Оптические элементы памяти

В основе оптических ЭП лежит явление оптической бистабильности.

Оптическая бистабильность –самовоздействие света в нелинейных системах с обратной связью. Определенной интенсивности и поляризации падающего излучения соответствуют двавозможных устойчивых стационарных состояния поля прошедшей волны, которые отличаются амплитудой или параметрами поляризации.

Именно обратная связь в нелинейных системах является причиной возникновения области значений параметров интенсивности и поляризации падающего излучения, для которой передаточные характеристики выходной интенсивности степени эллиптичности , и угла наклона главной оси эллипса поляризации неоднозначно зависят от характеристик падающего излучения . Если двум фиксированным значениям падающего излучения соответствуют два стационарных состояния поля прошедшего излучения . Тогда в этой области параметров в оптической системе реализуется оптическая бистабильность. Наряду со стационарными состояниями в нелинейной системе с обратной связью могут возникать режимы устойчивого, периодического, субгармонического и хаотического изменения интенсивности поляризации света.

Амплитудная бистабильность в пассивном кольцевом оптическом резонаторе.

В кольцевом оптическом резонаторе (ОР), содержащем изотропную нелинейную среду, возникает дисперсионная оптическая бистабильность, если от интенсивности света зависит показатель преломления среды.

Предположим,что поляризация света неизменна в оптическом резонаторе, когда длительность падающего импульса много больше времени обхода ОР и времени релаксации нелинейности .

Изменение медленно меняющейся амплитуды линейно поляризованной волны в нелинейной непоглащающей среде, помещенной в оптический резонатор описывается уравнением

(1)

Где -групповая скорость, -волное число, -линейный показатель преломления. Зависящая от интенсивности нелинейная добавка к , удовлетворяет релаксационному уравнению

(2)

Где -константа среды.

В кольцевом оптическом резонаторе см рис 3. линейно поляризованное излучение, проходя через входное зеркало, с коэффициентом отражения r, падает в точке z =0 на нелинейную среду длины l.

Рис3 Схема кольцевого резонатора.

Пройдя через неё, оно частично отражается от выходного зеркала с коэффициентом отражения r, полностью от двух других зеркал и снова попадет в среду.

Интегрируя уравнения (1) и (2) и учитывая граничные условия в т z =0 получаем систему уравнений для поля на входе в среду и для нелинейного изменения фазы при прохождения светового импульса через ОР.

(3)

Здесь -амплитуда падающей волны

. - Полная длина ОР.

В стационарном режиме система уравнений (3) сводится к трансцендентному уравнению для поля в оптическом резонаторе. (, )

(4)

Уравнение (4) решается графически представлением в виде системы уравнений для коэффициента пропускания и полного изменения фазы Ф.

(5)

Первое уравнение (5) описывает кривую пропускания рис2а. Второе уравнение в (5) дает семейство прямых выходящих из начала координат, наклон которых меняется с изменением интенсивности падающего света. Точки пересечения семейства прямых и и кривой пропускания дают решение уравнения (4). Для простоты положено .

При малых - точка А и больших - точка D решение(4) единственно.

При интенсивностях падающего света возникает три рабочие точки (C, E, G). Граничным интенсивностям соответствуют участки прямых и см рис 2а. Только две рабочие точки лежащие на участках BD и FK являются устойчивыми относительно плосковолновых возмущений той же поляризации. Точка Е лежащая на участке DF неустойчива.

При адиабатическом изменении меняется показатель преломления нелинейной среды и следовательно оптическая длина резонатора. Возникающая из-за этого фазовая расстройка ОР от начального состояния приводит к изменению выходной интенсивности. При увеличении входной интенсивности рабочая точка движется до точки D (см рис4б). В ней стационарное состояние становится неустойчивым и происходит переход в устойчивую точку К с большей выходной интенсивностью, и движется по устойчивому участку KL кривой пропускания.

Рис.4 Амплитудная бистабильность.

а) графическое решение уравнения (5) -кривая пропускания

- прямые секущие из начала координат.

б) Гистерезисная зависимость интенсивности света на выходе оптического резонатора от интенсивности линейно поляризованной накачки.

Если теперь уменьшать входную интенсивность, рабочая точка движется обратно по прямой LKGF (см рис 4б). В точке рабочая точка переходит в положение В, выходная интенсивность резко падает, и далее устойчиво уменьшается на участке ВА. Возникает цикл. В результате циклического изменения входной интенсивности передаточная характеристика , , принимает вид петли гистерезиса. Если входную интенсивность держать в интервале , то выходная интенсивность может быть большой или маленькой в зависимости от увеличения или уменьшения входной интенсивности. Возникает бистабильное поведение лежащее в основе оптических двоичных переключающих устройств.

