Оптические логические элементы и функциональные узлы.

 

Первоначально для создания оптических переключательных элементов были использованы инжекционные полупроводниковые лазеры ПЛ и оптроны.

В переключательных элементах на основе инжекционных ПЛ в качестве пороговой нелинейности использовался механизм взаимного гашения генерации одного ПЛ излучением другого. Действительно, при пропускании когерентного излучения одного из ПЛ через активное вещество другого возникает индуцированное излучение, имеющее направление распространения, вызывающее уменьшение населенности инверсных уровней второго ПЛ и приводящее к его гашению. На основе таких верных переключательных элементов можно построить логические схемы, реализующие основные логические функции, а также элемент памяти.

Сотрудники Физического института АН СССР во главе с академиком . Г. Басовым предложили использовать в качестве переключательного элемента пару ПЛ - фотодиод, в которой кремниевый фотодиод соединен с пассивной частью лазерного диода, а в активную часть последнего инжектируется ток, обеспечивающий возбуждение лазера до уровня, близкого к порогу генерации. Входной световой сигнал преобразуется фотодиодом в электрический, инжекция которого приводит превышению порога генерации, в результате чего лазер генерирует выходной световой импульс. В отсутствие же светового сигнала на входе фотодиода ПЛ работает в спонтанном режиме и сигнал на его выходе отсутствует. Ими били собраны и испытаны логические схемы, составляющие функционально полную систему, элемент памяти и динамический триггер.

Для ПЛ с двойной гетероструктурой характерны высокие предельные значения критериев качества: Df » 10¹³ Гц; B » 10¹⁴ Гц . Приведенные значения выше, чем у транзистора. Преимущество ПЛ заключается в возможности практического достижения более высокого быстродействия, например t = 10^-10 – 10^-11. Однако разработка интегральной технологии получения ПЛ и объединения их в логические схемы еще находится на начальной стадии и встречает большие трудности. Кроме того, мощность рассеяния ПЛ на несколько порядков больше, чем электронных логических элементов, что является причиной их низкой добротности и делает переключательные элементы на основе ПЛ неконкурентоспособными с транзисторными ключами.

Наиболее перспективно применение ПЛ в качестве стандартных источников когерентного излучения для оптико-электронных вычислительных систем вследствие их экономичности, легкости управления и возможности изготовления методами интегральной технологии.

Оптроны представляют собой сочетание светодиода (люминесцентный диод) и фототранзистора. Функционирование оптронов основано на двойном преобразовании энергии: фотоэлектрическом (свет - электрический сигнал) и электролюминесцентном (электрический сигнал- свет). На базе оптронов также может быть создана функционально полная система логических элементов, отвечающая современным схемотехническим и технологическим требованиям. Основным достоинствами оптронов является высокая степень электрической развязки, достигаемая с их помощью. Поэтому оптроны с быстродействием 1 – 10 нс, полученные на базе светодиодов с двойной гетероструктурой, могут найти широкое применение в качестве элементов развязки для ИС транзисторной логики.

Однако как элементная база для построения вычислительных устройств оптронные логические схемы не могут конкурировать с транзисторными: потери, связанные с двойным преобразованием энергии обусловливают низкую энергетическую добротность оптронов (К ~ 10⁷ Дж^-1), что на четыре порядка ниже, чем у транзисторных ключей. Дополнительные трудности при построении вычислительны: устройств на базе оптронов создает также необходимость согласования: спектральных характеристик светодиодов и фотоприемников, так как число оптронов, а следовательно, светодиодов определяется числом логических элементов. Рассмотрим оптические переключательные элементы, которые смогут составить конкуренцию транзисторным ключам.

Оптический транзистор.Сотрудники Эдинбургского университета во главе с проф. Д. Смитом создали оптический аналог электронного транзистора и назвали его трансфазором. Трансфазор переключается при небольшом изменении интенсивности падающего на него лазерного луча. Время переключения экспериментального образца трансфазор составило несколько пикосекунд (1 пс = 10^-12 с), что на два-три порядка лучше, чем у электронного транзистора.

