книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики
..pdf
но-временных модуляторов света и волоконно-оптических элементов. Алгоритм обработки информации подобен алгоритму в универсальных компьютерных программах, предназначенных для использования в высокопроизводительных комплексах.
9.1.ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
9.1.1.Оптические логические устройства на основе оптической бистабильности1
Полный набор полностью оптических логических устройств для синтеза более сложных блоков ОК реализуется, например, на основе пассивных нелинейных резонаторов-интерферометров, в которых в результате светоиндуцированного изменения оптической длины происходит сдвиг пика пропускания (резонанса) относительно длины волны падающего излучения. В зависимости от начального положения пика пропускания и начальной интенсивности в пассивном нелинейном резонаторе нелинейный процесс завершается установлением одного из двух устойчивых состояний пропускания (отражения) падающего излучения.
На рис. 9.1, а и рис. 9.2, а приведены передаточные характери-
стики бистабильного интерферометра (БИ). Это зависимости интен-
сивности выходного сигнала (отраженного Iотр и прошедшего Iпр) от интенсивности сигнала на входе Iвх, складывающегося из сигнала подсветки I0 и информационного сигнала I1, или I1 и I2. Если I0 I1 Iвкл
(порогу переключения), то происходит переход системы из состояния 1 с высокой интенсивностью на выходе в состояние 0 с низкой интенсивностью на выходе (см. рис. 9.1, а), или наоборот (см. рис. 9.2, а). Гистерезис, характерный для оптической бистабильности, в данном случае не обязателен. Важно лишь обеспечить достаточно большой перепад между высокой и низкой выходными интенсивностями по отношению к изменению входной интенсивности, вызвавшей этот перепад.
Элемент НЕ реализуется с использованием отраженного от БИ потока (рис. 9.1, б). Интенсивность Iвх устанавливается несколько ниже порога переключения Iвкл, что соответствует высокой интенсивности отраженного сигнала. Незначительная добавка I1 приводит к резкому уменьшению интенсивности Iотр, а снятие I1 – к восстановлению высокого уровня Iотр.
1 По материалам работы [1].
191
а |
б |
Рис. 9.1. Передаточная характеристика БИ в отраженном пучке (а) и схема с логической функцией НЕ (б)
а |
б |
Рис. 9.2. Передаточная характеристика БИ в проходящем пучке (а) и схема устройства с логическими функциями И, НЕТ, ДА (б)
На рис. 9.2, б дана схема устройства, представляющего оптически программируемый элемент процессора, в котором вид логической операции задается значением интенсивности подсветки I0. На БИ кроме подсветки подаются еще два информационных пучка I1 и I2 и на выходе рассматривается интенсивность проходящего пучка. Если интенсивность подсветки выбрана такой, что I0 Iвкл 0,5I1 (см. рис. 9.2, а), то наличие сигнала хотя бы в одном из информационных пучков переводит элемент в единичное состояние для проходящего луча (логическая функция ИЛИ). При установке I0 Iвкл 1 5I1 элемент включает-
ся лишь при одновременной подаче сигнала 1 в обоих информационных каналах (функция И). Если выполняется условие I0 Iвкл I1 I2 ,
то при любой комбинации состояний I1 и I2 на выходе имеет место низкий уровень интенсивности (функция НЕТ). Наконец, при I0 Iвкл
БИ всегда остается при включенном состоянии (функция ДА). Для отраженного потока в этой же схеме обеспечиваются также функции ИЛИ – НЕТ и И – НЕТ.
192
Такой набор элементов является достаточным для синтеза более сложных блоков. На рис. 9.3 даны некоторые примеры организации взаимодействия между отдельными элементами. БИ с гистерезисной зависимостью (см. рис. 9.3, а) действует как оптический триггер с раздельными инверсными входами и выходами (см. рис. 9.3, б).