Применение оптической бистабильности (оптические элементы памяти)

Оптическая бистабильность это оптический аналог электронных гистерезисных явлений, которые использовались при создании ЭВМ. Запись информации может происходить с помощью нелинейного оптического резонатора (ОР) работающего в бистабильном режиме. устойчивые стационарные состояния поля, которым соответствуют точки G и C соответственно интенсивности и . Под действием управляющих импульсов возможны переключения между ними. Переход из нижнего устойчивого состояния в верхнее, обеспечивается одним импульсом с достаточно большой интенсивностью, если он распространяется параллельно основной волне. При этом начальная выходная интенсивность сначала возрастает до значения, соответствующего точке L, а затем уменьшается до . (см Рис4б).

Схема элемента памяти должна быть нелинейной и иметь обратную связь. Тогда при циклических изменениях входной интенсивности светового пучка на входе бистабильного ЭП он может функционировать обратимо. Простейшим примером бистабильного оптического ЭП является интерферометр Фабри– Перо, заполненный средой с насыщающимся поглощением, на рис 5а. Зависимость интенсивности прошедшего пучка от интенсивности падающего света имеет вид петли гистерезиса., где области 1 и 3 являются областями стабильности ЭП.

Рис.5 а)Интерферометр Фабри –Перо как оптически бистабильный элемент. 1-полупрозрачные зеркала.

б) Петля гистерезиса зависимости интенсивности прошедшего пучка от интенсивности падающего пучка.

Минимальный размер оптического ЭП определяется минимально необходимым числом атомов ансамбля, для которого устойчиво наблюдается оптическая бистабильность. Это число составляет двухуровневых атомов (полная энергия системы 0,25 фДж для фотонов с энергией 1,5 эВ). ().

Пример. Оптический элемент памяти на базе GaAs при температуре 10 К энергия переключения 15 фДж распределенная на площади диаметром 0,25 мкм.

Времена переключения ограничиваются временем установления поля в резонаторе, временем отклика среды и динамическими эффектами в резонаторе. Это время достигает долей пс. См рис.2.

Достоинством оптических ЭП является их высокая помехозащищенность от электромагнитных шумов и высокая надежность (количество переключений неограниченно).

Оптические бистабильные устройства могут стать базовыми элементами систем оптической обработки информации, оптических логических и компьютерных систем.

Литература

Известия АН СССР сер физ 1989 т53 №6 с1088

УФН 1987 т153 с579

Желудев Н.И.УФН 1989 т157.с683.

Голографические элементы памяти

Голографические элементы памяти используют для записи, хранения и восстановления изображений явление голографии. Это аналоговые элементы памяти. Их оптическая плотность носителя информации, например, эмульсионного слоя фотопластинки, меняется непрерывно.

Запоминающие голографические устройства (ЗГУ) используют голографический способ записи, хранения, восстановления информации, представленной в двоичном коде, алфавитно-цифровом виде, или виде изображений. Информация записывается как плоская или объемная, амплитудная, фазовая или поляризационная голограмма. Достигается большая плотность информации , высокая помехоустойчивость и надежность.

Голограмма, как оптический элемент - это периодическая структура, с промодулированным амплитудным пропусканием, обусловленным изменением проводимости или/и диэлектрической проницаемости . На периодической структуре освещающая волна дифрагирует и преобразуется в другую волну. Голограммы называют фазовыми, если модуляция амплитудного пропускания обусловлена только изменением , и амплитудными голограммами, в случае изменения .

Оперативные запоминающие голографические устройства (ЗГУ)

Данные разбиваются на страницы объемом , каждая из которых записывается в виде отдельной голограммы. Весь массив данных записывается и хранится в виде матрицы голограмм на светочувствительном материале называемом носителем информации. Любая страница может быть считана лазерным лучом.

Основные элементы ЗГУ приведены на рис.6:Лазер, дефлектор Д, устройство для набора страниц УНС, Носитель информации, фотоматрица ФМ, оптические элементы.

Рис.6 Оптическая система запоминающего голографического устройства с трехкоординатной сеткой.

Используются лазеры газоразрядные в режиме одномодовой генерации. Акусто- или электрооптический дефлектор служит для точного и быстрого отклонения луча в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. УНС формирует транспарант входной страницы и вводит её в световой поток. Это пространственный матричный модулятор света пьезокерамический или жидкокристаллический. УНС на керамике имеет число ячеек, контраст 50:1, время последовательного набора страницы 2 мс. Носитель тонкий слой регистрирующей среды нанесенный на толстую прозрачную подложку (стеклянную). Слой допускает стирание и перезапись голограмм. Это магнитооптические пленки или электрооптические материалы.

Массив страниц записывается и хранится на носителе в виде матрицы пространственно разделенных и регулярно расположенных Фурье голограмм. См рис 7. В них реализуется максимальная плотность записи информации при избыточности обеспечивающей надежную помехозащищенность.

