерный аксессуар, вполне очевидна.
Наиболее целесообразным является его исполнение в виде ручки для письма (с дополнительным пишущий узлом). Чтобы избежать проводов, она должна содержать автономный элемент питания, а также типовой модуль беспроводного радиочастотного интерфейса (например, "Bluetooth") для связи с хост-компьютером. Пишущий и оптический узлы могут располагаться на разных концах такой ручки, причем, например, первый - под колпачком.
На фиг. 1 приведена блок-схема ОНИ с АсРОИ с условным выделением основных элементов, относящихся к отражательному контуру и источнику электропитания, а на фиг. 2 - семейство осциллограмм, поясняющее работу такого отражательного контура: формирование импульсов вторичного излучения (внизу) под действием импульсов первичного излучения (вверху) через посредство импульсов тока, циркулирующего в контуре (в центре).
На фиг. 3 приведена конструкция такого ОНИ в исполнении, в котором ИС и диодная структура смонтированы в перпендикулярных плоскостях, а на фиг. 4-6 - его защищенное внешнее оформление, рекомендуемое для торговых применений: разрез (фиг. 4) и частично рассеченные виды (фиг. 5, 6).
На фиг. 7, 8 приведена конструкция УЗЧ для ОНИ в защищенном внешнем оформлении (фиг. 4-6) со световодом с общим каналом для первичного и вторичного излучений в виде отрезка трубки с отражающей внутренней поверхностью: общий вид фронтальной панели (фиг. 7), и разрез УЗЧ с выделением существенных элементов его схемы и конструкции (фиг. 8).
На фиг. 9, 10 иллюстрируется применение в качестве световода с общим каналом для первичного и вторичного излучений жесткого волоконно-оптического блока, представляющего собой пучок параллельно уложенных волоконных световодов в общей защитной оболочке (фиг. 9 - поперечный разрез), заостренный и закругленный на внешнем конце, которым касаются лунки в окне устройства, в составе которого световод отсутствует (фиг. 10 - продольный разрез). На фиг. 11 приведена конструкция ОНИ по фиг. 3, модифицированная под применение в нем такого световода, а на фиг. 12 - его внешнее оформление в виде наконечника цифровой ручки (стилуса).
На фиг. 13-15 приведена конструкция ОНИ с АсРОИ в конструктивном исполнении, в котором ИС и диодная структура смонтированы в параллельных плоскостях: вид в плоскости расположения диодной структуры (фиг. 13), вид в плоскости расположения ИС (фиг.14), и вид в поперечном разрезе (фиг. 15). На фиг. 16, 17 - внешнее оформление такого ОНИ в виде открытой со стороны трубчатого хвостовика головки пустотелой заклепки или застежки (кнопки) в составе оснащаемого им предмета (чехла предмета) личного пользования: фиг. 16 - продольный разрез, и фиг. 17 - вид в поперечном разрезе, демонстрирующем индуктивный микроэлемент отражательного контура, а также особый способ его намотки на тороидальный сердечник.
На фиг. 18 в целях иллюстрации концепции ОНИ с СхРОИ изображен поперечный разрез его мишени - оптически активной диодной структуры на основе кремния, работающей исключительно в фотодиодном (преобразовательном) режиме, с полным набором дополнительных структурных элементов, обеспечивающих модуляцию отраженного от нее излучения.
На фиг. 19-21 схематически изображены варианты конструктивного исполнения ОНИ с СхРОИ в виде кремниевых ИС, различающиеся по местоположению мишени: по центру лицевой планарной поверхности (фиг. 19 - топология), на краю лицевой планарной поверхности (фиг. 20 - топология) и на тыльной планарной поверхности (фиг. 21 - поперечный разрез).
На фиг. 22-24 схематически изображен вариант конструктивного исполнения ОНИ с СхРОИ, в котором дополнительные структурные элементы модулятора - оптически активный диэлектрик (в данном варианте - жидкий) и внешний полупрозрачный электрод - вынесены за пределы кремниевой ИС: ее топология (фиг. 22); разрез ОНИ, вместе с капсулирующей его специально конфигурированной диэлектрической подложкой (фиг. 23), и ступенчатое сечение, показывающее контакты полупрозрачного электрода (фиг. 24). На фиг. 25, 26 приведен пример установки ОНИ такого конструктивного исполнения в оснащаемый им предмет (в данном примере - металлический): глухое отверстие в виде обоймы (каста) с бортами для завальцовки (фиг. 25) и оно же после помещения туда ОНИ и завальцовки бортов (фиг. 26).
На фиг. 27 в продольном разрезе схематически изображено УЗЧ для ОНИ с СхРОИ, содержащее оптическую систему пространственного разделения запросных и ответных сигналов в виде отрезка жесткого волоконно-оптического блока с утонченным хвостовиком, пропущенным через систему зеркал (в данном примере - состоящую из одного наклонного зеркала), оформленное в виде конического наконечника ручки (стилуса).
На фиг. 28 (в реферате) схематически изображены (в разных масштабах) УЗЧ и ОНИ с СхРОИ, взаимодействующие посредством следующих в обоих направлениях квантов электромагнитного излучения, причем ОНИ показан укрупненно, и его функциональная структура - мишень - вынесена.