В основе работы трансфазора лежит свойство некоторых кристаллов изменять показатель преломления при увеличении интенсивности: падающего на них света. При создании конструкции трансфазора был заимствована идея, заложенная в интерферометре Фабри - Перо.

Рис.5.1. Схематическое изображение интерферометра Фабри-Перо.

 

Простейший интерферометр Фабри - Перо (рис. 5.1) состоит и двух плоских зеркал, расположенных параллельно друг другу и разделенных некоторым пространством, именуемым резонатором, которой заполняется веществом, пропускающим свет только определенной длины волны. Расстояние между зеркалами может быть изменено. Зеркала обладают высокой отражательной способностью. Коэффициент отражения R зеркал таков, что при освещении любого из них 90 – 95 % падающего света отражается обратно и только 5 - 10 % пропускается независимо от длины волны. Допустим, что R = 0,9. Тогда, если на зеркало M₁ образующее переднюю стенку интерферометра, падает пучок света интенсивностью I₀ ,то пучок, прошедший внутрь резонатора, будет иметь интенсивность, равную 0,1 I₀. Поскольку зеркало М₂ обладает теми же свойствами, что и М₁ выходной пучок света, прошедший через интерферометр, будет иметь интенсивность, равную 0,01 I₀ ,т. е. в 100 раз меньшую интенсивности входного пучка. Пучок света, отраженный от задней стенки интерферометра и имеющий интенсивность 0,09 I₀ многократно отражаясь от зеркал резонатора, будет становиться все слабее и слабее, пока весь свет не выйдет из интерферометра. Каждый проход пучка вносит определенный вклад в выходной пучок, увеличивая его энергию, но несущественно.

Однако прямой и обратный пучки света в резонаторе нельзя разделить так, как это сделано в приведенном схемотехническом описании (рис.5.1). Входной пучок падает на интерферометр перпендикулярно поверхности его зеркал, поэтому все пучки в резонаторе распространяется по одному и тому же пути, взаимодействуя между собой. Результат взаимодействия зависит от соотношения фаз прямого (j_П) и обратного (j₀) пучков: если разность фаз кратна 2p (j_П - j₀ = 2kp), то происходит конструктивная интерференция {пучки в резонаторе усиливают друг друга); если же разность фаз составляет (2n + 1) p, то происходит деструктивная интерференция (пучки ослабляют друг друга). может иметь место и любая промежуточная картина. Полная конструктивная интерференция возникает, когда оптическая длина резонатора равна целому числу полуволн падающего света:

 

L = kl/2 (5.1)

 

где l - длина волны падающего света; k - целое число. В этом случае световой пучок, входящий в резонатор, и пучки, образованные вследствие многократного отражения от зеркал внутри резонатора, а также пучок, выходящий из интерферометра, совпадают по фазе. Если L = (k + 0,5) l/2, то наблюдается полная деструктивная интерференция.

Интерференция света внутри резонатора существенно влияет на пропускание интерферометра Фабри - Перо:

 

J = I_вых / I_вх

 

I_ВЫХ ,I_ВХ - интенсивности входного и выходного световых пучков. При полной деструктивной интерференции интенсивность выходного светового пучка минимальна:

 

 

В этом случае пропускание интерферометра незначительно. При полной конструктивной интерференции многочисленные прямые и обратные пучки света усиливают друг друга, складываясь по амплитуде, в результате чего в резонаторе создается поле, интенсивность которого во много раз превышает интенсивность падающего на интерферометр пучка. Интенсивность светового пучка на выходе интерферометра равна интенсивности входного пучка, т. е. mах I_ВЫХ = I_ВХ. Таким образом, изменяя оптическую длину резонатора L, можно менять пропускание интерферометра от незначительного до единицы: . Зависимость пропускания J интерферометра от длины резонатора L описывается функцией Эйри (рис. 5.2). Функция Эйри показывает, что при постепенном приближении L к значению, определяемому соотношением (5.1), пропускание будет меняться медленно до определенного порогового значения, после чего произойдет резкий скачок. Это означает, что интерферометр Фабри - Перо способен резко переходить из одного состояния в другое и может служить основой для создания оптического переключательного элемента. Причем чем больше коэффициент отражения, тем лучше различимы эти состояния (рис. 5.2).