а |
б |
Рис. 9.3. Передаточная характеристика бистабильного интерферометра с гистерезисной зависимостью (а) и схема триггера с раздельными инверсными входами и выходами (б)
Чтобы получить RS-триггер, один из входных сигналов в схеме рис. 9.3, б необходимо инвертировать (RS-триггер имеет два входа и два устойчивых состояния, которые меняются под действием входных сигналов, при этом обязательно попеременно то с одного, то с другого входа). Инвертирование можно сделать с помощью дополнительного элемента НЕ (рис. 9.4, а). В исходном состоянии интенсивность I2 выбрана чуть ниже порога переключения элемента НЕ и уровень сигнала, отраженного в направлении БИ1, высокий. Его сумма с начальной интенсивностью I1 за счет регулировки последней соответствует примерно центру области гистерезисной петли. БИ1 находится в состоянии с низким пропусканием (выключен). Манипуляции интенсивностью пучка I2 (R-вход) не могут изменить это состояние. Кратковременное же увеличение интенсивности I1 (S-вход) приводит к включению БИ1. После этого ближайшим по времени всплеском сигнала I2 триггер опрокидывается в исходное состояние.
RS-триггер реализуется также и на основе двух «скрещенных» устройств с функциями НЕ (рис. 9.4, б). Введенная в систему жесткая положительная обратная связь приводит к тому, что первый из элементов устойчиво находится во включенном состоянии, если второй в выключенном, и наоборот. По сравнению с предыдущей, эта схема полностью симметрична, но требует более тщательной юстировки.
193
а |
б |
Рис. 9.4. Схемы оптических RS-триггеров:
а– инвертирование дополнительным элементом НЕ;
б– симметричная схема с двумя функциями НЕ
Типы бистабильных устройств. Основными критериями, опре-
деляющими практическое использование оптических логических устройств в вычислительной технике, являются их высокое быстродействие и малая световая энергия (мощность), необходимая для перевода устройства из одного устойчивого состояния в другое. Для нелинейных пассивных резонаторов эти характеристики определяются в первую очередь величиной светоиндуцированного изменения показателя преломления нелинейной среды, помещенной между зеркалами резонатора, и добротностью последнего. С учетом необходимости ин- тегрально-оптического исполнения оптических логических элементов указанным критериям наилучшим образом отвечают полупроводниковые материалы и структуры на их основе.
Одной из таких структур являются вакуумно-напыленные тонко-
пленочные полупроводниковые интерферометры (ТПИ). Например,
ТПИ с промежуточными слоями из ZnS, ZnSe обладают сильной оптической нелинейностью тепловой природы ( n ~ 10 2 ) при потоках излучения ~10 мВт, способностью работать в непрерывном режиме при комнатной температуре, малыми размерами отдельного бистабильного элемента (толщина 0,5–2 мкм, диаметр 4–50 мкм), возможностью формировать двумерные интегрально-оптические схемы на площади ~102 см2 , свободой выбора длин волн излучения в видимой области
спектра. Основным недостатком ТПИ с тепловым механизмом нелинейности является ограниченное быстродействие (время переключения ~(10–7–10–8) с). Использование оптической нелинейности электронной природы в ТПИ на основе GaAs, InP, ZnSe и других полупроводниковых слоев позволяет достигать пикосекундного быстродействия в та-
194
ких устройствах при удельных энергиях переключения устойчивых состояний ~(10–13–10–15) Дж/мкм2.
Увеличение нелинейного отклика в полупроводниковых резонаторах и их быстродействие достигаются также при использовании в качестве нелинейной среды специальной структуры, сформированной тонкими чередующимися слоями двух полупроводниковых материалов (например, GaAs и GaAs/GaxAl1 xAs ). Границы раздела между
слоями являются гетеропереходами, представляющими собой потенциальные барьеры для движения носителей зарядав соседних слоях. При полной оптической толщине такой структуры, равной нескольким /2 ( – длина волны излучения), толщины отдельных слоев в ней имеют величину ~5–20 нм и, следовательно, число чередующихся пар слоев может быть ~100 и более.
Сформированная полупроводниковая сверхрешетка имеет период, сравнимый с характерными размерными параметрами квантовомеханического движения носителей заряда в полупроводниках, что приводит к ограничению этого движения в соответствующих направлениях. В результате в энергетическом спектре сверхрешетки возникают особенности, обусловливающие отличие оптических характеристик такой полупроводниковой структуры от характеристик исходных полупроводниковых материалов. В сверхрешетке формируется сильная оптическая нелинейность при комнатных темпеpaтураx.
Бистабильные интерферометры, использующие нелинейное изменение показателя преломления в экситонной области спектра в промежуточном слое на основе GaAs/GaxAl1 xAs, – это сверхрешетки,
обладающие значениями времени переключения ~(10 8 –10 9 ) с и удельной энергии переключения ~(10 12 –10 14 ) Дж/мкм2 . Однако тех-
нология изготовления широкоапертурных БИ на основе сверхрешеток достаточно сложна.