3
5
1
2
1
2
Гибридная микросборка ОНИ с АсРОИ (фиг. 1) состоит из кремниевой ИС 1 и двух присоединенных к ней дискретных компонентов - диодной структуры PhED с обратимой оптической активностью, выполненной, например, из материала группы AB (ее нетрадиционное обозначение PhED - Photo-Emission Diode - отражает единство ее функций как фотодиода и све-тодиода LED - Light-Emission Diode), а также индуктивного (микро) элемента L. Для присоединения дискретных компонентов ИС содержит три контактные площадки: а, b и «общий электрод» (на фиг. 1 - внизу), причем первые две расположены на лицевой (планарной) поверхности ИС, а последняя представляет собой контакт к подложке (кремниевому кристаллу), расположенный с обратной (тыльной) стороны ИС. В составе ИС реализованы основная часть - логический блок со схемами энергонезависимой памяти, на фиг. 1 обозначенный заштрихованным прямоугольником с условно выделенными контактами для ввода информации (признака режима - запись/чтение, кодов доступа, обновлений и т.п.) при обращении к ОНИ - in, вывода информации (служебных команд, хранящейся цифровой последовательности и т.п.) при ответе ОНИ - out, подвода напряжения питания - «+» и «-», а также связанные с этими контактами вспомогательные элементы - диоды D, Dи конденсаторы C, С, относящиеся к источнику электропитания - например, выпрямителю с удвоением напряжения, собранному по схеме Шенкеля-Вилларда. Транзистор Т, например, биполярный - управляющее звено отражательного контура в разрыве цепи между закольцованными PhED и L, на базу которого поданы нормированные по амплитуде запирающие импульсы с контакта out. Не важные для понимания элементы, в частности, обеспечивающие усиление и оцифровку входного сигнала, а также рабочую точку транзистора Т на его характеристике, для упрощения не изображены.
in
in
L
in
del
rel
del
rel
rel
out
out
При поступлении к активной области PhED, например, при запросе ОНИ, посылаемых УЗЧ прямоугольных импульсов первичного излучения Pс энергией E (фиг. 2 - верхняя осциллограмма), импульсы тока I, циркулирующего при этом в отражательном контуре, через индуктивность L и открытый транзистор Т, вследствие известных особенностей переходных процессов в цепях с индуктивностью, не могут иметь столь же резкие передние фронты, как и импульсы фотоЭДС в контуре, генерируемые при облучении PhED (практически повторяющие по форме P). Очевидно, что они относительно медленно нарастают по экспоненте, а затем столь же медленно (с такой же постоянной времени) спадают до нуля (фиг. 2 - центральная осциллограмма) после прохождения задних фронтов импульсов первичного излучения. Проинтегрировав по времени разность между фактическим значением тока в контуре с индуктивностью и током, который протекал бы в нем при ее равенстве нулю, можно получить величину Q - по физическому смыслу - заряд, который можно условно считать задержанным (или динамически накопленным) в отражательном контуре. Учитывая, что при нулевой индуктивности L ток в контуре обнулился бы синхронно с прекращением действия фотоЭДС, интеграл по времени от полного значения тока, протекающего в интервалах между импульсами первичного излучения, дает величину Q -заряда, который можно условно считать возвращенным. Согласно правилу Фарадея для определения направления тока самоиндукции при прекращении действия ЭДС и закону сохранения заряда, токи в контуре, при взаимно обратных процессах накопления и возвращения заряда, протекают через PhED в одинаковом направлении (в котором он открыт), причем Q и Q равны по величине и соответствуют площадям, заштрихованным на осциллограмме. Прохождение через контур заряда Q благодаря свойствам материала PhED, сопровождается генерированием импульсов вторичного излучения P, энергия которых E (фиг. 2 - нижняя осциллограмма), определяющая уверенность их детектирования, пропорциональна, с учетом квантового выхода, числу рекомбинировавших электронно-дырочных пар - заряду. Поэтому требуемое значение заряда является исходным данным для расчета индуктивности L.
in
our
1
in
Длины волн первичного и вторичного излучений могут не совпадать: первичное излучение целесообразно выбирать таким, чтобы оно лучше поглощалось в материале PhED. Эффективной работе параллельного отражательному контуру источника электропитания, обеспечивающего ИС энергией в количестве, достаточном для дешифрирования P и формирования P, способствует то, что шунтирующее действие L, сопровождающееся отбором тока от PhED, в начале описанного цикла минимально, а при запертом транзисторе Т - отсутствует. Преимущество схемы Шенкеля-Вилларда состоит в ее закрытом (конденсатором C) входе, исключающем влияние постоянной составляющей P, которой не было бы, если бы входящий сигнал подавался, подобно RFID, не с фотопреобразователя, а с антенны. При необходимости число ступеней умножения постоянного напряжения может быть увеличено.
Конструкция ОНИ, ИС и диодная структура которого смонтированы в перпендикулярных плоскостях: первая - на боковой, вторая - на торцевой поверхностях одного из выводов, изображена на фиг. 3. ОНИ, подобно наиболее распространенной конструкции светодиодов, имеет пластиковую оболочку-корпус 2, оканчивающийся выпуклым торцом в виде собирающей линзы. Корпус сформирован путем заливки после монтажа оптически прозрачным компаундом выводной гребенки - в отличие от светодиодов, не двухвыводной, а трехвыводной, причем ее средний вывод является общим кристаллодержателем для PhED 3 и ИС 1 - площадка «общий электрод» по фиг. 1. PhED 3, по исполнению аналогичный кристаллам сигнальных светодиодов с излучающими гранями, смонтирован на торце среднего вывода гребенки, который, также подобно светодиодам, отформован как рефлектор.