 

Рис.5.2. Кривые пропускания интерферометра Фабри-Перо при различных значениях коэффициента отражения R

 

Весь вопрос заключается в том, как можно быстро изменять оптическую длину резонатора. Это можно сделать двумя путями: изменить расстояние между зеркалами l либо показатель преломления и вещества в резонаторе. Поскольку оптическая длина резонатора L = ln, то пригодны оба способа, однако управление изменением длины резонатора не позволит создать быстродействующий прибор.

Долгое время считалось, что показатель преломления не зависит от интенсивности света. С появлением лазеров, способных генерировать мощное когерентное излучение, было определено, что при взаимодействии лазерного излучения с некоторыми веществами показатель преломления последних изменяется в зависимости от интенсивности падающего излучения, т. е. такие вещества имеют нелинейный показатель преломления. Если в резонатор интерферометра Фабри - Перо поместить вещество, обладающее таким свойством, то можно управлять его показателем преломлении путем изменения интенсивности входного светового пучка. Данный способ управления пропусканием интерферометра оказался эффективным и был принят при создании трансфазора.

Рассмотрим более подробно, как меняется пропускание интерферометра Фабри - Перо с нелинейным показателем преломления. Допустим, что интенсивность пучка падающего лазерного излучения можно плавно менять в определенном интервале. Пусть интенсивность такова, что оптическая длина L, обусловленная естественным показателем преломления вещества n₀ , имеет значение, лежащее между пиками функции Эйри (рис. 5.3), а пропускание интерферометра мало. Если медленно увеличивать I_ВХ, то n и L постепенно изменяются, а пропускание J медленно возрастает. При определенном значении интенсивности света в резонаторе, называемом пороговым, между ним и приращением показателя преломления Dn образуется положительная обратная связь - они начинают увеличивать друг друга. Вследствие изменения n = n₀ + Dn прямые и обратные световые пучки смещаются по фазе, увеличивая взаимное усиление, интенсивность света в резонаторе резко возрастает, еще более изменяя показатель преломления. На графике функции Эйри это соответствует переходу на крутой участок, где J резко возрастает. Значение удовлетворяет (5.1), а J = 1, что соответствует пику кривой Эйри. Дальнейшее увеличение I_ВХ сопрoвождается линейным увеличением I_ВЫХ.

Если постепенно уменьшать I_ВХ, то пропускание интерферометра некоторое время остается неизменным, пока интенсивность света в резонаторе достаточно велика, чтобы значения n и L удерживались на уровне, соответствующем максимуму пропускания. Наступает момент, когда пропускание начинает плавно уменьшаться. При некотором критическом значении I_ВХ показатель преломления и интенсивность света в резонаторе начинают резко ослаблять друг друга. Пропускание интерферометра падает до минимума.

График зависимости I_ВЫХ = f(I_ВХ) представлен на рис. 5.3, он напоминает петлю гистерезиса ферритового сердечника, широко использовавшегося в качестве элементов оперативной памяти ЭВМ второго поколения. Таким образом, интерферометр Фабри - Перо, в резонатор которого помещена вещество с нелинейным показателем преломления, является оптически бистабильным прибором, так как имеет два устойчивых состояния, в которых интенсивность

Рис.5.3. Петля гистерезиса для интерферометра Фабри-Перо с нелинейным показателем преломления среды резонатора.

 

выходного светового пучка изменяется незначительно при значительном изменении интенсивности входного пучка. Такой прибор, так же как ферритовый сердечник, может быть использован в качестве элементов памяти, предназначенной для хранения двоичной информации. Только в отличие от ферритового сердечника он является энергозависимым и при отключении падающего света теряет информацию. Очевидно также, что в качестве двоичной или логической единицы можно принять одно из устойчивых состояний интерферометра, например состояние, соответствующее высокому уровню пропускания (J_max = 1), а другое – низкому уровню J_min, приписать к нулю или наоборот. Любое из этих состояний интерферометра может поддерживаться сколь угодно долго с помощью пучка лазерного излучения промежуточной интенсивности.