При считывании информации опорный пучок адресуется дефлектором на нужную голограмму. Мнимое изображение страницы рис 8 восстановленное голограммой проецируется линзой на фотоматрицу, которая детектирует оптическое изображение страницы и запоминает её.

Рис 7 Фурье-голограмма двоичной входной страницы.

Рис 8. Изображение двоичной входной страницы.

Трехмерные голограммы имеют большую информационную емкость и ассоциативный характер памяти. Селективный характер записи, т.е. способность голограммы взаимодействовать только с теми компонентами восстанавливающего излучения, которые присутствовали на этапе записи. Большая емкость записи достигается тем, что на один и тот же участок фотоматериала V можно последовательно впечатать голограммы различных объектов при разных направлениях опорной волны и длинах волн записывающего излучения . См. рис. 9 Каждая из записанных голограмм может быть считана затем независимо, если её восстановить волной совпадающей с опорной волной, использованной при записи.

Рис 9 Селективные (избирательные) свойства трехмерной голограммы.

При таком способе записи информации элементами, в которых она хранится, являются трехмерные гармоники изменения показателя преломления, каждая из которых заполняет весь объем голограммы. Количество таких независимых элементов равно числу пространственно-локализованных ячеек с размерами , которое можно вместить в объеме V. Например, при записи в видимом диапазоне в помещается независимых гармоник.

Трехкоординатные ЗГУ используются объемные голограммы. Для различения наложенных объемных голограмм используется их угловая селективность. Она основана на изменении несущей пространственной частоты. Третьей координатой выбирается угол падения опорного пучка.

Для записи объемных голограмм используют электрооптические кристаллы , .Записывается порядка 100 голограмм на кристалл. Плотность записи информации . Емкость ЗГУ составляет .они перспективны для создания архивной памяти.

Если трехмерная голограмма записывается в анизотропной среде, например, в кристалле , то структура голограммы характеризуется вариациями тензора диэлектрической проницаемости. Важное свойство анизотропных трехмерных голограмм –это их способность изменять состояние поляризации падающей на них волны. Используя это явление считывают трехмерные голограммы излучением отличным по длине волны, которое использовалось при записи.

Запоминающие устройства на одноквантовых джозефсоновских элементах памяти

Джозефсоновский контакт(ДК) –тонкая изолирующая прослойка между двумя сверхпродниками.

Стационарный эффект Джозефсона (1962г) –протекание сверхпроводящего тока тонкую изолирующую прослойку между двумя сверхпроводниками.

(1)

- фаза волновой функции в первом сверхпроводнике, - фаза волновой функции в втором сверхпроводнике после диэлектрической прослойки.

Если увеличивать ток через контакт, то происходит переход из стационарного режима, (когда ток есть, а напряжения практически нет), в нестационарный режим (когда при достижении некоторого критического тока на контакте возникает напряжение). Критический ток складывается из тока сверхпроводящих спаренных электронов и тока нормальных электронов.

Если теперь уменьшать ток через ДК, то нестационарный эффект Джозефсона (напряжение на контакте) сохраняется до значений тока меньших критического тока, а затем напряжение и ток падают до нуля. Вольтамперная характеристика туннельного контакта Джозефсона имеет гестерезис. См рис.10

Рис.10 Вольтамперная характеристика туннельного контакта Джозефсона.

При нестационарном эффекте Джозефсона разность фаз на контакте зависит от времени

, (2)

где V - напряжение на контакте. e - заряд электрона

Частота сверхпроводящего переменного тока, который генерируется при при постоянном напряжении на ДК равна

(3)

Формулы (2) и (3) называются соотношениями Джозефсона.

Свойство контактов Джозефсона переключаться с нулевого напряжения на конечное напряжение, при превышении током критического значения, в совокупности с малой емкостью, позволяет пользовать их в качестве быстродействующих элементов ЭВМ.

Минимальный размер одноквантовых джозефсоновских элементов памяти ограничен снизу величиной порядка глубины проникновения ,обеспечивающей плотность записи информации .Времена переключения элементов памяти при температуре жидкого азота составляют .

Одноэлектронные элементы памяти работают на туннелировании одиночных электронов в туннельных переходах сверхмалых размеров. Их минимальный размер ограничен толщиной туннельной прослойки .

Литература

Новые принципы оптической обработки информации под ред. С.А.Ахманова, М.В. Воронцова М.1990 г.

Новые научные разработки около 2010 года

Новая оптическая память поможет "расширить" узкие места современных коммуникаций и Интернета.

Журнал «Nature Photonics»,

Масая Нотоми (Masaya Notomi),

группа Photonic Nanostructure Research Group,

«NTT», телекоммуникационной компании, расположенной в Канагаве, Япония

Устройство, описанное в журнале «Nature Photonics», основано на оптических резонаторах, которые можно переключать между пропускающим и блокирующим свет состояниями для того, чтобы создать цифровой сигнал.

