Оптические логические элементы

Для создания цифровой машины принципиально уметь строить основные логические элементы И, ИЛИ, НЕ. Ниже рассматрены основные принципы, предлагаемые сегодня для построения таких элементов, управляемых светом.

Волноводные логические элементы

Волноводный модулятор представляет собой интерференционный прибор, осуществляющий амплитудную модуляцию входного оптического сигнала, представляющего собой линейно поляризованное световое излучение лазера. Входной волновод модулятора разветвляется на два параллельных канала, которые затем снова сливаются, образуя выходной волновод. Волновод изготавливается из материала, обладающего электрооптическим эффектом. Обе ветви волновода симметричны, поэтому входной световой сигнал на разветвлении делится на две равные по амплитуде волны, которые далее распространяются по параллельным каналам с относительным сдвигом фаз. Разность фаз этих волн определяется электрическим напряжением, приложенным к управляющим электродам. Логическая "1" отождествляется со значением напряжения U0, а двоичный "0"- с нулевым потенциалом. Таким образом, если напряжение U0 приложено к четному числу управляющих электродов, то волны, сходящиеся в выходном разветвлении усиливают друг друга, образуя выходной оптический сигнал с амплитудой, практически равной амплитуде входного сигнала, который принимается за единичный сигнал. В противном случае волны практически полностью гасят друг друга, образуя нулевой выходной сигнал.

Условные обозначения волноводных логических устройств:

Оптический транзистор (трансфазор)

Трансфазор редставляет собой оптический аналог электронного транзистора и является оптически бистабильным прибором, способным переключаться в одно из двух четко различимых состояний за время, измеряемое пикосекундами. Он может иметь такие же малые раэмеры, как и электронный транзистор. Для поддержания бистабильного состояния в трансфазоре требуется мощность порядка 10 мВт и энергия переключения порядка 10 фемто Дж. На основе трансфазора реализуется функционально полная система логических элементов, из которых можно строить любые логические схемы и функциональные узлы вычислительных машин.

Для образования основных логических элементов И, ИЛИ и НЕ в оптических компьютерах можно использовать бистабильные оптические устройства. Такое устройство представляет собой резонатор Фабри-Перо, заполненный нелинейным веществом (например антимонид индия - InSb). Показатель преломления данного вещества зависит от интенсивности падающего пучка, поэтому на выходе можно получить два стабильных состояния, одно из которых условно принимается за "0", а другое за "1".

Один и тот же трансфазор (оптический транзистор) может служить как элементом И, так и элементом ИЛИ, в зависимости от подведённых к нему пучков. Если два падающих пучка подобраны так, что ни один из них сам по себе не способен переключить трансфазор, а оба вместе обладают достаточной интенсивностью для его переключения, то образуется оптический элемент И. Если же падающие пучки подобраны так, что любой из них способен переключить трансфазор, образуется оптический элемент ИЛИ. Элемент НЕ можно создать, используя в качестве выходного сигнала отражённый пучок. Так как он является инверсией прошедшего пучка, то повышение интенсивности падающего пучка приводит к снижению интенсивности на выходе и наоборот (смотри рисунки).

Резонатор Фабри-Перо

В качестве бистабильного оптического элемента применяется резонатор Фабри-Перо, заполненный нелинейной средой, показатель преломления которой n зависит от интенсивности I по закону: . Прозрачность резонатора T зависит от фазового набега между зеркалами :

В резонаторе, заполненном нелинейной средой, полный фазовый набег зависит от интенсивности:

где - констата, . Cхема совместного решения уравнений (1) и (2) представлена на рисунке (a).

Пересечение прямой с наклоном с кривой пропускания резонатора дает положение рабочей точки - результат совместного решения (1) и (2). Прослеживая за изменением положения рабочей точки при изменении входной мощности Iвх, можно построить зависимость , приведённую на рисунке (б):

Среда, заполняющая резонатор, и имеющая кубическую нелинейность, характери- зуется двумя важными параметрами: величиной нелинейного коэффициента n2 и временем релаксации нелинейного отклика Tнл (инерционностью).

На рисунке (в) систематизированы экспериментальные данные по различным нелинейным материалам:

Из рисунка видно, что вещества обладающие сильной нелинейностью, имеют достаточно большое время переключения, поэтому выбирают вещества с наиболее оптимальными значениями n2 и Tнл (обведены кружками).

Схематически интерферометр Фари-Перо изображён на рисунке:


Оптические процессоры