Контактные площадки a и b ИС 1 проволочными монтажными перемычками соединены: первая - с боковой поверхностью верхнего (по фиг. 3) вывода гребенки (с торцевой поверхностью которого проволочной монтажной перемычкой соединена также контактная площадка PhED 3), а вторая - с боковой поверхностью самого короткого (нижнего) вывода гребенки. После формирования оболочки-корпуса 2, технологическая перемычка, связывающая в процессе монтажа выводы гребенки, удалена, а выводы укорочены до разной длины: средний, как не подлежащий внешним соединениям - практически до нуля, а крайние - до минимума, позволяющего осуществить на них, например, при помощи пайки монтаж индуктивности L 4. Тем самым блок-схема по фиг. 1 оказывается реализованной в полном объеме.
Конструкция индуктивности L 4 в основных деталях аналогична распространенным конструкциям чип-индуктивностей для поверхностного монтажа на шпулевидных ферритовых сердечниках - за исключением того, что сердечник выполнен не с прямоугольным, а с круглым монтажным основанием, в котором имеются соединенные с обмоткой металлизированные пазы под крайние выводы гребенки. В итоге получается компактная конструкция ОНИ, ненамного превышающая по осевой длине корпус светодиода.
Если технические требования к ОНИ допускают существенное увеличение осевой длины, то, на начальных этапах освоения этих изделий, за пределами оболочки-корпуса 2, аналогично индуктивности L 4, может быть размещена вытянутая в осевом направлении печатная (пленочная) микроплата, на которой смонтирована вся - за исключением PhED - схема ОНИ, в т.ч. с заменой всех или части выделенных на фиг. 1 элементов ИС 1 дискретными компонентами. В качестве PhED может быть применен обычный сигнальный светодиод соответствующей конструкции, если будут экспериментально установлены его приемлемые характеристики в фотовольтаическом режиме (не обязательно на волне собственного излучения - в режиме преобразования полезен больший коэффициент поглощения света, чем в режиме излучения).
Описанный ОНИ в защищенном внешнем оформлении, рекомендуемом для торговых применений, изображен на фиг. 4-6. ОНИ 5 заключен в обойму-держатель 6, обеспечивающую удобство обращения с ними и его присоединение к маркируемым предметам (товарам). Обойма-держатель 6 представляет собой достаточно длинную (для размещения этикетки 7 с защитным рисунком, а также с текстовой информацией о товаре и/или с дополнительными штрих- и/или QR-кодами) пластмассовую пластину с внутренней полостью, с которой сообщаются два расположенных вдоль нее торцевых отверстия. Фронтальное (нижнее по фиг. 4, 5) торцевое отверстие - переменного диаметра: максимального внизу (на выходе), минимального в центре (на узком пояске), и среднего вверху (на входе внутрь). Эти диаметры соответствуют габаритным и присоединительным размерам ОНИ 5, который через внутреннюю полость введен в отверстие до упора в поясок, и прочно зафиксирован там заливкой полимерного клея или компаунда 8. Диаметр фронтального отверстия в выходной части настолько больше диаметра оболочки-корпуса 2 ОНИ 5, чтобы между ними оставался зазор, достаточный для сочленения с полым трубчатым световодом 12 в составе УЗЧ по фиг. 8 (описываемого далее).
Оформленный таким образом ОНИ прикрепляют к товару, в частности, продевая через него (обвязывая его) шнурок (шнурком) 10, далее заводя оба конца шнурка через тыльное торцевое отверстие (верхнее по фиг. 4, 5) во внутреннюю полость обоймы 6, и связывая их там надежным узлом. Проходное (например, овальное) сечение тыльного отверстия соответствует толщине шнурка 9: оно достаточно велико для того, чтобы концы шнурка можно было бы без особых затруднений ввести во внутреннюю полость, но достаточно мало для того, чтобы, завязав их узлом, шнурок было бы нельзя извлечь. Далее наклеивают этикетку 7, огибая обойму 6 и закрывая как внутреннюю полость с узлом на шнурке, так и фронтальное отверстие. Для лучшего качества наклеивания фронтальный (нижний по фиг. 4, 5) торец обоймы 6 закруглен. На сгибе этикетки 7 над фронтальным отверстием посредством лазерной перфорации нанесен крестообразный рисунок 10, механически ослабляющий этикетку 7 в этом месте так, чтобы при первом после наклейки сочленении с УЗЧ края фронтального отверстия обрамлялись бы изнутри четырьмя лепестками.
Выполненная и наклеенная, как описано выше, этикетка 7 благодаря особым качествам своего материала (самоклеящаяся пленка, которую, наклеив куда-либо, снять без видимых повреждений невозможно), обеспечивает эффективную защиту ОНИ от двух видов несанкционированных действий: перенос на другой предмет (индикаторы - нарушение целостности шнурка, повреждения рисунка и/или материала этикетки), и доступ к предварительно записанной информации с целью ее прочтения и/или изменения (индикатор - фронтальное отверстие открыто). ОНИ такого оформления (по принадлежности - электронные: жетоны, ярлыки, бирки, пломбы и т.п.) могут найти много применений не только в торговле, но и в других областях.
