Изобретение касается оптического логического элемента, конкретно оптического логического элемента, имеющего несколько устойчивых состояний, и даже более конкретно непосредственно адресуемого оптического логического элемента, включающего оптический материальный носитель памяти, в котором, под влиянием приложенного магнитного, электромагнитного или электрического поля или подведенной энергии, материальный носитель памяти может переходить из одного физического или химического состояния во второе физическое или химическое состояние, где физическому или химическому состоянию назначено определенное логическое значение и где изменение в физическом или химическом состоянии логического элемента вызывает изменение в логическом значении и производится посредством обращения и адресации логического элемента магнитным способом, электромагнитно, электрически или оптически для записи, чтения, сохранения, стирания и коммутации назначенного логического значения. Изобретение также касается оптического логического устройства, особенно для сохранения данных или выполнения логических и арифметических операций, где устройство включает множество оптических логических элементов, особенно в котором оптические логические элементы являются оптическими логическими элементами, имеющими несколько устойчивых состояний, и даже более особенно - непосредственно адресуемыми оптическими логическими элементами, включающими оптический материальный носитель памяти, в котором, под влиянием приложенного магнитного, электромагнитного или электрического поля или подведенной энергии, материальный носитель памяти может переходить из одного физического или химического состояния во второе физическое или химическое состояние, где физическому или химическому состоянию назначено определенное логическое значение и где изменение в физическом или химическом состоянии логического элемента вызывает изменение в логическом значении и производится путем обращения и адресации логического элемента магнитным способом, электромагнитно, электрически или оптически для записи, чтения, сохранения, стирания и коммутации назначенного логического значения.
Вообще изобретение касается нового класса оптикоэлектронных устройств, которые могут сохранять информацию и/или выполнять логические функции посредством оптического материального носителя памяти, который содержится в индивидуально адресуемых ячейках или элементах. Каждый элемент является независимой единицей и может быть объединен с подобными элементами, образуя большие агрегаты, обычно в форме плоских листов или слоев. Из последних могут быть сформированы терциарные структуры, например, при помощи расположения стопкой, для того чтобы сформировать оптические блоки памяти данных и оптические логические устройства с высоким отношением эффективности к объему.
Современные цифровые оптические технологии хранения данных были разработаны в ответ на постоянно расширяющиеся потребности в емкостях для хранения данных в компактном формате, и они в высшей степени успешно применялись в решениях, которые объединяют высокую поверхностную плотность данных с заменимостью и/или портативностью.
Определяющим шагом было использование малых, эффективных полупроводниковых лазеров, испускающих когерентный свет, который может быть сфокусирован почти что на площади, близкой к дифракционному пределу, таким образом обеспечивая, соответственно, высокую четкость и компактное распределение битов информации в среде, несущей данные. В реальных системах стоимость и пространственные ограничения логически привели к проекту, в котором лазерный луч сканирует по поверхности вращающегося диска, принимая последовательный поток битов, следуя оптическому направляющему треку под сервоуправлением.
Системы, основанные на этом универсальном проекте теперь были усовершенствованы до слоя, где плотность данных близка к теоретическому пределу, и дальнейшие усовершенствования, для того чтобы удовлетворить будущие запросы, не могут быть выполнены при помощи последовательных усовершенствований, как в прошлом.
Одно очевидное ограничение - это использование двумерного формата хранения данных. Даже при том, что поверхностная плотность данных высока, физические позиции битов ограничены плоской поверхностью на жесткой, самоподдерживающейся поверхности высокого механического качества, что ведет к относительно невпечатляющей объемной плотности данных. Недавно были опубликованы технические решения, в которых данные сохраняются в нескольких плоскостях на различной глубине под поверхностью диска. Различение между различными слоями возможно из-за очень малой глубины области, соответствующей точному фокусу, и этот принцип, как ожидается, будет развит, чтобы охватить до десяти плоскостей или слоев (см., например, Е.К. (подпись), "Stacking the decks for optical data storage". Optics and Photonics News, August 1994, p. 39). Оказывается, однако, что выгоды, полученные от использования многих слоев или уровней, частично нейтрализованы проблемами стоимости, также как и техническими компромиссами между числом слоев с одной стороны и достижимой поверхностной плотностью данных в каждом слое с другой стороны. Даже при выполнении в соответствии с требованиями, предъявляемыми далее, такие технологические решения испытывают недостаток потенциала устойчивого долгосрочного развития и усовершенствования.
Во многих случаях ограничения на время доступа и скорости передачи данных представляют намного более серьезный недостаток для вращающихся дисковых систем, чем вышеупомянутые ограничения на плотности данных и емкости.
В приложениях, где к файлам на диске нужно обращаться быстро в произвольной последовательности, сервомотор, фокусирующий лазер, должен быстро переместить оптический узел радиально из одной позиции на диске к другой. В правильной радиальной позиции движение по треку должно быть продолжено быстро, что включает выравнивания в двух измерениях, регулирование скорости вращения, установку синхронизации и нахождение и идентификацию заголовка файла. Эти электромеханические процедуры включают времена доступа, которые являются длинными, обычно 200 мс или больше. Были сделаны усилия, чтобы уменьшить время доступа, например, увеличивая скорость вращения диска, для того чтобы уменьшить время, принимаемое для вращательного выравнивания, и уменьшить вес управляемых сервомотором узлов для фокусировки и движения по треку. Усовершенствование в одной области, однако, приводит к ухудшениям в другой. Увеличение вращающей скорости усугубляет так называемый эффект "лучковой пилы", то есть быстрое ускорение и замедление скорости вращения, которое требуется, для того чтобы поддержать постоянную скорость сканирования пучка по поверхности диска при чередовании между треками на различных радиусах. Это - доминирующая причина латентного периода в оптических основанных на дисках системах поиска данных. Попытки устранить этот эффект, поддерживая постоянной скорость вращения независимо от радиальной позиции, приводят к уменьшению поверхностной плотности данных или повышению технической сложности.
Не удивительно, что такие точные электромеханические оптические системы будут медленны во временных масштабах, которые являются типичными в чисто электронной области (микросекунды или менее), что, таким образом, препятствует использованию оптических дисковых устройств в качестве блоков памяти с прямым быстрым доступом в широком спектре областей применения, включая блоки памяти с прямым произвольным доступом (DRAM) для компьютеров и т.д. Значительные усилия были сделаны, чтобы устранить ахиллесову пяту таких устройств, а именно потребность в фокусировке и движении по треку без механической инерции. Варианты решения, которые были исследованы, включают оптоэлектронные дефлекторы, волноводы и дифракционные оптические элементы. До сих пор никакой технически и материально жизнеспособной системы этого характера не было продемонстрировано на практике и, кажется, не появится и в отдаленном будущем. Кроме того, проблема латентного периода, связанная с дисковым вращением не решается такими способами.
Во вращающихся дисковых системах биты информации читаются последовательно, поскольку лазерный луч сканирует вдоль трека, и скорость передачи данных явно зависит от скорости вращения и линейной плотности данных вдоль трека. В ряде приложений, типа интерактивной мультимедиа, скорость передачи является существенным критическим параметром современных оптических дисковых систем. При наличии почти оптимального кодирования и фокусировки данных, типичных для современных достижений в дисковой технологии, кажется, имеется немного доступных возможностей для увеличения скорости передачи данных. Одна возможность состоит в том, чтобы увеличить скорость вращения. Это было доведено в отдельных коммерческих системах до уровня, на котором стоимость и потребляемая мощность теперь привели к быстро уменьшающемуся доходу от дальнейшего увеличения скорости. Другая стратегия заключается в том, чтобы использовать отдельные лазерные лучи, адресующие отдельные, но параллельные треки на диске. Хотя число параллельных треков увеличивается, однако сложность и стоимость растут очень быстро, и такие схемы, кажется, лучше всего предназначены, чтобы обеспечить улучшения скорости, которых далеко не хватает для проектируемых будущих потребностей.