Для создания оптических логических элементов наряду с резонаторными используются также безрезонаторные системы, в которых бистабильный отклик обусловлен нелинейным изменением коэффициента поглощения среды на длине волны падающего излучения (безрезонаторная бистабильность). Среди таких устройств лучшими характеристиками обладают бистабильные элементы, созданные на основе сверхрешеток и стеклянных матриц, допированных полупроводниковыми микрокристаллами размером ~(10–100) нм.
195
Таким образом, принципиально возможна реализация компьютеров полностью оптических, в которых используется как параллельная обработка информационных потоков широкоапертурными процессорами на основе бистабильных оптических элементов, так и оптические средства организации связей между отдельными элементами
ипроцессорами, в том числе с использованием статистических и динамических голограмм.
Концепция полностью ОК, по-видимому, наиболее адекватно соответствует естественной ситуации, поскольку человек, являясь конечным потребителем информации, наибольший ее объем получает в форме оптических образов.
9.1.2.Первые цифровые оптические компьютеры
В1984 г. Б. Дженкинс из университета Южной Калифорнии продемонстрировал первый цифровой оптический компьютер, выполнявший достаточно сложную последовательность команд. Основным элементом компьютера являлся жидкокристаллический пространственный модулятор, на заднюю поверхность которого был нанесен фотопроводник. При падении света на фотопроводник локально изменялся потенциал, воздействующий на жидкий кристалл
иприводящий к изменению пропускания элемента. С использованием управляющего луча с одной стороны устройства и считывающего луча с другой стороны возможно создание бистабильного логического элемента и реализация булевской логики. Следует отметить, что быстродействие данного устройства определялось инерционностью жидкого кристалла и граничная частота следования импульсов составляла ~1 МГц.
В80-е гг. прошлого века интенсивно работали над созданием полностью оптических компьютеров нового поколения. В 1990 г. компания Bell (Bell Labs) создала макет первого оптического компьютера
(рис. 9.5).
Основу процессора разработанного оптического компьютера составляли двумерные матрицы бистабильных элементов (размерностью
4 8) на основе квантово-размерных полупроводниковых структур, обладающих нелинейными электрооптическим свойствами (SEED, Self- Electro-Optic-Effect Devices – устройствосэлектрооптическимэффектом).
196
Рис. 9.5. Макет цифрового оптического устройства фирмы Bell [7]
SEED был разработан в 1986 г. и представлял собой p–i–n-фото- диод, состоящий из GaAlAs p- и n-областей. Слаболегированная i-об- ласть состояла из 100 чередующихся слоев GaAs и GaAlAs толщиной по 95 нм, образуя структуру множественных квантовых ям. В элементе SEED обратная связь осуществлялась за счет приложения электрического поля к квантово-размерной структуре, причем само поле возникало при прохождении через структуру светового излучения. Нелинейное пропускание элемента SEED связано с уменьшением экситонного поглощения вследствие смещения пика экситонного поглощения из-за квантового эффекта Штарка. SEED обладал двумя стабильными состояниями при заданном уровне мощности падающего излучения, включение которых определялось предысторией ранее проводившейся засветки, и являлся оптическим бистабильным устройством.
В симметричном SEED (S-SEED, рис. 9.6), состоящем из двух p–i–n-фотодиодов, которые включены последовательно в питающую цепь, при освещении одного из диодов в цепи возникал ток, который вызывал падение напряжения на структуре сверхрешетки и приводил к увеличению пропускания света через вторую структуру. Таким образом, возникала положительная обратная связь, и совокупность этих элементов могла образовать логические ячейки ИЛИ–НЕ, ИЛИ–И и т.д.
Первый оптический компьютер состоял из четырех каскадов и располагался на оптической плите размером 1 1 м2 (см. рис. 9.5). Пространственное распределение излучения на выходе каждого из каскадов компьютера определялось состоянием входящей в его состав жидкокристал-
197
лической маски, управляемой обычным компьютером, и распределением света на его входе. Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером через голографическую решетку Даммена. Мощность излучениялазерасоставила10 мВт, длина волны850 нм.
Рис. 9.6. Оптический логический элемент S-SEED [7]
Важным достоинством первого оптического компьютера явилась возможность последовательного объединения его отдельных каскадов благодаря искусственному аналогу эффекта внутреннего усиления.