К описанному примеру конструктивно завершенного ОНИ с АсРОИ целесообразно привязать пример конструкции соответствующего ему УЗЧ, характерными особенностями которого являются общий канал для первичного и вторичного излучений и общая для режимов передачи и приема оптически активная диодная структура. Фронтальная панель такого УЗЧ (фиг. 7), подобно монетоприемникам торговых автоматов, содержит наклонную (из эргономических соображений) щель 11, в глубине которой имеются два штырька: выступающий полый штырек по центру - элемент сочленения с УЗЧ - трубчатый световод 12 с отражающей внутренней поверхностью, и относительно короткий штырек с краю - сенсор завершения сочленения 13.
По мере введения ОНИ по фиг. 4-6 в щель 12 УЗЧ по фиг. 7, 8, световод 12 прорывает крестообразные перфорации 10 этикетки 7 (если они не были прорваны заранее) и, раздвигая образовавшиеся 4 лепестка в стороны, укладывает их в виде обрамления краев фронтального отверстия. Дойдя до упора, световод 12 накрывает собой оболочку-корпус 2 ОНИ, а сенсор 13 вжимается внутрь корпуса 14 УЗЧ фронтальным торцом обоймы 6. Команда start, вырабатываемая при этом сенсором 13 (контактная система изображена для наглядности - реально предпочтительны бесконтактные сенсоры) запускает отработку электронной схемой УЗЧ 15 (изображенной, подобно схеме ОНИ на фиг. 1, в виде блока (заштрихованный прямоугольник) с выделенными элементами) команд в соответствии с протоколом обмена информацией между УЗЧ и ОНИ.
3
5
В схеме УЗЧ, так же как и в схеме ОНИ, для поддержания двунаправленного канала оптической связи использована общая для режимов передачи и приема оптически активная диодная структура из материала, например, группы AB, позволяющего ей работать как в светодиодном (излучательном), так и в фото диодном (преобразовательном) режимах 16. Однако УЗЧ в отличие от ОНИ активно, т.е. получает энергию извне по жгуту 17, связывающему его с адресатом/источником информации, например, кассовым терминалом или хост-компьютером. Поэтому ее энерговооруженность существенно выше, что позволяет, гибко адаптируя в текущий момент схему УЗЧ под режим, использовать, по существу, тот же PhED, что и в ОНИ, но со значительно большей эффективностью как в режиме передачи, так и приема.
Схема УЗЧ 15 содержит коммутатор 18 (изображенный для наглядности отдельным и контактно-механическим, а фактически - интегрированный и бесконтактно-электронный), поочередно присоединяющий структуру 16 к выходу out усилителя запросных сигналов 19 (в режиме передачи) или к входу in усилителя ответных сигналов 20 (в режиме приема). Поскольку оба эти усилителя получают электропитание от схемы 15, то они могут быть построены так, чтобы в режиме передачи на структуру 16 подавались бы импульсы тока, близкого к предельно допустимому, а в режиме приема структура 16 работала бы, подобно ОНИ, не в фотовольтаическом режиме, не отличающимся высокой чувствительностью, а в значительно более эффективных режимах - обратно смещенном или даже лавинном (такие возможности для известных светодиодных структур также целесообразно исследовать). Для коммутатора 18 возможен принцип построения, принятый в радиолокации: цепи приема и передачи ни в одном из режимов физически не разрываются, но в режиме передачи у приемника автоматически блокируется вход.
Другой, во многом - уникальный класс внешних оформлений, как для ОНИ, так и для УЗЧ с АсРОИ, может быть получен, если в качестве световода с общим каналом для первичного и вторичного излучений в одном из устройств применить жесткий волоконно-оптический блок, представляющий собой пучок параллельно уложенных волоконных световодов в общей защитной оболочке, заостренный и закругленный на внешнем конце, а в другом устройстве - оптически прозрачное окно с лункой соответствующего радиуса закругления, предназначенной для касания концом световода первого устройства.
Световод в виде жесткого волоконно-оптического блока изображен на фиг. 9 и фиг. 10 в поперечном и продольном разрезах соответственно. В нем можно выделить сердечник 21 - основу световода, состоящую из пучка параллельно уложенных стекловолокон, каждое из которых имеет стеклянное покрытие с пониженным показателем преломления (обеспечивающим эффект полного внутреннего отражения в стекловолокне), и защитную оболочку 22, например, металлическую трубку, между которой и пучком введен буферный слой (слои) 23, например, из анаэробного герметика с подслоем.
Сердечник 21 может быть изготовлен по технологии, применяемой для изготовления элементов электронно-оптических преобразователей (приборов ночного видения) - окон и микроканальных пластин. Уложенный в шахматном порядке пучок стекловолокон диаметра, большего, чем требуемый, спекают и в нагретом до температуры размягчения стекла состоянии многократно протягивают, в результате чего диаметр пучка уменьшается, а сечения исходных волокон из круглого переходят в близкие к шестиугольным. Отличие от базовой технологии состоит в том, что конечный диаметр пучка получают уменьшенным (~0,5÷1,0 мм). Полученные таким способом стержневые блоки разрезают на отрезки требуемой длины (~5 мм). Количество волокон - в связи с параллельной работой, выбирают из технологических соображений.