Вышеупомянутые недостатки были ясно осознаны в течение длительного времени, и были предложены и экспериментально исследованы другие схемы, наиболее значительно странично-ориентированная память и логические системы, основанные на голографической технологии. В дополнение к перспективному объемному хранению данных высокой плотности в трех измерениях, голографические системы могут быть адресованы в постраничном режиме, вследствие этого предлагая преимущества, которые присущи параллельности, такие как высокая скорость передачи. Быстрый произвольный доступ к данным посредством свободного от инерции оптоэлектронного устройства находится в процессе исследования. Кроме того, были исследованы логические операции типа высокоскоростной параллельной обработки для распознавания объектов. Было предсказано, что голографические блоки памяти могут быть стерты и перезаписаны неоднократно, объем данных от гига- до терабайтов может быть сохранен в объеме, сравнимом с кусочком сахара, давая времена произвольного доступа в диапазоне от микро- до наносекунд и скорости передачи данных до сотен Мбайт/с (см., например, D. Psaltis and F. Mok, "Holographic memories". Scientific American, November 1995, pp. 52-58). Подобная потенциальная эффективность была упомянута для других систем, основанных на конфокальных и мультилазерных (нелинейных) принципах адресации (см. , например, "The optical sugar cube", Photonics Spectra, September 1994, p. 50).
Другим примером оптической системы хранения данных, основанной на страницах, который может быть упомянут, является международная патентная заявка N W096/21228 (Birge), озаглавленная "Branched photocycle optical memory device", которая открывает объемную оптическую память, которая сохраняет информацию с высокой плотностью в трех измерениях, избирательно активизируя фотохимическую ответвляющуюся реакцию из временного теплового промежуточного состояния в первичном фотоцикле в чувствительном к свету, основанном на белке, носителе памяти. В этом случае используется так называемый "листающий" лазер, чтобы активизировать плоский слой или страницу среды хранения данных на одной длине волны, и лазеры данных, которые передают на другой длине волны выбранные лучи данных, которые являются ортогональными к выбранному слою или странице. Однако эту технологию не просто осуществить в практических устройствах хранения данных, и она имеет некоторые значительные слабости. Для того чтобы получить высокую объемную плотность данных, листающий свет должен быть чрезвычайно интенсивен и однороден внутри очень узкого пространственного диапазона с резким пределом интенсивности. Это влечет за собой использование лазерного луча и относительно сложной оптики, для того чтобы формировать луч. Во-вторых, требуется очень точно управляемая последовательность освещения, включающая использование трех независимых длин волн. Оптимальное временное управление последовательностями зависит от температуры. В-третьих, скорости записи и чтения ограничены постоянными времени фотоцикла, что приводит к временам доступа в диапазоне миллисекунд. В-четвертых, чтение сохраненных данных уменьшит их контрастность на оптической среде памяти, что, таким образом, требует обновления после определенного количества, например, 1000 операций чтения.
В патенте Швеции N 501106 (Toth), озаглавленном "Optical memory", открыта оптическая память типа "запись однажды, чтение много раз", (типа WORM, Write-Once-Read-Many-Times), которая содержит запоминающий элемент с устойчивыми оптическими состояниями. Запоминающий элемент разделен на ряд позиций памяти, причем оптическое состояние в данной позиции памяти способно быть как измененным, так и прочитанным посредством луча света, направленного по направлению к позиции памяти. Память может быть полностью реализована без перемещаемых механических частей и имеет очень малое время адресации, позволяя создать память особенно высокой емкости. Эта память также позволяет осуществлять параллельную запись и чтение многоразрядных слов. Реальная среда памяти может быть представлена отдельными слоями или уровнями. Луч света тогда фокусируется на данной позиции памяти, и при использовании восьми слоев становится возможным сохранить один байт в каждой позиции памяти или x, y позиции. В проекте с 7х7 запоминающими ячейками, каждая по 1 см, может быть сохранено 9.8 Гбайт на восьми слоях, и скорость записи тогда будет 40 Мбайт/с. Считывание выполняется в режиме поглощения, что означает, что индивидуальные уровни должны иметь фиксированные различные толщины, чтобы сделать возможным различение между индивидуальными слоями в последовательности кодов. Это приводит, однако, к уменьшению объемной плотности хранения, так как число слоев увеличивается, и потребности в фокусировке луча света на позиции памяти, также как маневрирование лучом света в x, y направлениях, влекут за собой осложнения, связанные со стоимостью и технические.
Даже при том, что предложенные до настоящего времени технические решения могут показаться внушительными, в будущих коммерческих условиях такая эффективность должна оцениваться с точки зрения аппаратной стоимости, сложности системы и полного форм-фактора устройства. Основываясь на текущем современном состоянии, как оно показано в открытой литературе, кажется, что правильным является заключение, что голографические и другие странично-ориентированные системы или многослойные системы не приведут к перевороту в обозримом будущем в торговле, где требование компактности и низкой цены стоит на первом месте. Даже если компоненты и материалы станут доступны по приемлемой цене, фактически предложенные архитектуры, кажется, препятствуют действительно компактным решениям.
Объект представленного изобретения должен, следовательно, преодолеть вышеупомянутые недостатки предшествующих методов и предложенных решений и предоставить оптический логический элемент, который может быть использован, для того, чтобы реализовать оптические блоки памяти, оптические логические и арифметические цепи, оптические переключатели и, кроме того, вообще, чтобы выполнить оптическое оборудование обработки данных с низкими стоимостью и технической сложностью, но с чрезвычайно высокой плотностью хранения, коротким временем доступа и очень высокой скоростью передачи.
Другой целью изобретения является получить оптический логический элемент и оптическое логическое устройство, основанное на оптическом логическом элементе, где оптический логический элемент и оптическое логическое устройство являются структурно и функционально интегрированным узлом, причем существенные функции элемента и устройства все в основном реализованы в элементе или устройстве, включая функции такие, как доступ, адресация, активизация, коммутация и детектирование.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение реализации объемного хранения данных простым способом так, чтобы емкость памяти в основном зависела только от форм-фактора и стала обратно пропорциональна физическим размерам логического элемента.
Вышеупомянутые и другие цели достигнуты при помощи оптического логического элемента, отличительной особенностью которого является то, что материальный носитель памяти предоставляется в или на существенно слоистой структуре, что активатор, который генерирует магнитное, электромагнитное или электрическое поле или прикладывает энергию к материальному носителю памяти, предоставляется в или рядом с существенно слоистой структурой, и что оптический детектор для детектирования оптического ответа материального носителя памяти, обусловленного физическим или химическим состоянием материального носителя памяти, предоставляется в или рядом с существенно слоистой структурой, причем оптический логический элемент, таким образом, составляет интегрированный узел, состоящий из материального носителя памяти, активатора и детектора; наряду с оптическим логическим устройством, отличительной особенностью которого является то, что материальный носитель памяти предоставляется в или на существенно слоистой структуре, что активатор, который генерирует магнитное, электромагнитное или электрическое поле или прикладывает энергию к материальному носителю памяти, предоставляется рядом с существенно слоистой структурой, и что оптический детектор для детектирования оптического ответа материального носителя памяти, обусловленного физическим или химическим состоянием материального носителя памяти, предоставляется в или рядом с существенно слоистой структурой, причем оптический логический элемент, таким образом, составляет интегрированный узел, состоящий из материального носителя памяти, активатора и детектора, что устройство включает по меньшей мере одну структуру, сформированную оптическими логическими элементами, что оптический материальный носитель памяти, активатор и детектор в каждом логическом элементе в структуре объединены и связаны с материальным носителем памяти, активатором и детектором в окружающих логических элементах структуры, причем структура таким образом образует тело с плоской или искривленной поверхностью, причем каждый логический элемент в структуре имеет однозначное соответствие между материальным носителем памяти и активатором и соответствие между материальным носителем памяти и оптическим детектором для однозначного детектирования физического или химического состояния в материальном носителе памяти, таким образом давая возможность обращаться к каждому оптическому логическому элементу и адресовать каждый оптический логический элемент в структуре индивидуально.
В предпочтительном воплощении оптического логического элемента материальный носитель памяти предоставляется в форме первого слоя, активатор предоставляется в форме второго слоя, прилегающего к первому слою, или предоставляется интегрированным в первом слое, и оптический детектор, который детектирует состояние в материальном носителе памяти, предоставляется в форме третьего слоя прилегающего к первому слою, причем оптический логический элемент, таким образом, образует интегрированный узел, состоящий из по меньшей мере трех или двух слоев соответственно.
Кроме того, предпочтительно, чтобы активатор был составлен из одного или более непосредственно или опосредованно испускающих излучение устройств, причем испускающее излучение устройство предоставляется на или внедрено в основной материал второго слоя. Полезно, чтобы обращались в испускающему излучение устройству и адресовали его электрически. Также полезно, чтобы испускающее излучение устройство являлось светоизлучающим диодом, предпочтительно полимерным диодом.