Параметры системы были следующие: разрядность – 32 бита (массив 4 8); логика – бинарная; тактовая частота – 1,1 МГц (определялась быстродействием ЖК-маски); число переключений в секунду – 40 Мб/c. Одним из достижений данного процессора была величина энергии на одно переключение, которая составляла 20 фДж и была на шесть порядков меньше величины энергии переключения в электронных компьютерах того времени.
Второе поколение оптических цифровых компьютеров представле-
но компьютером DOC-II (Digital Optical Computer), разработанным в научно-исследовательской фирме США Opticomp Corporation. В DOCII (рис. 9.7) использован принцип векторно-матричного умножения, однако вектор и матрица являются булевскими логическими. В данном устройстве входной поток данных образовывался излучением линейки 64 независимо модулируемых полупроводниковых лазеров с длиной волны 837 нм. Свет от каждого лазера линейки отображался на одну строчку матричного пространственного модулятора света размером 64 128 элементов. Отдельный элемент матрицы представлял собой акустооптическую брэгговскую ячейку на основе полупроводника GaP. Свет, выходящий из рядов пространственного модулятора, попадал на линейку из 128 лавинных фотодиодов.
198
Рис. 9.7. Оптический компьютер DOC-II
DOC-II имел 64 128 = 8192 межсоединения и работал на частоте передачи данных 100 Мб∙с–1, что соответствовало 0,8192 1012 переключениям в секунду. Энергия на одно переключение составляла 7,15 фДж (~30 000 фотонов). Для иллюстрации быстродействия представим, что нужно найти какое-то слово в тексте. Типичный современный персональный компьютер Duron 1,6/256 MB/Win XP SP1 на поиск слова в документе Win Word, состоящем из 953 страниц текста, тратит чуть больше 3 с (а именно 3,175 с), в то время как оптический компьютер DOC-II просматривает за 1 с 80 000 страниц обычного ASCII-текста.
Принципиальным недостатком макетов первых оптических компьютеров являлась неинтегрируемость их отдельных компонентов.
В конце 90-х гг. прошлого века велись работы по созданию интегрального модуля оптического компьютера с логической матрично-
тензорной основой, названного HPOC (High Performance Optoelectronic Communication) (рис. 9.8). В устройстве планировалось использовать входную матрицу VCSEL-лазеров (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser – лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором), соединенную планарными волноводами и обычной оптикой с матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов и выходную систему, состоящую из матрицы лавинных фотодиодов, совмещенную с матрицей вертикально-излучающих диодов. В модуле используются технологии CMOS, Bi-CMOS, GaAs, оптические межсоединения организованы с использованием свободного распространения световых пучков. В итоге получается квазичетырехмерная структура. Опытные образцы показали производительность 4,096 Тб∙с–1, а оценки показывают, что данная система способна развить скорость 1015 операций в секунду с энергией менее 1 фДж на одно переключение.
199
Рис. 9.8. Интегральный процессор на основе высокопроизводительной оптоэлектронной связи (HPOC)
Однако в связи с мировым кризисом фотоники и рынка волоконных линий связи работы были прекращены. В 2005 г. фирма Opticomp Corporation разработала новый интегральный оптический элемент, состоящий из матрицы VCSEL-лазеров и фотодетекторов, соединенных волноводом, и планирует использовать данные устройства как для обработки информации, так и для создания сверхбыстрых переключателей в сверхплотных волоконных линиях связи.
9.1.3. Аналоговые оптические вычисления
Когда речь идет об аналоговых оптических компьютерах, часто термин «аналоговый» употребляется в двух значениях. Во-первых, он означает непрерывную величину, характеризующую каждую точку в окружающем пространстве (например, интенсивность света). Другими словами, какую бы точку в пространстве мы ни взяли, интенсивность света в этой точке изменяется непрерывно. Во-вторых, термин «аналоговый» означает, что объектом являются все точки непрерывных координат, а не дискретное (точечное) представление всей информации в окружающем пространстве, как это делается при обработке изображений в современных компьютерах.
Рассмотрим основные методы аналоговых вычислений, производимых в аналоговых оптических компьютерах, с использованием законов оптики. На рис. 9.9 показано, как с помощью светового луча выполняются операции сложения и умножения [1].
200