В переключательных элементах, применяемых при построении операционных устройств, явление гистерезиса не используется. Форма петли гистерезиса рассмотренного оптически бистабильного прибора зависит от оптической длины резонатора L, длины волны падающего света l и свойств вещества, заполняющего резонатор. Изменив конструкцию прибора, петлю гистерезиса можно сузить и даже устранить. В результате получится однозначная кривая пропускания (рис. 5.4). Ее форма напоминает характеристику тока коллектора электронного транзистора. Кривая пропускания такого вида принимается за основу в оптическом аналоге транзистора. Оптический прибор с такай характеристикой, созданный на основе оптического интерферометра Фабри - Перо, был назван трансфазором, поскольку его работа основана на управлении фазой

 

Рис.5.4. Передаточная характеристика трансфазора с однозначной функцией пропускания.

 

световой волны, многократно проходящей вещество резонатора.

В первых экспериментальных образцах трансфазора в качестве вещества резонатора были использованы кристаллы антиманида индия InSb, обладающего сильно выраженной нелинейной характеристикой. Из этого кристалла вырезались прямоугольные образцы, которые имели грани размером несколько миллиметров. Передние и задние грани кристаллов покрывались тончайшим слоем отражающего вещества, которые служили зеркалами. Исследования показали, что применение покрытия даже необязательна: полированная поверхность кристалла сама может служить зеркалом. Как видим, устройство трансфазора чрезвычайно просто и технологично.

Кристалл InSb прозрачен только для некоторой области инфракрасной части спектра и лучше всего проявляет свою оптическую нелинейность при температуре 77 К и длине волны излучения, равной приблизительно 5 мкм. Такое излучение может генерироваться химическим лазером на оксиде углерода, излучение которого можно регулировать в узком диапазоне длин волн вокруг l = 5 мкм. В последнее время найдены вещества, например кристаллы GaSe, которые проявляют оптическую бистабильность в видимом диапазоне спектра (0,4 – 0,7 мкм), что значительно облегчает выбор лазера и открывает возможность дальнейшего уменьшения размеров трансфазора. Из кристаллов GaSe были изготовлены резонаторы оптической длиной L = 10 мкм.

На вход трансфазора подводят два хорошо отъюстированных лазерных пучка, например, с помощью световолокон, которые затем фокусируются в одной точке на его передней грани. Один из пучков имеет относительно большую и неизменную интенсивность I₀, (рис. 5.4), второй имеет значительно меньшую интенсивность I_y и может модулироваться по интенсивости. Этот пучок является управляющим. Интенcивность постоянного пучка подбирается так, чтобы пропускание трансфазора было близко к порогу усиления. Интенсивность же управляющего пучка такова, что когда он добавляется к постоянному, под действием интенсивности I_m результирующего входного пучка трансфазор переключается в состояние с максимальным пропусканием.

Так как характеристика трансфазора крутая, даже незначительная модуляция управляющего пучка сильно увеличивает его пропускание. Трансфазор работает аналогично электронному транзистору. Действительно, постоянный пучок аналогичен постоянному току смещения, который протекает от эмиттера к коллектору транзистора, а управляющий пучок - меньшему току, протекающему от базы к коллектору. Как небольшое изменение тока базы вызывает в транзисторе большое увеличение тока коллектора, так и незначительное изменение управляющего пучка вызывает в трансфазоре увеличение пропускания. Подобно транзистору, трансфазор может переключаться в одно из двух четко различимых состояний, только намного быстрее (за время, измеряемое пикосекундами). Быстродействие трансфазора ограничивается временем установления поля внутри резонатора t’ = 2Ln/C. Для оптической длины резонатора L = 10 мкм t’ = 10^-13 с (0,1 пс). Частота переключения трансфазора зависит от частоты модуляции управляющего сигнала, составляющей порядка 1 ГГц. Трансфазор может быть таким же миниатюрным, как и электронный транзистор. Его поперечные размеры определяются сечением входного лазерного пучка, которое ограничено длиной волны и возможностью фокусирующей системы. Получить пучок диаметром сечения порядка 10l не представляет трудности. Длина резонатора, как отмечалось, составляет порядка 10 мкм. Для поддержания бистабильного состояния в трансфазоре требуется мощность порядка 10 мВт, а энергия переключения порядка 10^-15 Дж. Таким образом, энергетическая добротность трансфазора практически может достигать значения 10^-14, что на 2 - 3 порядка лучше, чем у электронного транзистора.