Кроме того, также предпочтительно, чтобы испускающее излучение устройство было настраиваемым по частоте, причем настройка частоты производилась бы в соединении с электрической адресацией. Кроме того, предпочтительно, чтобы оптический детектор был оптическим детектором с электрическим обращением и адресацией, и чтобы для электрического обращения и адресации как активатора, так и детектора, электроды и электрические проводники предоставлялись интегрированными во втором и третьем слое. Для этой цели предпочтительно, чтобы электроды и электрические проводники были основаны на электропроводящем полимерном материале.
В предпочтительном варианте воплощения оптического логического устройства материальный носитель памяти в каждом логическом элементе в форме первого слоя, активатор предоставляется в форме второго слоя, прилегающего к первому слою или предоставляется интегрированным в первом слое, и оптический детектор, который детектирует состояние в материалом носителе памяти, предоставляется в форме третьего слоя прилегающего к первому слою, причем оптический логический элемент, таким образом, образует интегрированный узел, состоящий из по меньшей мере трех или двух слоев соответственно, и каждый из слоев объединен и связан с соответствующим слоем в окружающих логических элементах структуры, таким образом образуя тело с плоской или искривленной поверхностью из связанных и взаимно прилегающих соответствующих слоев.
Каждая структура в оптическом логическом устройстве предпочтительно имеет форму тонкой гибкой пленки.
В особенно предпочтительном варианте воплощения изобретения оптическое логическое устройство включает две или более соединенных структуры, составленных в стопку на верхней части друг друга, причем оптическое логическое устройство, таким образом, образует чип- или диск-подобный узел, интегрированный из множества структур.
В варианте оптического логического устройства в соответствии с изобретением структура предпочтительно сконфигурирована полностью или частично как оптическая память, причем каждый оптический логический элемент в памяти составляет элемент памяти, к которому можно обращаться и адресовать его индивидуально. Во втором варианте оптического логического устройства в соответствии с изобретением структура предпочтительно частично сконфигурирована как оптические логические или арифметические цепи или сети таких цепей, причем каждый из оптических логических элементов в цепях составляет элемент коммутации, к которому можно обращаться и адресовать его индивидуально. В третьем варианте оптического логического устройства в соответствии с изобретением группы оптических логических элементов в структуре сконфигурированы как регистры памяти, логические регистры и арифметические регистры соответственно, причем каждый оптический логический элемент (ОЛЭ) в регистре и каждый регистр способен к тому, чтобы к нему обращались и адресовали его индивидуально, и таким способом, которым регистры могут быть совместно сконфигурированы как оптический процессор данных. Наконец, предпочтительно, чтобы в оптическом логическом устройстве обращение и. адресация логических элементов выполнялись через мультиплексные линии связи, выделенные для структуры.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения представлены ниже в формуле изобретения.
Изобретение будет теперь объяснено более подробно посредством вариантов воплощений и со ссылками на сопровождающие чертежи.
Фиг. 1а демонстрирует оптический логический элемент в соответствии с настоящим изобретением,
фиг. 1b и 1c демонстрируют функционирование оптического логического элемента как элемента двузначной логики,
фиг. 1d демонстрирует полевой транзистор с целью сравнения,
фиг. 2 демонстрирует предпочтительный вариант воплощения оптического логического элемента,
фиг. 3 демонстрирует второй предпочтительный вариант воплощения оптического логического элемента.
фиг. 4 демонстрирует принцип работы материального носителя памяти в форме материала, захватывающего электроны,
фиг. 5a-d демонстрирует принцип работы материального носителя в форме чувствительного к свету конформационно-реагирующего материала, в этом случае бактериородопсина,
фиг. 6, 7 демонстрируют дальнейшие предпочтительные варианты воплощения оптического логического элемента на фиг. 1,
фиг. 8 демонстрирует особенно предпочтительный вариант воплощения оптического логического элемента на фиг. 1,
фиг. 9 демонстрирует спектральные свойства светоизлучающих полимерных диодов,
фиг. 10 является схематической иллюстрацией светоизлучающего полимерного диода,
фиг. 11 демонстрирует первый проект оптического логического устройства в соответствии с изобретением,
фиг. 12 демонстрирует второй проект оптического логического устройства в соответствии с изобретением,
фиг. 13 демонстрирует вариант оптического логического устройства на фиг. 11,
фиг. 14 демонстрирует второй вариант оптического логического устройства на фиг. 11,
фиг. 15 является схематической иллюстрацией проекта оптического логического устройства в разобранном виде на фиг. 14,
фиг. 16 демонстрирует развитие проекта оптического логического устройства в соответствии с изобретением, основанное на варианте на фиг. 14,
фиг. 17 является схематической иллюстрацией схемы адресации оптического логического устройства в соответствии с изобретением,
фиг. 18 демонстрирует шестнадцать булевых функций двух двоичных переменных, сгенерированных оптическим логическим устройством в соответствии с изобретением, и
фиг. 19 является схематической иллюстрацией параллельного алгоритма для четырехразрядного двоичного полного сложения для реализации на оптическом логическом устройстве в соответствии с изобретением.
Фиг. 1а является схематическим рисунком предпочтительного варианта воплощения оптического логического элемента в соответствии с настоящим изобретением. Материальный носитель памяти 1 представляется в первом слое Л1, активатор 2, который может генерировать магнитное, электромагнитное или электрическое поле или поставлять энергию материальному носителю памяти 1, предоставляется в слое Л2 на одной стороне слоя Л1, в то время как детектор 3 предоставляется в слое Л3 на противоположной стороне слоя Л1. Слои Л1, Л2, Л3 могут полностью включать материальный носитель памяти 1, активатор 2 и детектор 3 соответственно, но можно также допустить, что слои Л1, Л2, Л3 могут быть сформированы из основного материала и что материальный носитель памяти 1, активатор 2 и детектор 3 соответственно встроены в него или предоставляются на нем.
Фиг. 1b символически представляет функционирование оптического логического элемента ОЛЭ в соответствии с изобретением во время записи, чтения и детектирования логического состояния 0. В этом случае энергия прикладывается к материальному носителю памяти 1 в форме света первой длины волны α1, в то время как чтение выполняется поглощением света второй длины волны α2. Детектируемый свет, который указывает на логическое состояние 0, обозначен более коротким символом фотона, для того чтобы указать на уменьшение интенсивности из-за поглощения. Фиг. 1с является подобной схематической иллюстрацией режима работы оптического логического элемента ОЛЭ во время детектирования логического состояния 1, то есть когда никакого поглощения не происходит в материальном носителе памяти 1 в слое Л1. Фиг. 1d является схематическим рисунком n-канального мощного транзистора, для того чтобы указать на аналогию между оптическим логическим элементом в соответствии с настоящим изобретением и электронным коммутационным устройством. Поглощение света чтения для логических состояний 0 и 1 соответствует напряжению стока полевого транзистора Vd.
Фиг. 2 демонстрирует вариант воплощения, в котором в активатор 2 включены одно или более непосредственно или опосредованно испускающих излучение устройств 21,...,2n, которые представляются в слое Л2. На фиг. 2 испускающие излучение устройства 21,... предоставляются встроенными в материал слоя Л2, но они могли бы также предоставляться на слое Л2. В предпочтительном варианте воплощения слои Л1 и Л2 могут быть объединены, чтобы формировать общий слой Лс. Этот уровень будет тогда включать и материальный носитель памяти 1 и активатор 2 с испускающими излучение устройствами 21,.... Этот вариант может быть полезен, если активатор разрушается в течение записи в логический элемент ОЛЭ, и это может быть важно, если он должен образовать часть запоминающего устройства типов ROM или WORM и, следовательно, не предназначается для того, чтобы быть стертым и/или перезаписанным.
Оптический материальный носитель памяти 1 должен быть чувствительным к свету и быть способным существовать в двух или больше различных физических состояниях, как обозначено на фиг. 1b и 1с. Должно быть возможным определять эти материальные состояния посредством отклика состояний на падающий пробный свет или читающий свет. Логическое состояние можно определить, возбуждая активатор по-другому, например в соответствии с определенным протоколом чтения, в соответствии с чем материальный носитель памяти 1 отвечает на падающий свет зависящим от логического состояния оптическим пропусканием или излучением света.