Оптически прозрачное окно второго устройства 24 имеет лунку, сопрягающуюся своим сферическим донышком с закруглением на конце световода, заостренного на конус. Края лунки - также конические, причем угол при вершине конуса лунки целесообразно выбирать на φ/2 большим, чем угол при вершине конуса световода, где φ - предельно допустимое угловое отклонение положения световода от нормального при касании лунки. Это способствует правильному сопряжению сферических поверхностей при вариациях в пределах телесного угла φ оси световода, вводимого в лунку (фиг. 10).
Конструкция ОНИ с АсРОИ по фиг. 3, модифицированная под применение для связи с ним такого световода, приведена на фиг. 11. Модификация затронула его оболочку-корпус 2 - теперь он оканчивается не выпуклым, а напротив, вогнутым торцом, в котором выполнена вышеописанная лунка. Угол при вершине конуса лунки выбран относительно малым, поскольку данный ОНИ при внешнем оформлении подлежит постоянному сопряжению со световодом - следовательно, здесь φ=0.
Внешнее оформление данного ОНИ в виде конического наконечника цифровой ручки (стилуса) приведено на фиг. 12. Основа оформления (точеный корпус) - металлическая втулка 25 в форме состыкованных конусов и цилиндров, оканчивающаяся оболочкой световода 22. Заостренный и закругленный внутренний (верхний по фиг. 12) конец сердечника световода 21 выпущен внутрь цилиндрической полости во втулке 25, внутрь которой до упора установлен ОНИ 5. В эту полость перед установкой ОНИ целесообразно ввести каплю исходного продукта прозрачного кремнийорганического эластомера, чтобы устранить воздушную прослойку между лункой и сердечником световода 21, а также надежно зафиксировать ОНИ 5. Далее туда целесообразно залить полимерный компаунд 8, окончательно закрепляющий ОНИ 5 во втулке 25, и - при особо высоких требованиях к внешним воздействиям, например к попаданию агрессивных жидкостей и/или морской воды - поставить и заварить по периметру металлический колпачок 26. Так могут быть получены рекордно стойкие конструкции ОНИ, сохраняющие работоспособность и в экстремальных условиях, например, на глубине под водой.
Монтаж ИС и диодной структуры (PhED) ОНИ с АсРОИ возможен и в параллельных плоскостях, что влечет за собой альтернативный класс конструктивных исполнений с другими возможностями. Здесь размеры кристалла ИС могут быть существенно больше, следовательно, такие исполнения предпочтительны, прежде всего, для ОНИ с более сложными функциями, в частности, подобно смарт-картам, с криптопроцедурами обмена данными.
PhED 3 установлен на перемычку-кристаллодержатель с отбортованными рефлектором краями первой выводной рамки 27, а ее левый консольный вывод соединен проволочной монтажной перемычкой с контактной площадкой PhED 3 (фиг. 13). ИС 1 установлена на перемычку-кристаллодержатель второй выводной рамки 28, а оба ее консольных вывода соединены проволочными монтажными перемычками с контактными площадками a и b ИС 1 (фиг. 14). Обе рамки сложены вместе тыльными сторонами в форме для опрессовки, в результате чего, в процессе сжатия формы перед впрыском компаунда, сформированы внутренние электрические соединения: цепь «общий» - кристаллодержателями, а цепь «контакт а ИС - PhED» - левыми консольными выводами выводных рамок (фиг. 15). При необходимости надежность внутренних контактов может быть повышена конденсаторной сваркой рамок в соответствующих местах перед закладкой их в форму. После формирования оболочки корпуса 2 ОНИ, технологические края обеих рамок обрублены с оставлением пары диаметральных консольных выводов с длиной, достаточной для присоединения обмотки индуктивного элемента L. В итоге получается исполнение ОНИ в виде таблетки малой осевой длины.
Одно из целесообразных внешних оформлений ОНИ в таблеточном исполнении - в виде открытого со стороны трубчатого хвостовика 29 головки 30 пустотелой заклепки или застежки (фиг. 16). Внутрь головки 30 помещен пластмассовый вкладыш 31 с центральным отверстием для ОНИ 5 и с диаметральными пазами под его консольные выводы. Индуктивный элемент 4 - на тороидальном ферритовом сердечнике, окружающем ОНИ 5, вложенный, в свою очередь, во вкладыш 31. Поскольку начало и конец обмотки индуктивного элемента 4 должны быть диаметрально противоположны, он составлен из двух встречно намотанных и параллельно включенных секций, каждая из которых занимает на сердечнике дугу в 180° (фиг. 17). В противном случае, начало и конец односекционной однослойной обмотки, равномерно распределенной по всему сердечнику, сошлись бы вместе, что для данной конструкции крайне нежелательно. Края головки 30, после проведения всех сборочных операций, завальцованы вокруг бортов хвостовика 29 (фиг. 16), в результате чего получена прочная и неразборная металлическая оболочка, надежно защищающая ОНИ 5 от любых механических повреждений. УЗЧ для ОНИ в таком оформлении должно быть выполнено в виде ручки (стилуса) с заостренным наконечником, входящим в трубчатое окончание хвостовика 29.