Трансфазор относится к потенциальной системе элементов, поскольку он реализует потенциальный способ представления цифровой информации: двоичные переменные "1" и "0" кодируются соответственно высоким и низким уровнем пропускания (или, что то же самое, интенсивностью выходного светового сигнала).

Рассмотрим принципы построения логических элементов на основе трансфазора при реализации простейшей функционально полной системы логических элементов: И, ИЛИ и НЕ. Один и тот же трансфазор может служить как элементом И, так и элементом ИЛИ в зависимости от подведенных к нему световых сигналов. Если интенсивности входных световых пучков подобраны так, что I₁ = I₂ = I_m/2 (если j₁ - j₂ = kp, то достаточно I₁ = I₂ = I_m/4, поскольку пучки взаимно когерентны и интерферируют на входе трансфазора), то образуется элемент И, так как трансфазор переключается только при одновременном появлении обоих сигналов (рис. 5.5, а). Если I₁ = I₂ = I_m, то образуется логический элемент ИЛИ, поскольку любой из входных световых

Рис.5.5. Условные обозначения логических элементов на базе трансфазора и их характеристики.

 

сигналов способен переключить трансфазор (рис. 5.5,б). Если в качестве выходного сигнала использован отраженный пучок, то трансфазор работает как элемент НЕ. Действительно, отраженный пучок является инверсией прошедшего пучка, поэтому повышение интенсивности входного пучка до 1 умень- шает выходной сигнал до минимума и наоборот. Характеристика и условное обозначение элемента НЕ представлены на рис. 5.5, в. На рис. 5.5, а, в & - оптический конъюнктор, ТФ - элемент на базе трансфазора.

Из этих логических элементов можно строить любые логические устройства и функциональные узлы вычислительных машин. При этом межэлементные соединения могут быть выполнены с помощью оптических волноводов. Успехи интегральной оптики позволяют надеяться, что интегральная технология получения оптических логических устройств и функциональных узлов на базе трансфазора сможет конкурировать с электронной технологией. Еще не решена проблема межэлементных соединений и подвода световых пучков к кристаллу, который является однородным для всей логической схемы и может быть выполнен в виде тонкой пленки. Так как параллельные пучки света в кристалле практически не взаимодействуют друг с другом, различные участки кристалла, примыкающие друг к другу, могут играть роль резонатора для различных логических элементов. Благодаря этому можно создать огромное число параллельных каналов обработки информации. Преобразование информации в канале осуществляется последовательно от каскада к каскаду, каждый из которых представляет собой тончайшую пластинку кристалла, связанного с помощью световолокон с соседними, а также источниками когерентного излучения. Такие оптические вычислительные устройства будут представлять собой по существу объемные схемы.

На базе трансфазорных логических элементов может быть построена цифровая оптическая вычислительная машина с архитектурой, подобной архитектуре современных ЭВМ. Преимуществом такой машины было бы сравнительно высокое быстродействие (~10⁹ оп/с), превышающее быстродействие аналогичных ЭВМ на 2 - 3 порядка. Параллельная организация позволит повысить производительность оптико-электронных вычислительных машин еще на 2 - 3 порядка, до 10¹² оп/с.

Интересно отметить, что трансфазор может иметь более двух устойчивых состояний. Некоторые кристаллы могут выполнять несколько последовательных переключений, сопровождающихся ступенчатым увеличением интенсивности выходного сигнала при ступенчатом росте интенсивности входного сигнала. Следовательно, на базе ансфазора может быть создан многоуровневый логический элемент, что откроет новые перспективы в разработке многозначной машинной логики.