Основные свойства оптического логического элемента ОЛЭ явно зависят от характеристик записи/чтения материального носителя памяти. Изменения в материальном носителе памяти во время процесса записи могут быть необратимы, что приводит к оптическому логическому элементу, который реализует функции памяти типов ROM и WORM. Однако описание ниже будет сосредоточено на материальных носителях памяти, которые сохраняют информацию при выключении электропитания, но являются обратимыми, то есть они остаются в сгенерированном логическом состоянии пока на них не подействует записывающий, читающий или стирающий свет. Они могут, однако, быть стерты, уничтожены и перезаписаны много раз посредством облучения светом. Другая важная характеристика материального носителя памяти - может ли оно содержать многоуровневую информацию, то есть информацию, которая кодируется по серой шкале, или оно отвечает на протокол чтения двоичного характера, то есть или логическим состоянием 0 или 1.
Даже при том, что материальный носитель памяти 1, как описано выше, переводится из одного физического/химического состояния в другое под действием света, это не исключает использование в соответствии с изобретением других форм энергии, для того чтобы влиять на состояние материального носителя памяти. Может использоваться магнетизм, электромагнетизм или электронные поля или приложение энергии в форме высокой температуры. Это может оказаться уместным, если требуется проводить темновые реакции на стадиях процесса между логическими состояниями в материальном носителе памяти, например, применение высокой температуры для стирания информации или для генерации условий, благодаря которым падающий свет имеет эффект, например, применение электрического поля, чтобы сдвинуть полосу поглощения, если материальный носитель памяти является чувствительным к свету материалом, который поглощает на определенных длинах волн.
Из обстоятельств, изложенных выше, становится очевидным, что оптический логический элемент в соответствии с изобретением получает основные свойства от материального носителя памяти. Два типа материальных носителей памяти будут теперь описаны, оба из которых обратимы, то есть они могут проходить более чем один раз через свои логические состояния, используя подходящие протоколы для записи, чтения и стирания.
Захватывающие электроны материалы обычно входят в число органических полупроводниковых материалов, которые легируются ионами редкоземельных элементов. Захватывающие электроны материалы могут быть использованы для сохранения данных с высокой плотностью и обеспечивают высокие передачу данных и скорости восстановления. Здесь можно сослаться на статью J. Lindmayer, "A new erasable optical memory". Solid State Technology, August 1988.
Общая иллюстрация режима работы захватывающих электроны материалов приведена на фиг. 4. Запись выполняется при помощи захвата, происходящего в энергетических уровнях E и T. Когда записывающий свет возбуждает атомы двух редкоземельных металлов, примененных как легирующие примеси, их электроны переходят на энергетический уровень E, который существует в обоих типах атомов, и впоследствии захватываются на уровне T, который существует только в одном из атомов. Воздействие света в ближней инфракрасной области спектра на уровень T переводит электроны в связывающую энергетическую зону, из которой они переходят в основное состояние, что приводит к стиранию данных.
Захватывающие электроны материалы могут иметь кристаллическую решетку основного вещества в форме щелочноземельных сульфидов, таких как CaS, SrS, MgS, или их смеси. Когда в качестве легирующих примесей использованы редкоземельные элементы европий и самарий, материальный носитель памяти поглощает входящий свет на 450-550 нм, благодаря чему ионы европия поглощают энергию фотона и передают часть ее ионам самария. Последние таким образом возбуждены до состояний захвата, называемых так потому, что эти состояния устойчивы, то есть ионы самария будут стабильны в течение очень долгого периода, пока не будут освобождены из захвата посредством поглощения соответствующих квантов энергии. Последнее будет иметь место, когда материальный носитель памяти будет облучен светом с длиной волны 850-1200 нм, таким образом стимулируя ионы самария в состоянии захвата, и высвобожденные электроны испускают свет с длиной волны 600-700 нм после возврата в основное состояние. Таким образом, в этом случае запись выполняется посредством облучения светом с длиной волны 450-550 нм, в то время как чтение выполняется облучением светом с длиной волны 850-1200 нм с одновременным детектированием флюоресценции на длинах волн 600-700 нм.
Вместо захватывающего электроны материала, материальный носитель памяти мог бы быть конформационно-реагирующим материалом, особенно чувствительным к свету конформационно-реагирующим материалом, который может проходить через фотоцикл. Примерами таких материалов являются некоторые типы окрашенных белков. Белком этого вида, который был относительно хорошо изучен, является бактериородопсин, который встречается в мембране микроорганизма Halobacterium sallnarium. Для более подробного обсуждения свойств бактериородопсина с точки зрения оптического хранения данных следует сослаться на норвежскую патентную заявку N 972574, от которой настоящая заявка наследует дату приоритета и которая передана настоящему заявителю.
Когда бактериородопсин поглощает свет, он проходит через фотоцикл, который генерирует промежуточные состояния с максимумами поглощения во всем видимом диапазоне электромагнитного спектра. Это иллюстрируется схематично на фиг. 1а, которая представляет фотоцикл бактериородопсина и указывает последовательность структурных изменений, которые вызываются светом. Индуцированные светом переходы или переходы возбуждения обозначены заштрихованными стрелками, в то время как не заштрихованные стрелки указывают переходы из-за тепловой релаксации. Зеленый свет преобразовывает основное состояние бактериородопсина bR в промежуточное состояние K, которое впоследствии релаксирует, образуя состояние М и затем состояние O. Время жизни состояния М зависит, помимо всего прочего, как от температуры, так и от использованного мутанта бактериородопсина. Если бактериородопсин в состоянии O подвергается воздействию красного света, происходит так называемая ответвляющаяся реакция. Состояние O переходит к состоянию P, которое быстро релаксирует в состояние Q, форму бактериородопсина, которая, как показано, является устойчивой в течение очень длительного периода. В различных мутантах бактериородопсина, которые включают остатки аспарагиновой кислоты 85 и 96, время жизни состояния Q может достигать нескольких лет. Если аспарагиновая кислота 85 заменена неполярной аминокислотой, такой как аспарагин, то образование устойчивого состояния М невозможно и первичный фотоцикл очень быстро образует состояние О (или промежуточное состояние, очень близкое к состоянию О) (R.R. Birge, Ann. Rev. Phys. Chem., 41, pp. 683-733 (1990)). Если, однако, бактериородопсин осветить в состоянии Q синим светом, он вернется в основное состояние bR. Если состояние О не освещено красным светом, в короткое время оно релаксирует обратно в основное состояние bR. Любым двум состояниям с длинным временем жизни можно теперь присвоить значения бинарной логики 0 или 1, таким образом позволяя сохранять информацию в молекулах бактериородопсина, которые находятся в одном или другом из этих состояний.
Фиг. 5b является диаграммой первичного фотоцикла бактериородопсина. Основные фотохимические преобразования, которые существенны для использования в оптическом логическом элементе в соответствии с настоящим изобретением, в основном обозначены в диаграмме последовательно, в направлении обхода диаграммы по часовой стрелке. bR обозначает основное состояние бактериородопсина, а большие буквы указывают на различные состояния в фотоцикле. Числа в скобках обозначают средние длины волн полос поглощения для различных состояний или разновидностей бактериородопсина в нанометрах. Переходы, которые произведены с помощью фотоиндуцированного возбуждения, обозначены hv и, по возможности, постоянными времени τv, в то время как переходы, которые происходят из-за тепловых реакций, обозначены постоянными времени τp для времени релаксации первого порядка при приблизительно комнатной температуре.