in
in
Мишень 32 ОНИ с СхРОИ (фиг. 18 - разрез) представляет собой пла-нарный фотодиод, выполненный в составе ИС 1 на основе монокристаллического кремния, например, с p-типом проводимости, на поверхности которой методами диффузии или эпитаксии сформирован n-слой. Поверх n-слоя, например, методом вакуумного напыления двуокиси индия-олова, нанесен первый полупрозрачный электрод 33. Этот электрод может быть выполнен, подобно обычным кремниевым фотопреобразователям, и в виде металлической гребенки (сетки), однако полупрозрачное проводящее покрытие обеспечивает равномерность отражения всей поверхностью мишени. Вывод электрода 33 является общим (для режимов приема и передачи), а входное (для схемы ОНИ) напряжение E, генерируемое при облучении этой структуры первичным излучением P, оказывается приложенным к массе кристалла ИС 1.
out
Все последующие структурные элементы являются дополнительными по отношению к базовой структуре фотодиода и формируются только в тех (пока - наиболее подготовленных к реализации) вариантах ОНИ с СхРОИ, в которых использованы не косвенные (схемные, электрические), а прямые (структурные, оптические) методы модуляции отраженного излучения. Главным из этих элементов является прозрачный оптически активный слой 34, например, из сегнетоэлектрика, в котором, благодаря Керр-эффекту, под действием электрического поля происходит вращение плоскости поляризации света. Для приложения управляющего поля предназначен второй (модуляторный) полупрозрачный электрод 35, на который подано выходное (от ОНИ) напряжение E. Поверх него может быть сформирован вспомогательный слой (слои) 36, например поляризационные, просветляющие и т.п.
in
r
r
out
in
a
Падающее (первичное) излучение P (для наглядности на фиг. 18 изображенное в виде наклонного луча) претерпевает поглощение в каждом из слоев описанной структуры мишени и отражение ото всех границ раздела материалов с разной оптической плотностью. Первое отражение происходит, естественно, на входе в мишень. Эта компонента отраженного излучения (P) является вредной - однако ее необходимо учитывать, поскольку на фоне P требуется детектировать полезную компоненту отраженного излучения P. Последняя формируется на большей глубине структуры путем отражения от первого полупрозрачного электрода 33 и прохождения (с модуляцией) через оптически активный слой 34. Основная доля падающего излучения P, однако, не отражается, а поглощается (рассеивается) в основании мишени, в особенности в p-n переходе (P), запуская там процессы фотогенерации носителей заряда, и, соответственно, фотовольтаического преобразования энергии.
in
out
Местоположение мишени на планарной поверхности ИС может быть различным, и в зависимости от этого различным и конструктивное исполнение монолитных ОНИ с СхРОИ. Если мишень 32 расположена на единой планарной поверхности со схемами энергонезависимой памяти ИС 1 по центру (фиг. 19), то получается компактное и наиболее простое в конструктивно-технологическом отношении исполнение ОНИ. Его подвариантом является краевое расположение мишени 32 (фиг. 20) - так могут быть выполнены, в частности, специализированные ОНИ, предназначенные для встраивания в лазерно-оптические диски (CD/DVD) с целью защиты содержащихся в них информации - более совершенные аналоги БкИМС согласно [10]. Поскольку УЗЧ для них является оптическая головка соответствующего дисковода, мишень 32 у них должна быть вытянута вдоль дугообразной траектории движения опрашивающего (лазерного) луча 37, а также сформированы вспомогательные оптоэлектронные элементы 38. Предельно миниатюризированные по площади ОНИ могут быть получены при расположении мишени на тыльной поверхности ИС 1 - противоположной той, на которой расположены схемы энергонезависимой памяти (фиг.21). E и E передаются по перемычкам 39 между элементами, расположенными с противоположных сторон кристалла.
Существенное упрощение технологии изготовления ИС ОНИ и расширение номенклатуры применяемых материалов возможно при вынесении, по меньшей мере, одного из дополнительных структурных элементов модулятора на прозрачную диэлектрическую подложку, несущую ИС, с подключением его (их) к схемным элементам методами сборки, применяемыми в гибридно-пленочной технологии. Пример конструктивного исполнения ОНИ, в котором все дополнительные структурные элементы модулятора - оптически активный диэлектрик (в данном варианте - жидкий) и полупрозрачный электрод - вынесены за пределы кремниевой ИС, обеспечивая возможность ее изготовления по базовой технологии, приведен на фиг. 22-24.
in
out
Мишень 32 такой ИС 1 - обычный фотодиод - связана с ее топологией (фиг. 21) только по генерируемому напряжению E. Выходное напряжение E, подаваемое на модулятор, выведено на внешнюю проводниковую рамку с четырьмя контактными площадками 40 по углам. Конструктивную основу (микрокорпус) такого ОНИ составляет прозрачная диэлектрическая подложка-капсула 41 чечевицеобразной формы, близкая по размерам и внешней конфигурации к рубиновым камням для наручных механических часов. Для наиболее ответственных применений капсула 41 может быть аналогична часовым камням и по материалу (искусственному рубину или лейкосапфиру), однако экономически наиболее целесообразным материалом капсулы представляется термопласт на основе прозрачного поликарбоната высокой прочности и размерной стабильности, применяемый для изготовления основ лазерно-оптических дисков (CD/DVD). В последнем случае литьевым прессованием в многоместных формах, достаточно просто может быть реализована и конфигурация полости в капсуле 41 - цилиндрического углубления с четырьмя контактными выступами (столбиками) 42 в плоскости дна, расположенными аналогично расположению контактных площадок 40 в топологии ИС 1 и равными по высоте заданной толщине оптически активного слоя 34 (фиг. 23, 24).