На пути промышленной реализации трансфазора и ИС на его основе возникает ряд трудностей:

1) необходимость работы при низких температурах. Создание элементов, работающих при комнатной температуре, значительно упростило бы конструкцию и эксплуатацию оптических вычислительных устройств на трансфазорах. Для отдельных материалов и длины волны падающего излучения уже удалось получить оптическое переключение при комнатной температуре, что было достигнуто при больших плотностях мощности излучения, приводящих к преждевременному разрушению резонатора;

2) стремление к уменьшению мощности, требуемой для переключения элемента, противоречит условию повышения быстродействия, которое зависит от энергии входного излучения. Поэтому снижения мощности падающего излучения можно добиться лишь путем выбора материала с сильным нелинейным оптическим эффектом. Вопрос создания материалов с необходимыми свойствами является ключевым в проблеме реализации логических схем и вычислительных устройств на основе трансфазора.

 

Волноводные логические элементы и устройства. Базовыми элементами волноводной логики являются электрооптические модуляторы и переключатели. Достижения в технологии интегральной оптики открыли возможность создания волноводных модуляторов и переключателей, способных конкурировать с аналогичными электронными приборами.

Волнпводный модулятор представляет собой интерференционный прибор, осуществляющий амплитудную модуляцию входного оптического сигнала, представляющего собой линейно поляризованное световое излучение лазера (рис. 5.6).

Рис.5.6. Волноводный модулятор (а-структура, б-условное обозначение)

 

Входной волновод модулятора разветвляется на два параллельных канала оптической длиной L_ВМ, которы затем снова сливаются, образуя выходной волновод. Волновод изготавливается из материала, обладающего электрооптическим эффектом. Обе ветви волновода симметричны, поэтому входной световой сигна 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. При использовании модулятора в качестве логического элемента к каждому электроду I прикладывается напряжение U₀, вызывающее благодаря электрическим свойствам волновода сдвиг фазы, проходящей по соответсвующей ветви световой волны, на л радиан. Двоичная "1" отождествляется со значением напряжения U₀, а двоичный "О" - с нулевым потенциалом. Таким образом, если напряжение U₀ приложено к четному числу управляющих электродов, то разность фаз световых волн распространяющихся по разным ветвям, составит 2kp радиан (k = 0,±1), в противном случае (2k + 1) радиан. В первом случае волны сходящиеся в выходном разветвлении, усиливают друг друга (конструктивная интерференция), образуя выходной оптический сигнал с амплитудой, практически равной амплитуде входного сигнала, который принимается за единичный сигнал. Во втором случае волны практически полностью гасят друг друга (деструктивная интерференция), образуя нулевой выходной сигнал. Энергия волн при этом рассеивается в среде в виде излучения.

Волноводный переключатель состоит из двух волноводов, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких длин волн входного оптического сигнала, а также управляющих электродов (рис. 5.7).

Рис.5.7. Волноводный переключатель (а-структура, б-условное обозначение)

 

Волноводы переключателя выполняются симметричными, они должны быть максимально близки по своим свойствам. При отсутствии напряжения на электродах оба волновода имеют одну и ту же постоянную распространения и энергия, введенная в один волновод с высоким коэффициентом, переходит в другой. Если к электродам прикладывается напряжение, то благодаря электрооптическим свойствам материала меняется постоянная распространения волноводов вследствие изменения показателя преломления, что вызывает понижение коэффициента связи, т.е. коэффициента передачи энергии. Параметры переключателя можно добрать так, чтобы при управляющем напряжении U₀ соответствующем двоичной «1», коэффициент связи оказался равным нулю. Таким образом, если на входы управляющих электродов одновременно поданы единичные или нулевые сигналы, то световой сигнал, введенный в один из волноводов, выйдет из другого. Если же на один электрод подан единичный сигнал, а на другой - нулевой, то сигнал распространяется по одному входному волноводу.