Освещение молекул бактериородопсина в основном состоянии или состоянии покоя bR светом с длиной волны около 570 нм производит возбужденное состояние K, которое имеет очень короткое время жизни. Как можно заметить, состояние K имеет полосу поглощения с центром на 600 нм, что означает, что, если эффективная ширина полосы простирается до более чем 600 нм при возбуждении из состояния bR, молекулы в состоянии K будут возвращаться к основному состоянию bR. Предполагается, однако, что этот переход имеет низкий квантовый выход, и так как состояние K неустойчиво и очень быстро переходит в состояние L, большинство молекул в состоянии K будет принуждены к участию в фотоцикле, даже при том, что некоторые молекулы будут возвращаться обратно в основное состояние bR. Промежуточное состояние М, которое имеет полосу поглощения с центром на 410 нм, будет в ходе короткого периода, приблизительно 1-3 мс, термально релаксировать к промежуточному состоянию N, которое в свою очередь термально релаксирует к промежуточному состоянию О. Как установлено, в различных вариантах бактериородопсина состояние М может иметь относительно длинное время жизни, до нескольких минут и, следовательно, могло бы, возможно, быть использовано, чтобы представлять одно из логических состояний O или 1, если архивное хранение в течение очень длительных периодов не существенно. В этом месте может быть упомянуто, что состояние М фактически состоит из двух состояний М1 и М2, которые имеют по существу идентичные спектры поглощения. Кроме того, во время предыдущих попыток при голографическом хранении данных в бактериородопсине посредством состояния М наблюдались постепенные потери чувствительности и контрастности, которые, как было впоследствии доказано, были обусловлены уменьшением числа активных молекул в течение ответвляющейся реакции, в связи с их переходом в состояние P и Q (R. R. Birge, частное сообщение, 1996). На диаграмме можно заметить, что состояние М возвращается в основное состояние, когда освещено светом с длиной волны около средней длины волны поглощения состояния М 410 нм. Свет с длиной волны около средней длины волны поглощения основного состояния bR, то есть 570 нм, однако, конечно не будет вынуждать переходы из состояния М обратно в состояние bR. Состояние О имеет среднюю длину волны поглощения 640 нм, и будет, следовательно, если его осветить светом с эффективной шириной полосы, с центром на этой длине волны, таким образом вызывая ответвляющуюся реакцию в фотоцикле, переходить в промежуточное состояние P, которое имеет относительно долгое время жизни, до нескольких минут. Состояние P будет термально релаксировать в наиболее устойчивое из промежуточных состояний фотоцикла, то есть в состояние Q, которое имеет время жизни, которое, вероятно, достигает нескольких лет. Состояние Q может следовательно быть использовано для представления логических состояний, которые должны поддерживаться в течение лет. Следовательно, помимо устойчивого основного состояния bR, состояние Q является состоянием, которое лучше всего подходит для того, чтобы бактериородопсин представлял собой носитель памяти в тех случаях, в которых оптический логический элемента в соответствии с изобретением должен использоваться в оптическом устройстве хранения данных, которое пригодно для архивного хранения.
Если состояние Q осветить синим светом с эффективной шириной диапазона, с центром на средней длине волны поглощения состояния Q 380 нм, состояние Q проходит в основное состояние bR, в то время как указание времени " > 1 года" указывает, что состояние Q также будет термально релаксировать в основное состояние bR, но с постоянной времени, которая в этом случае измеряется многими годами. Посредством поглощения света с эффективной шириной диапазона с центром около средней частоты поглощения состояния P 490 нм состояние P может возвратиться в состояние О. Кроме того, в нормальном фотоцикле состояние О термально релаксирует обратно в основное состояние bR с постоянной времени приблизительно 4 мс при комнатной температуре.
Для дальнейшей визуализации фотоцикла бактериородопсина оно иллюстрируется графически на фиг. 5с. Внешний круг представляет ход фотоцикла в направлении по часовой стрелке, из одного состояния bR и далее через промежуточные состояния К, L, М, N и О обратно в основное состояние bR. Ответвляющаяся реакция фотоцикла представляется внутренней дугой окружности с состоянием P и Q, которые достигнуты из состояния О. Мета-стабильные состояния с относительно длинным временем жизни, то есть М, P и Q, показывается заштрихованными. Сектор круга представляет часть фотоцикла, которая включает состояния Q и bR, которые для целей изобретения должны рассматриваться как устойчивые. Фотоиндуцированные переходы в фотоцикле, которые имеют значение для представленного изобретения, обозначены пронумерованными стрелками. На диаграмме, кроме того, очень кратковременные промежуточные состояния, которые не имеют никакого значения для изобретения, опущены. То же самое используется в тех случаях, когда промежуточное состояние фактически составлено из отдельных состояний с приблизительно идентичными спектрами поглощения.
Спектры поглощения различных разновидностей или состояний бактериородопсина иллюстрированы на фиг. 5d, которая также указывает подходящие эффективные ширины диапазонов для
освещения разновидностей, для того чтобы произвести возбуждение в другое состояние. Можно заметить, например, что использование эффективной ширины диапазона с центром около приблизительно 600 нм будет воздействовать на состояния N, bR, К и О, но последствием такого освещения будет то, что по меньшей мере значительное количество молекул будет вынуждено перейти из bR в относительно стабильное состояние Q. Конечно возможно достигнуть того же самого результата, освещая основное состояние bR непрерывно импульсом света с центром на 570 нм, таким образом вынуждая состояние bR перейти к состоянию О, в то же время одновременно также длительно освещая бактериородопсин светом с центром на 640 нм, возможно после интервала в несколько миллисекунд, таким образом вынуждая состояние О переходить в состояние P. Применения этого способа будут обсуждены более подробно в следующем разделе. Из фиг. 5d можно также видеть, что возможно действительно возбудить состояние Q в основное состояние bR, освещая молекулы в состоянии Q светом около 380 нм или, например, с эффективной шириной диапазона 360-400 нм.
Материальный носитель памяти 1 может также быть флуоресцентным, то есть будучи возбужден активатором 2, материальный носитель памяти 1 испускает флуоресцентный свет, который детектируется детектором 3. Другими словами детектирование происходит при излучении. Использование флуоресцентных веществ для сохранения данных известно специалистам в данной области, в дополнение к тому, что оно продемонстрировано в патентной литературе, и следовательно любое дальнейшее описание будет избыточным.
Различные предпочтительные воплощения оптического логического элемента в соответствии с изобретением будут теперь обсуждены более подробно.
Фиг. 6 иллюстрирует оптический логический элемент ОЛЭ, снабженный электродами 4,4' или электрическими проводниками 5,5' для электрического обращения и адресации активатора 2 и оптического детектора 3 соответственно. Для этой цели электроды 4,4' или электрические проводники 5,5' предоставляются интегрированными во втором и третьем слоях Л2, Л3 соответственно. Как электроды 4,4', так и электрические проводники 5,5' могут предпочтительно быть основаны на электрически проводящем полимерном материале. Если электрические проводники 5,5' размещены во взаимно ортогональном положении на каждой стороне слоев Л1, Л3 соответственно, то становится возможным реализовать электроды 4,4' как точки пересечения соответствующих ортогонально размещенных электрических проводников 5,5'. Кроме того, можно предоставить еще один слой, прилежащий к первому слою Л1 или интегрированный в нем, как показано на фиг. 7, для генерации электрического поля. Это может быть достигнуто, если слой Л4 сделан из ферроэлектрических, оптоэлектрических или подобных материалов, причем сгенерированное электрическое поле затем используется, чтобы влиять на отклик оптического материального носителя памяти 1 в интервале времени, интервале частоты или интервале напряженности. В качестве примера этого можно сослаться на вышеупомянутый патент Швеции N 501106, где фотопроводящий уровень с опторезестивными свойствами предоставляется между материальным носителем памяти и матрицей электродов соответственно на одной стороне материального носителя памяти. Это позволяет, например, избирательно приложить электрическое поле к оптическому логическому элементу, если активатор является испускающим излучение устройством, при помощи одновременного приложения электрического управляющего напряжения между слоем Л1 и электродом 4.
Испускающее излучение устройство 2 может также быть полупроводниковым лазером, в форме, например, диодного лазера в слое Л2 между электродами 4,4'. Может быть предоставлено множество испускающих излучение устройств 21, . . . , 2n, как показано на фиг. 2, причем в этом случае они могут быть размещены так, чтобы испускать на различных заранее выбранных частотах, например, с помощью диодных лазеров с определенными характеристиками излучения.
Испускающее излучение устройство 2 может также быть опосредовано испускающим излучение устройством, причем в этом случае оно должно быть способно к активации внешним источником излучения 2', который не показывается более подробно. Внешний источник излучения этого вида нужно предоставлять снаружи оптического логического элемента ОЛЭ, и если оптические логические элементы объединены, образуя двумерную матрицу, составляющую оптическое логическое устройство ОЛУ, это можно сделать, поместив источник излучения на крае матрицы и снаружи ее, причем в этом случае слой Л1 должен быть способен действовать как волновод, который проводит свет через прозрачный материал слоя Л1 к опосредовано испускающему излучение устройству. Такой, имеющий форму слоя, оптический волновод Л2 может быть реализован по аналогии с полосковыми несимметричными линиями передачи или оптоволоконными волноводами и, следовательно, не будет здесь далее обсуждаться.