out
Слои модулятора (основной слой, электропроводный - 35, и, при необходимости, вспомогательный, в частности, поляризационный подслой - 36) последовательно нанесены на дно полости в капсуле 41, захватывая и выступы 42, после чего на них, с помощью ультразвуковой сварки, контактными площадками 40 установлена ИС 1. Оптически активный жидкий диэлектрик, в частности, жидкокристаллический материал 34, введен в виде капли с одного из краев ИС 1, и, будучи втянутым силами поверхностного натяжения в капиллярный зазор между планарной поверхностью ИС 1 и дном капсулы 41, оказался между двумя электродами, первый из которых - поверхность мишени («общий» по фиг. 18), а второй - полупрозрачный электрод модулятора 35, находящийся, благодаря соединениям выступов 42 с площадками 40, под потенциалом E. Таким способом сформирован ОНИ, являющийся продуктом базовых технологий не только по ИС, но и по модулятору - фактически, единичному пикселю серийно выпускаемых LCoS (Liquid-Cristal-on-Silicon) микродисплеев, применяемых в компьютерных мониторах в виде очков.
ОНИ окончательно оформлен и надежно загерметизирован путем последовательной установки в полость капсулы 41, до упора в тыльную поверхность кристалла ИС 1, эластичного микропористого диска 43, компенсирующего сравнительно высокий (относительно твердых тел) температурный коэффициент объемного расширения жидкого диэлектрика 34, и фольгового диска 44, обеспечивающего герметичность. Диск 44 зафиксирован в полости капсулы 41 нанесенной поверх него каплей диэлектрического компаунда 8.
Миниатюрные ОНИ, внешне подобные часовым камням, можно устанавливать в оснащаемые предметы (от ответственных автомобильных или авиационных запчастей и изделий медицинского назначения, для которых целесообразна не только защита от контрафакта, но и ведение электронного формуляра, до ювелирных изделий/предметов бижутерии, которые попутно можно использовать как резервный - всегда находящийся при владельце - носитель личных/медицинских данных и/или электронное средство платежа) способом, подобном применяемому в часовом производстве. В предмете 45, изготовленном из металла или высокопрочного термопластичного полимера, выполняют глухое отверстие соответствующих размеров в виде обоймы (каста) 46 с бортами для завальцовки 47 (фиг. 25). В него вкладывают загерметизированную капсулу 41 собранного и протестированного ОНИ, после чего борта 47 обжимают (завальцовывают), надежно предохраняя тем самым ОНИ от выпадения (фиг. 26). Если предмет 45 - ювелирное изделие, то отверстие 46 может быть выполнено в виде каста, подобного кастам для его остальных (декоративных) вставок, а внешней поверхности обоймы 41 ОНИ также придана декоративная, например, ограненная форма в виде страза.
УЗЧ для ОНИ с СхРОИ (фиг. 27) могут быть выполнены в виде конического наконечника цифровой ручки (стилуса), подобного исполнению ОНИ с АсРОИ, приведенному на фиг. 12. Основа оформления (точеный корпус) - близкая по форме к вышеописанной металлическая втулка 25 в форме состыкованных конусов и цилиндров, оканчивающаяся оболочкой световода 22 в виде отрезка жесткого волоконно-оптического блока, представляющего собой пучок параллельно уложенных волоконных световодов. Световод зафиксирован во втулке 25 диэлектрическим компаундом 8. Отличие состоит в том, что световод 22 на своем внутреннем конце содержит хвостовик 48 с сечением, меньшим сечения его основной части. Он пропущен через прозрачную призму 49 с металлизированной поверхностью, обеспечивающей отражение света, попавшего внутрь призмы через ее нижнюю грань. К последней примыкают торцы волокон, находящихся в кольцевой периферийной зоне световода 22, которая предназначена для канализирования вторичного (ответного) излучения ОНИ. Это излучение (условно обозначенное стрелками), отражаясь от отклоненной на 45° верхней грани призмы 49, поворачивает на 90° и, пройдя через поставленную на его пути (при необходимости) вспомогательную систему линз 50, попадает на световоспринимающую поверхность приемного прибора 51, формирующего входной сигнал in для схемы УЗЧ.
Система линз 50 необходима в случаях, когда световоспринимающая поверхность приемного прибора 51 - матричная, причем изображение периферийной зоны световода 22 должно быть на ней сфокусировано, например, при наличии как опции режима работы УЗЧ в качестве компьютерной мыши.
Передающий прибор 52, например светодиод, в исполнении, предназначенном для торцевого сопряжения с волоконно-оптической линией связи, установлен на торце хвостовика 48, и на него подан выходной сигнал out со схемы УЗЧ. Из приведенной на фиг. 27 конструктивной схемы очевидно, что излучение передающего прибора 52 не может попасть на приемный прибор 51 иначе, чем выйти наружу по сердцевине световода 21, отразиться от чего-либо, на что внешний конец световода 21 опирается или куда он направлен, и, рассеявшись при отражении, вновь вернуться внутрь по его периферии уже в качестве вторичного излучения. Тем самым задача пространственного разделения в УЗЧ запросных и ответных сигналов решена.