Было показано, что волноводные модулятор и переключатель могут ужить в качестве логических элементов с потенциальным способом представления информации. Выходным сигналом таких элементов является амплитудно-модулированный свет, в то время как входные сигналы могут быть как электрическими, так и комбинацией электрических и оптических сигналов. Волноводные элементы могут быть соединены друг с другом с помощью диэлектрических одномодовых волноводов в комбинационные схемы, предназначенные для выполнения сложных арифметических операций. Поскольку выходной сигнал волноводныx элементов является оптическим, а входные - комбинацией электрических и оптических, то возникает необходимость преобразования оптического сигнала в электрический, что может быть осуществлено с помощью фотоприемников и усилителей. Волноводные элементы в настоящее время получают методами интегральной технологии и на электрооптических кристаллах, типичным представителем которых является ниобат лития LiNbO₃.

На рис. 5.8 приведены простейшие логические схемы на основе волноводных элементов.

Рис.5.8. Условные обозначения волноводных логических устройств. (а-повторитель, б-инвертор, в-сложение по модулю два, г,д-конъюктор)

 

На рис. 5.9 представлена логическая схема поразрядного двоичного сумматора, синтезированного по следующим выражениям для суммы и переноса: с_i = a_i Å b_i Å П_i; П_i-1 = a_ib_i V a_iП_i V b_iП_i, где с_i - цифра i-го разряда суммы; a_i, b_i - цифры i-ых разрядов слагаемых; П_i,П_i-1 - цифры переноса в i-й и соседний стаарший разряды суммы.

Волноводные логические элементы могут быть изготовлены методами интегральной технологии с большой плотностью размещения элементов в кристалле. Они малочувствительны к электромагнитным и иным помехам. Волноводные логические элементы обладают большим быстродействием и меньшим рассеянием электрической энергии в сравнении электронными приборами.

Оценим основные параметры волноводных логических элементов и сравним их с параметрами электронных приборов. Время задержки на одном волноводном элементе t_З , равно времени, требуемому свету для прохождения по волноводу от входа до выхода:

 

t_З = nL / c

 

где n - показатель преломления материала; L- длина волновода от входа до выхода; с - скорость света в вакууме.

Рис.5.9. Функциональная схема одноразрядного волноводного сумматора (ФП-фотоприемник)

 

Если волноводная схема изготовлена из ниобата лития (n » 2,2), то t_З = 7,3 пс/мм. Длина волноводных элементов определяется длиной управляющих электродов. В модуляторе электрод должен обеспечивать сдвиг фазы на p радиан при приложении напряжения U₀, его длина определяется из соотношения

 

L_э » ld / ( n³_e r₃₃ U₀ ) (5.2)

 

где d - расстояние между электродами; n_e - показатель преломления для необыкновенного луча; r_ЗЗ - электрооптический коэффициент. Для волноводных элементов из ниобата лития характерны следующие значения: l = 0.8 мкм; d = 6 мкм; U₀ = 5 В; r_ЗЗ » 30*10^-12 м/В. Подставив эти данные в соотношение (5.2), получим L @ З мм. Длина электродов переключателя, как правило, несколько меньше и составляет приблизительно 0,9 от длины электродов модулятора. Следовательно, для схем рис. 5.8, а - г L » L_Э для остальных – L @ 2L_Э. Заметим, что здесь длиной межэлементных соединений, которая обычно значительно меньше L_Э не пренебрегают.

Таким образом, время задержки распространения оптического сигнала на волноводном элементе t_З = 7,3L = 25¸50 пс, что значительно лучше, чем у наиболее быстродействующих электронных элементов типа ТТЛ (t_З ~ 10 нс) и ЭСЛ (t_З ~ 1 нс). Однако скорость выполнения операций в волноводных системах ограничена реакцией фотоприемника и временем нарастания напряжения на управляющих электродах. В настоящее время имеются фотоприемники со временем реакции 1 нс и уже разрабатываются со временем реакции 100 пс. Время нарастания управляющих сигналов характеризуется теми же значениями. Поэтому существенного повышения скорости выполнения операций можно достичь последовательным соединением большого числа логических элементов, предшествующих фотодетектору. Общее число последовательно соединенных волноводных элементов ограничивается затуханием света в волноводах, достигающим нескольких децибел на сантиметр. Haпример, если затухание равно 3 дб/см, учитывая, что длина каждого элемента составляет примерно 3 мм, получим, что сигнал ослабляется в два раза уже после прохождения трех элементов. При затухании 1 дб/см такое ослабление произойдет при последовательном прохождении 10 элементов.