Желание обеспечить непосредственно адресуемое логическое устройство, основанное на непосредственно адресуемых логических элементах, однако, делает в общем случае предпочтительным использование непосредственно испускающего излучение устройства 2, предоставленного в слое Л2.
В этом случае испускающее излучение устройство 2 может быть светоизлучающим диодом, и особенно предпочтительными для этой цели являются органические светоизлучающие диоды, основанные на сопряженных полимерах. Такие светоизлучающие полимерные диоды описаны в международной патентной заявке N W0 95/31515, озаглавленной "Colour source and method for its fabrication", на которую настоящий заявитель приобрел права и которая таким образом включена в качестве ссылки. Светоизлучающие полимерные диоды этого типа могут испускать свет на нескольких длинах волн посредством изменения рабочего напряжения диода. Диоды могут испускать свет на различных длинах волн, например в основном красный при низком рабочем напряжении и синий при более высоком рабочем напряжении, в то время как при промежуточных напряжениях может быть получена остановка излучения как красного, так и синего, при изменении интенсивностей. Диоды могут быть изготовлены в виде тонкой полимерной пленки с областями сопряженных полимеров с толщиной несколько десятков нанометров, причем размер отдельных диодов не намного больше. Интегрированные в качестве испускающего излучения устройства в оптический логический элемент, следовательно, они будут совместимы с оптическими логическими элементами ОЛЭ подобного размера.
Фиг. 8 демонстрирует оптический логический элемент в соответствии с изобретением, реализованный как непосредственно адресуемый оптический логический элемент. Материальный носитель памяти 1, который в этом случае может, например, быть конформационно-реагирующим, чувствительным к свету материалом, таким как бактериородопсин, образует уровень Л1.
Поблизости к чувствительному к свету материалу 1 или структуре Л1, в слое Л2 предоставляются эмиттеры или источники света 2, предпочтительно в форме светоизлучающих полимерных диодов. Светоизлучающий полимерный диод 2 снабжается рабочим напряжением VE с помощью двух электродов 4,4', которые связаны с источником питания 6. Светоизлучающий полимерный диод 2 предоставляется прилегающим к чувствительному к свету материалу 1, то есть бактериородопсину, который должен проходить через фотоцикл. Это означает, что электрод 4' должен быть прозрачным. Кроме того, светоизлучающий диод 2, служащий для запуска фотоцикла бактериородопсина 1, должен обеспечить излучение, настраиваемое по длине волны, что подразумевает, что в этом случае уместно будет выполнить светоизлучающий диод в форме полимерных диодов, настраиваемых по напряжению, например, типа тех, которые описаны в вышеупомянутой международной патентной заявке W095/31515, в связи с которой это обсуждается более подробно. Напротив светоизлучающего полимерного диода 2 и так же прилегая к слою бактериородопсина Л1, предоставляется фотогальванический или фотопроводящий детектор 3, также в форме слоя Л3, который также снабжен электродами 4,4', которые передают напряжение сигнала VD, создаваемое детектором при детектировании света на операционный усилитель 7. Очевидно, в этом случае электрод детектора 4, который обращен к слою бактериородопсина K1, также должен быть прозрачным.
Как упомянуто, настраиваемые по напряжению источники цветного света в форме светоизлучающих полимерных диодов уже были обсуждены со ссылкой на вышеупомянутую международную патентную заявку W095/31515 и, кроме того, также более подробно описаны M.Bergen & al. Nature 372, pp. 444-446 (1994). Изменяя рабочее напряжение VE, приложенное посредством электродов, такие светоизлучающие полимерные диоды можно заставить испускать свет на различных длинах волн. Рисунки, иллюстрирующие светоизлучающие полимерные диоды этого вида, относительно распространены, и спектральная характеристика испускаемого луча света может управляться в широких пределах посредством соответствующего выбора светоиспускающих материалов. Относительно представленного описания, где требуется спектральная адаптация к светопоглощающим свойствам бактериородопсина в различных состояниях, следует предположить, что светоизлучающий полимерный диод испускает желтый свет при низком напряжении VE, и излучение синего света увеличивается при увеличении напряжения. Это иллюстрируется более подробно на фиг. 9а-с, где фиг. 9а иллюстрирует спектральную характеристику и интенсивность приложенного напряжения VE 5 В. Излучение происходит в основном в форме красного света с вершиной спектра приблизительно 630 нм. В этом случае коэффициент полезного действия - 100%. На фиг. 9b напряжение увеличивается до 16 В, и коэффициент полезного действия уменьшается до 50%. Можно заметить, что светоизлучающий полимерный диод все еще сохраняет пик излучения приблизительно на 630 нм, но в то же самое время имеет увеличивающееся излучение синего света приблизительно на 400 нм. При приложенном напряжении 21 В с коэффициентом полезного действия 20% излучение на длинах волн приблизительно 530 нм относительно сокращается, и в основном получается пик излучения синего света высокой интенсивности и с центром приблизительно на 430 нм, как показано на фиг. 9с. Управляемый напряжением эмиттер, то есть светоизлучающий полимерный диод, как описано в вышеупомянутой международной патентной заявке W095/31515, содержит ряд физически разделенных светоизлучающих областей 9,9', как показано на фиг. 8 и фиг. 10, который может быть расценен как схематический срез через слой эмиттера 12. Области 9,9' включены в прозрачный материал 8, который может, например, сам быть полимером, и каждая область 9,9' содержит только один тип светоизлучающего полимера, то есть или с узкой запрещенной зоной, который испускает главным образом желтый или красный свет (например, 9) или с широкой запрещенной зоной, который испускает синий свет (например, 9'). Если бы области 9,9' были большими и были бы размещены на относительно большом расстоянии друг от друга, то это могло бы вызывать проблемы из-за непредсказуемого и неравномерного излучения света из светоиспускающего диода, и в случае некоторых оптических лучевых конфигураций дало бы недостаточное пространственное перекрывание между красным и синим светом, который достигает заданной центральной точки в структуре бактериородопсина. Эксперименты, взятые из вышеупомянутой заявки W095/31515, показывают, что в настоящее время по меньшей мере возможно достигнуть типичных размеров и расстояний между областями в диапазоне от нескольких десятков нм до нескольких сотен нм, так что в итоге масштабный коэффициент для толщины слоя полимера или материала 8 соответствует поперечному сечению области, так как области должны соприкасаться с электродами 4,4' на поверхностях материала. Эффекты, которые из-за пространственно разделенного излучения света будут, следовательно, значимыми только для очень малых светоизлучающих полимерных диодов, обычно размером в несколько нанометров. С другой стороны, имеются также указания на то, что размер светоизлучающих полимерных диодов 2 может быть значительно уменьшен посредством уменьшения размеров областей 9,9', таким образом избегая любых неблагоприятных пространственных эффектов даже со светоизлучающими диодами приблизительно 10 нм или приблизительно такого размера. Тогда толщина эмиттерного слоя Л2 будет сравнимой, так что в результате, по меньшей мере в теории, окажется возможным реализовать оптические логические элементы в соответствии с настоящим изобретением размером самое большее несколько нм и соответствующей толщины.
Фотогальванический или фотопроводящий детектор 3 подобен по конструкции эмиттеру 2 или источнику цветного света, то есть используются полимерные диоды, подобные тем, которые показаны на фиг. 8, но теперь с областями, поглощающими свет, так что в результате, в зависимости от спектра, детектируемое изменение в интенсивности света генерирует сигнальное напряжение или выходное напряжение детектора VD на электродах 4,4'. Таким же образом детектор 3 в этом случае должен быть настроен на спектральные свойства эмиттера 2. Для детектора 3 применяются также те же самые масштабные коэффициенты, что и для светоизлучающего полимерного диода 2, причем размеры областей 9,9' определяют толщину слоя. Очевидно, толщина слоя должна быть совместима с поперечным сечением области, таким образом допуская контакт с электродами 5,5'.