Из этой же конструктивной схемы следует, что край левой (по фиг. 27) части периферийной зоны световода 21, отражаясь на световоспринимающей поверхности приемного прибора 51, оказывается в тени хвостовика 48. Это является недостатком данного простейшего варианта УЗЧ - но для большинства применений не существенным, поскольку, с учетом отражения вторичного излучения и от также металлизированных фронтальной и тыльной (параллельных плоскости чертежа) граней призмы 49, реальные потери его энергии оказываются незначительными. Однако если это нежелательно или недопустимо - например, при работе УЗЧ в режиме компьютерной мыши, требующем детального распознавания образа периферийной зоны световода 21 - призму 49 с одной наклонной зеркальной гранью следует заменить на пирамидку с рядом таковых, установить напротив каждой из зеркальных граней по приемному прибору, и процессорной частью схемы УЗЧ обрабатывать формируемые ими электронные образы периферийной зоны световода совместно.
Информационное взаимодействие взаимодополняющих оптоэлектронных устройств рассмотренным выше способом ближней оптической связи поясняется на примере ОНИ и УЗЧ с СхРОИ фиг. 28 (см. реферат), скомпилированном из элементов фиг. 22, 23 и 27. Указанные устройства изображены в разных масштабах - более мелкий ОНИ значительно крупнее, чем УЗЧ - и между ними для наглядности растянут нулевой на практике зазор, в котором следуют кванты электромагнитного излучения hv. Необходимо также иметь в виду, что показанное соосное расположение ОНИ и УЗЧ - лишь один из возможных вариантов, не являющийся обязательным (см. фиг. 10).
Поскольку РОИ как в синхронном, так и в асинхронном вариантах - функционально подобен однопроводной двунаправленной сигнальной линии, связывающей ТМ и TP, то и в основу протокола обмена данными между ОНИ и УЗЧ могут быть положены известные принципы, описанные в [2].
Однако прямое заимствование этих принципов нецелесообразно, поскольку ряд специфических особенностей РОИ требует, по меньшей мере, их существенной переработки. В частности, известный протокол состоит из трех основных циклов - инициализации (опознавания), записи и чтения. Для РОИ цикл инициализации в аналогичном виде не требуется, поскольку стартовая команда в УЗЧ вырабатывается соответствующим датчиком. Вряд ли следует сохранить и применяемый в известном протоколе широтно-импульсный метод кодирования информации - возможно, что фазоимпульсный метод, при котором все световые импульсы имеют одинаковую ширину (длительность), и несут равные порции энергии, окажется предпочтительным.
С другой стороны, такие, в частности, принципы, как прием и передача данных в течение дискретных временных интервалов - сегментов, а также контроль их целостности с использованием циклически избыточных кодов (CRC), целесообразно сохранить. Разнесение циклов приема и передачи данных по разным сегментам снимает кажущееся противоречие между одновременностью следования запросных и ответных сигналов, в особенности, через СхРОИ, и тем, что обработка в ОНИ запросной информации и выработка ответной требуют времени. Для любого вида РОИ запросным сигналом, посылаемым из УЗЧ в ОНИ при ответе последнего, является несущая только энергию, но не информацию последовательность синхроимпульсов (стробов), в течение каждого из которых УЗЧ ожидает поступление очередного разряда заранее сформированного ответного двоичного кода. Кодированный запрос поступает из УЗЧ в ОНИ в другом сегменте, когда последний работает только на прием. Кроме того, обмен данными через РОИ между ОНИ и УЗЧ также может сопровождаться нарушением оптического контакта, как между ТМ и TP может произойти нарушение электрического контакта. Поэтому контроль целостности принимаемых данных, в том или ином виде, необходим.
Для большинства потенциальных областей применения целесообразно, чтобы энергонезависимая память ОНИ была разделена на сектора с разными атрибутами доступа - такими, например, как Read Only (RO), Add Only (AO) и/или Read and Write (RW). В частности, в сектор RO в процессе изготовления ОНИ целесообразно записывать их серийные номера - уникальные кодовые комбинации, которые невозможно изменить извне. Это обеспечит каждому ОНИ некопируемость - необходимое условие безопасности при использовании однотипных приборов в целях идентификации/аутентификации объектов (предметов) или субъектов (пользователей).
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Touch Memory - электронный ключ - идентификатор. Глоссарий систем безопасности.
http://www.polyset.ru/glossary/Touch_Memory. php
2. Touch Memory - электронный идентификатор. Статьи по электронике. http://kazus. ru/articles/60. html
3. RFID радиочастотная идентификация. Технология RFID. http://rfid-ru.ru
4. RFID и альтернативные методы автоматической идентификации. http://ru. wikipedia. org/wiki/RFID
5. Что такое смарт-карта? http://guarda.ru/guarda/data/card/txt_09.php
6. Near Field Communication.
http://ru. wikipedia. org/w/index.php? title=NFC
7. Цифровая ручка. http://www.3dnews.ru/2182/print
8. Infrared Data Association.
http://ru.wikipedia.org/w/index.php? title=IRDA
9. Антонов B.B., Вилисов A.A. и др. Полупроводниковый оптоэлектронный прибор. Патент России на изобретение RU №2032965.
10. Конявский В.А., Лившиц В.И. Бесконтактная интегральная микросхема. Патент России на изобретение RU №2245591, см. тж. международная заявка РСТ №WO 2006/036080.