Исследователи в «NTT», телекоммуникационной компании, расположенной в Канагаве, Япония, а также другие специалисты использовали эти устройства в течение нескольких лет, но предыдущие версии потребляли слишком много энергии и не могли достаточно долго хранить данные.

Биты данных, "путешествующие" от одного узла Интернета к другому, на пути своего следования много раз подвергаются трансформации. Для передачи по оптоволоконному кабелю их преобразуют в импульсы лазерного света, а для обработки и передачи через электрические проводники их превращают в импульсы электрического тока. Естественно, преобразование информации из одного вида в другой занимает некоторое время и требует расхода дополнительного количества энергии.

Выходом из этой ситуации является использование оптических вычислительных устройств и маршрутизаторов, многие ученые уже пытались разработать подобные устройства, но их разработки всегда тормозились отсутствием качественного и надежного оптического устройства хранения информации. Совсем недавно японские исследователи разработали новое устройство оптической памяти, которое, как они надеются, проложит путь к развитию более скоростных коммуникаций и Интернета.

Исследователи группы Photonic Nanostructure Research Group, являющейся подразделением японской телекоммуникационной компании NTT, работали над разработкой подобного устройства уже много лет. Несмотря на некоторые положительные результаты, предыдущие устройства оптической памяти были достаточно велики, потребляли слишком много энергии и хранили данные весьма короткое время, что делало невозможным их практическое применение.

Ячейки новых чипов памяти, созданные учеными, потребляют в сумме около 30 нановатт энергии, их размеры (4мкм на 0,3 мкм) в 300 раз меньше размеров чипов предыдущего поколения. Новые ячейки оптической памяти способны хранить данные в течение 10 секунд, это намного дольше, чем результаты предыдущих чипов, которые могли хранить данные без искажений в течение 250 наносекунд.

"Достигнутого значения времени хранения информации уже вполне достаточно для того, что бы произвести любую обработку этой информации" - заявил Масая Нотоми (Masaya Notomi), глава исследовательской группы.

Описание устройства
Новое устройство, работает на основе оптических "отверстий", которые под воздействием внешнего фактора могут переключиться из прозрачного состояния в непрозрачное, что соответствует уровня логической 1 и 0.

Для того чтобы создать оптическое запоминающее устройство, исследователи используют тонкие пластинки из фосфида индия InP. Чип новой оптической памяти состоит из тончайшей основы, подложки, из фосфида индия. В центре этой подложки расположена полоса другого материала фосфида арсенида-галлия(InGaAsP), материала, обладающего оптическими свойствами, отличными от свойств материала подложки. Эта полоса имеет ширину около 300 нанометров и длину приблизительно четыре микрометра, именно она и является одной ячейкой памяти. В подложке из фосфида индия сделаны наноразмерные отверстия определенного диаметра, которые создают структуру, пропускающую свет только определенной длины волны. Середина клетки остается цельной, для того, чтобы направить свет внутрь и наружу.

В середине полосы оставлен свободный промежуток, который играет роль основного световода. Показан красной стрелкой

Информация считывается и записывается на оптическое устройство с помощью луча лазера. Когда на материал ячейки попадает свет определенной длины волны, показатель преломления материала изменяется. Он либо будет, либо не будет передавать импульс света, создавая при этом «1» или «0» бит. В первом случае ячейка пропускает свет с другой длиной волны, во втором случае - становится непрозрачной. Другой импульс света может все изменить. Свет от дополнительного лазера используется для постоянной фоновой подсветки всех ячеек памяти на чипе и выполняет роль энергетической подкачки, позволяющей ячейкам памяти оставаться в одном состоянии и хранить информацию длительное время.

Пока что исследователям из NTT удалось собрать первый чип памяти, содержащий всего четыре ячейки, т.е. способный хранить четыре бита данных. Но, как утверждает Масая Нотоми, совершенно ничего не мешает объединять на одном чипе многие миллионы ячеек, при этом расход энергии увеличится незначительно до уровня не более 30 милливатт. Флеш память потребляет 150 милливат.

Сейчас ученые работают над интеграцией в структуру чипа новой памяти миниатюрных лазеров и оптических датчиков и детекторов необходимых для чтения и записи информации, что позволит получить законченное работоспособное оптическое устройство на одном чипе.

"Наша основная цель - разработка оптической памяти для сетевых маршутизаторов и серверов" - рассказывает Нотоми. - "На высоких скоростях обработка оптических сигналов будет более эффективна, чем обработка электрических сигналов. А позже мы попытаемся заменить новой оптической памятью обычную память RAM высокопроизводительных вычислительных систем".