Можно заметить, что оптический логический элемент ОЛЭ, который описан со ссылкой на использование чувствительного к свету органического вещества, то есть бактериородопсина, и светоизлучающих полимерных диодов, разработан, чтобы быть непосредственно адресуемым, таким образом избегая ограничений на масштабные коэффициенты, которые существовали бы, если бы свет проходил к чувствительному к свету органическому веществу через оптически активные структуры в виде преломляющих или дифракционных элементов, предоставленных снаружи структуры бактериородопсина и между ним и эмиттером. В том случае размер оптического логического элемента будет ограничен длиной волны использованного излучения света.
Оптическое логическое устройство ОЛУ в соответствии с изобретением будет теперь обсуждено со ссылкой на фиг. 11-17.
Фиг. 11 демонстрирует проект, где оптическое логическое устройство имеет форму двумерного массива или структуры S оптических логических элементов ОЛЭ и демонстрирует разрез через строку таких оптических логических элементов, причем здесь служат примером оптические логические элементы ОЛЭII и ОЛЭIn в m•n массиве, и в этом случае m=n=5. Фиг. 12 показывает оптическое логическое устройство в соответствии с изобретением, где двумерные массивы или структуры S1, . ..,Sx оптических логических элементов ОЛЭ образуют стопку в слоях, причем двумерный массив оптических логических элементов образует, таким образом, поверхность структуры S в объемном оптическом логическом устройстве ОЛУ. Оптическое логическое устройство ОЛУ, таким образом, реализовано как трехмерный массив, например с m•n•x логическими элементами, где x является числом помещенных в стопку структур S. На фиг. 12, которая схематично иллюстрирует срез через связанные строки помещенных в стопку массивов, которые образуют структуры S, например, строку m=1 в m•n массиве, причем два оптических логических элемента ОЛЭ в структуре S1 обозначены ОЛЭII и ОЛЭIn соответственно. Как показано на фиг. 12, оптическое логическое устройство ОЛУ включает пять таких структур S так, что x=5, и фиг. 12 можно вследствие этого рассматривать как иллюстрацию объемного оптического логического устройства с 5•5•5= 125 оптических логических элементов ОЛЭ. Между каждой из структур предоставляется оптически, термально и/или электрически изолирующий слой Л5.
В варианте оптического логического устройства ОЛУ группы оптических логических элементов ОЛЭ, например, в форме строк, столбцов или подмассивов массивов m•n, могут быть назначены к общему оптическому детектору 3, который охватывает все логические элементы в группе, как иллюстрируется на фиг. 13.
Как иллюстрируется на фиг. 14, каждая структура S может включать один или большее количество слоев Л6, который включает интегрированные электроды 4,4' и электрические проводники 5,5', назначенные к оптическим логическим элементам ОЛЭ, которые образуют часть структуры S и используются для обращения и адресации оптического логического устройства ОЛУ. Как иллюстрируется на фиг. 14, проводники 5,5' могут быть ортогональны друг другу, тогда будет возможно реализовать электроды 4,4' в точке пересечения проводников 5,5' в каждом оптическом логическом элементе ОЛЭ, формируя, например, диодную структуру в слоях Л2 и Л3 между точками пересечения проводников 5,5'.
Расположение непосредственно адресуемых оптических логических элементов ОЛЭ в массиве показано в перспективе на фиг. 15, где отдельные слои массива, то есть слой активатора Л2, слой материального носителя памяти Л2 и слой детектора Л3, которые формируют оптические логические элементы ОЛЭ, иллюстрируется в разобранном виде. Массив состоит из m•n логических элементов ОЛЭ и иллюстрируется на фиг. 15 фактически как 5•5 массив. Слой активатора 12 снабжен проводниками 5,5', см. фиг. 14, с электродами 4,4', помещенными в каждую из точек пересечения проводников 5,5', благодаря чему прикладывается напряжение. Если активатор 2 является светоизлучающим диодом, он теперь испустит свет, который влияет на материальный носитель памяти в форме чувствительного к свету органического вещества, такого как бактериородопсин, в слое Л1. Детектирование происходит в слое детектора Л3, где в этом случае при освещении в каждой точке пересечения предоставленных проводников 5,5', поглощающий свет диод детектора 3 установлен таким же образом. Оптический логический элемент, таким образом образованный, иллюстрируется как ОЛЭ13, и в этом случае ради простоты, каждый из слоев Л1, Л2, Л3 или матриц иллюстрируется как 5•5 матрица.
Оптическое логическое устройство, которое иллюстрируется на фиг. 15, может теперь использоваться, чтобы формировать объемное оптическое логическое устройство, состоящее из структур S в форме ряда слоев или матриц S1,...,Sx. Такое оптическое логическое устройство ОЛУ иллюстрируется в сечении на фиг. 16, и в каждом индивидуальном слое S предоставляется уровень активатора K2, уровень материального носителя памяти Л1 и уровень детектора Л3. Как и на фиг. 15, здесь предоставляются проводники 5,5', изображенные здесь интегрированными в слой Л6, и электроды в оптическом логическом элементе ОЛЭ располагаются между точками пересечения проводников 5,5'. Между каждой из структур S и, возможно, также сверху и снизу устройства ОЛУ может предоставляться оптически, термально и/или электрически изолирующий слой Л5. Ради простоты устройство, как оно иллюстрируется на фиг. 16, показано в форме куба с 5•5•5 оптическими логическими элементами, то есть всего 125. Иллюстрируется размер оптического логического элемента ОЛЭ13 внутри структуры S1, и он может соответствовать оптическому логическому элементу ОЛЭ13, как иллюстрируется на фиг. 15.
Поскольку каждый из оптических логических элементов ОЛЭ является непосредственно адресованным, то есть как эмиттер, так и детектор размещены прилегающими к чувствительному к свету органическому веществу и расположены внутри устройства, число элементов, которое может включать m•n массив, и число структур S, которые могут быть составлены в стопку на верхней части друг друга, являются просто практическими вопросами.
В оптическом логическом устройстве ОЛУ, основанном на использовании непосредственно адресуемых оптических логических элементов ОЛЭ в соответствии с настоящим изобретением, как иллюстрируется на фиг. 11-12, единственным ограничением на масштабный коэффициент, по меньшей мере в теории, являются размеры молекул материального носителя памяти 1, если используется чувствительный к свету конформационно-реагирующий материал, наряду с наименьшим осуществимым размером соответствующего активатора 2 и детектора 3. Практически эксперименты указывают на то, что при использовании светоизлучающих полимерных диодов оптические логические элементы могут быть в настоящее время реализованы в размере нескольких десятков нанометров, и соответственно малые проводящие структуры для электродов для эмиттеров и детекторов, так что в итоге реальная площадь оптического логического элемента может составлять от 2500 нм2 до 10000 нм2. В самом плохом случае это составляет 1010 оптических логических элементов на cм2, и при реализации объемно с соответствующей толщиной слоя становится возможным достигнуть в оптическом логическом устройстве в соответствии с изобретением значения 1015 непосредственно адресуемых оптических логических элементов в 1 см3. Предполагается возможным достигнуть улучшения линейных размеров на один порядок, таким образом позволяя реализовать 1018 оптических логических элементов в соответствии с настоящим изобретением в 1 см3. Для того чтобы дать представление о емкости памяти такого оптического логического устройства, реализованного в качестве оптической памяти, следует упомянуть, что это значение соответствует сохранению 1014 обычных книжных страниц, что может быть достаточно для большинства типов архивного хранения.
Фиг. 17 схематически иллюстрирует схему адресации одиночной структуры S1 в оптическом логическом устройстве ОЛУ в соответствии с изобретением. Ради простоты фиг. 17 иллюстрирует структуру S1 в форме 5•5 массива, то есть с 25 логическими элементами. Для каждой строки или столбца массива предоставляются электрические проводники 5,5' в ортогональном расположении, таким образом позволяя обращаться и адресовать оптический логический элемент в точках пересечения проводников 5,5'. С такой схемой также возможно адресовать и активизировать все оптические логические элементы ОЛЭ. Проводники 5,5' присоединены к соответствующим цепям формирователя 10, 11, которые связаны через интерфейс 12 с основной шиной 13, которая иллюстрируется в сечении на фиг. 17 и простирается вертикально до плоскости рисунка таким образом, что она связана со всеми структурами S, которые образуют часть оптического логического устройства ОЛУ. Это может быть целесообразно для адресации, которую нужно выполнить в иерархической структуре, которая может однозначно адресовать оптическое логическое устройство ОЛУ, например, на структурном уровне, или функционально кооперированные группы оптических логических элементов ОЛЭ в каждой структуре S или одиночном оптическом логическом элементе ОЛЭ в структуре S. Специалисты в данной области понимают, что имеется ряд вариантов реализации непосредственного доступа и адресации объемного оптического логического устройства, и что также возможно выполнить параллельное обращение и адресацию, используя мультиплексные линии связи. Порядок обращения и адресации, однако, не является частью настоящего изобретения и поэтому не будет обсуждаться здесь подробнее.