Энергия рассеяния является важным параметром логических элементов. Энергия рассеяния волноводного переключателя W_Э = С_ЭU₀² где С_Э - электрическая емкость электродов. При параллельном включении электродов на ниобате лития удельная их емкость составляет около 0,4 пФ/мм. При L_Э » 3 мм, U₀ = 5В, W_Э » 30 пДж, что лучше, чем у электронных элементов типа ТТЛ и ЭСЛ, для которых минимальная энергия рассеяния равна 50 - 100 пДж.

Логические устройства на основе управляемых транспарантов.

Возможность построения устройств для выполнения логических и арифметических операций на основе УТ впервые была исследованы в работах []. Ими также были предложены общие принципы построения арифметических устройств на базе УТ и указаны основные достоинства: возможность многоканальной параллельной обработки массива данных; хорошая развязка между входом и выходом; высокое быстродействие.

Принципы осуществления логических операций на УТ показаны схематически на рис. 5.10. Логическая операция И между двумя переменными x и y реализуется при прохождении лазерного луча через ячейки двух последовательно расположенных УТ, а операция ИЛИ – при совмещении лучей от двух ячеек одного УТ. Здесь и далее для эстоты предполагается, что УТ является амплитудно-модулирующим, причем прозрачные ячейки соответствуют логической "1", непрозрачные - логическому "0"; ячейки прозрачны и пропускают свет при сложении управляющего электрического сигнала и наоборот. В качестве мультипликатора МП, требуемого для расщепления лазерного чка на необходимое число лучей, могут служить как системы, состоящие из УТ и обычных линзовых систем, предназначенных для расширения и коллимирования световых лучей до заданной апертуры, так и специальные интегрально-оптические разветвители. Последние являются более эффективными. Устройством совмещения, требуемого в схеме дизъюнкции для сборки лучей, выходящих от ячеек одного и того же либо разных УТ, могут быть обычные цилиндрические линзы, как показано на рис. 5.10, б, или же специальные интегрально-оптические устройства.

Рис.5.10 а Логические схемы на УТ

 

Рис.5.10 б Логические схемы на УТ

 

Схемы, приведенные на рис. 5.10, а - г, реализуют операции конъюнкции и дизъюикции. В схеме конъюнкции (рис. 5.10, в) УТ могут быть матричными с большим числом ячеек, ФП также является фотоматрицей с соответствующим числом элементов. Аналогично, в схеме дизъюнкции (рис. 5.10, г) УТ₁ УТ_m могут быть ячейками одного УТ матричного типа, а следовательно, ФП – ­­линейкой

Рис.5.10г Логические схемы на УТ

(Z = y₁Ú y₂ Ú…y_m)

 

фотоприемников. Объединяя указанные две схемы, можно получить схему, реализующую дизъюнктивную нормальную форму (ДНФ) булевой функции входных переменных. Используя три указанные схемы, можно реализовать любую логическую функцию конечного множества двоичных переменных.

Рис.5.11. Схема, реализующая булевые функции в ДНФ.

 

 

Литература

 

1. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. - М. Мир, 1970. -364 с.

2. Юу Ф. Введение в теорию дифракции, обработку информации и голографию. - М. Сов. радио, 1979. - 304 с.

3. Акаев А.А.,Майоров С.А. Оптические методы обработки информации.- М. Высшая школа, 1988,- 239с.

4. Микаэлян А.Л. Оптические методы в информатике. Запись, обработка и передача информации. - М. Наука, 1990.- 228с.

5. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. - Л. Машиностроение, 1989. - 392 с.

6. Ключников А.С. Радиооптика и голография. - Минск. Университетское, 1989. -224 с.

7. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. - М. Мир, 1971.- 496 с.

8. Оптическая обработка информации. Под ред. Кейсесента Д., - М. Мир, 1980 - 349 с.