Оптическое логическое устройство ОЛУ в соответствии с изобретением подходит не только для хранения данных, но может также быть реализовано как устройство для обработки данных. В этом случае обработку данных следует понимать в том смысле, что оптические логические элементы объединены в оптические логические сети, для того чтобы выполнять логические операции или посредством оптических логических элементов и цепей оптических логических элементов, которые выполняют эти функции, или в арифметических цепях, для того чтобы выполнять двоичные арифметические операции, реализованные посредством арифметических регистров, основанных на двузначной логике. Будет таким образом возможно конфигурировать группы логических элементов ОЛЭ в структуре S как регистры памяти, логические регистры и арифметические регистры, поскольку к каждому логическому элементу ОЛЭ в регистре и каждому регистру можно обращаться и адресовать его независимо. Регистры могут быть конфигурированы совместно, чтобы образовать собой оптический процессор данных. Эта оптическая технология данных аналогична стандартной технологии данных, основанной на полупроводниковых составляющих и знакома специалистам в данной области. В этой связи можно сослаться, например, на работы Alastair D. McAulay, "Optical Computer Architectures. The Application of Optical Concepts to Next Generation Computers", John Wiley & Sons 91991), especially "Part II: Subsystems for Optical Computing", стр. 127-342.
Оптические логические элементы ОЛЭ в соответствии с изобретением могут быть объединены в оптическое логическое устройство ОЛУ, которое должно использоваться для обработки данных, образуя логические цепи, которые, например, могут выполнять все возможные шестнадцать булевых логических функций двух двоичных переменных, использован ли в качестве материального носителя памяти захватывающий электроны материал или чувствительный к свету конформационно-реагирующий материал, такой как бактериородопсин. Комбинация четырех оптических логических элементов ОЛЭ, которые реализуют эти шестнадцать булевых функций, иллюстрируется на фиг. 18, выполненная в виде массива 2•2, причем логический 0 заштрихован и логическая 1 не заштрихована. Эти шестнадцать булевых функций двух двоичных переменных иллюстрируются в таблице I, тогда как таблица II показывает, как булевы функции генерируются комбинацией логических операций.
Со ссылкой на таблицу III теперь будет показано, как некоторые булевы логические функции двух двоичных переменных реализуются посредством оптических логических элементов ОЛЭ, где материальный носитель памяти 1 является захватывающим электроны материалом. В этом случае захватывающий электроны материал приводится к основному состоянию посредством освещения синим светом. Последующее освещение красным светом высвобождает захваченные электроны, причем испускается оранжевый свет. В этом случае активатор 2 должен быть разработан в виде двух разделенных адресуемых испускающих излучение устройств, например, в виде настраиваемого по напряжению светоизлучающего диода. Полосовой фильтр может использоваться на этом этапе, который может быть выполнен в форме слоя между материальным носителем памяти 1, то есть захватывающим электроны материалом, и детектором 3, таким образом блокируя синий и красный свет. Вследствие этого только вынужденный оранжевый флуоресцентный свет будет обнаружен.
Если как материальный носитель памяти использован бактериородопсин, в этом случае материальный носитель памяти проявит различные логические состояния изменениями в оптической проницаемости, детектирование, таким образом, производится в режиме поглощения, а не в режиме излучения, как имеет место при флюоресценции. Пример реализации некоторых булевых логических функций двух переменных иллюстрируется в таблице IV, где принимается, что использован фотоцикл для бактериородопсина, где молекулы переходят между основным состоянием bR и метастабильным состоянием М. Освещение состояния bR желтым светом приводит к переходу в состояние М, которое поглощает синий свет, в то время как освещение синим светом в состоянии М возвращает молекулы бактериородопсина в основное состояние bR. Состояние молекулы может контролироваться при помощи измерения поглощения синего света посредством слабого синего пробного луча. В схеме, иллюстрируемой в таблице IV, где использован синий свет, как для стадии предварительной обработки, так и для входного сигнала, также как для выходного сигнала, будет необходимо выполнить разделение с помощью упорядочивания времени. Фотоцикл, который включает состояние М, частично выполняется термально с постоянными времени τp которые могут составлять несколько миллисекунд. Чтобы достигнуть высоких скоростей полной обработки необходимо адресовать параллельно оптические логические элементы ОЛЭ в оптические логические элементы ОЛЭ в оптическом логическом устройстве ОЛУ или в группах таких оптических логических элементов ОЛЭ. Использование бактериородопсина как материального носителя памяти 1, однако, предлагает отдельные возможности реализации логических схем, основанных на использовании оптического логического элемента ОЛЭ в соответствии с настоящим изобретением. Может быть упомянуто, что как обработка состояния bR посредством желтого света, так и обработка состояния М посредством синего света, являются фотохимическими реакциями, то есть они производятся фотонами, и что в каждом случае скорость коммутации главным образом зависит от интенсивности использованного светового излучения. Также возможно использовать коммутацию между, например, основным состоянием bR и состоянием K, причем этот переход происходит очень быстро τv 10 пс). После поглощения синего света в bR состоянии молекула переходит в состояние K через промежуточное состояние J в течение нескольких пикосекунд. Состояние К поглощает на длине волны, которая сдвинута по сравнению с длиной волны поглощения состояния bR, то есть на длине волны 590 нм, и может возвращаться в состояние bR посредством очень быстрого фотоиндуцированного процесса, который длится самое большее несколько наносекунд. При использовании бактериородопсина как материального носителя памяти может также быть привлекательным использовать долгоживущее устойчивое состояние Q, которое образует часть из вышеупомянутой ответвляющейся реакции фотоцикла бактериородопсина. Использование основного состояния bR и состояния Q соответственно даст высокую спектральную изоляцию между входным светом (записывающим светом) и пробным светом (читающим светом), также как простую и непосредственную реализацию логических схем, которые реализуют булевы функции. Один из возможных недостатков - это относительно низкая скорость цикла между состояниями, но, снова реализуя оптическое логическое устройство в соответствии с изобретением с возможностью сплошной параллельности в адресации, будет возможно достигнуть очень высоких скоростей передачи данных.
Если оптическое логическое устройство в соответствии с изобретением должно быть реализовано как оптический процессор данных, это подразумевает, что должно быть возможно реализовать арифметические регистры, которые выполняют двоичные арифметические операции. Пример параллельного алгоритма для четырехразрядного полного сложения иллюстрируется на фиг. 19 и может быть выполнен с помощью логических элементов с материальным носителем памяти, основанном, например, на захватывающем электроны материале или бактериородопсине, см. фиг. 18. Двоичный полусумматор очень просто может быть составлен из логического элемента "исключительное ИЛИ" для суммы и конъюнктора для переноса. Чтобы реализовать полное сложение, нужно учесть перенос из полусуммирования младшего бита. Следовательно, требуются логические элементы с тремя входами. Это исключает использование оптических логических элементов ОЛЭ в соответствии с настоящим изобретением, так как они имеют только два входа для логической операции. Чтобы преодолеть эту проблему может быть использован итерационный алгоритм с параллельным потоком, и пример четырехразрядного сложения, которое требует только четыре итерации, представлен на фиг. 19. Преимуществом этого алгоритма является то, что ряд shift-and-logic операций может выполняться неоднократно посредством того же самого оптического логического элемента с двумя входами, то есть в случае захватывающего электроны материала или бактериородопсина со светом на двух длинах волн. Параллельные логические операции "исключительное ИЛИ" и "И" могут выполняться оптическим логическим элементом. В качестве альтернативы, смещенный промежуточный выходной сигнал может быть возвращен обратно к логическому устройству через детектор и систему адресации, чтобы возбудить оптический логический элемент светом на входных длинах волн. Предполагается, что во всяком случае вся оптическая система может быть реализована на основе этого принципа посредством оптических логических элементов ОЛЭ и с материальным носителем памяти или в форме захватывающего электроны материала или конформационно-реагирутощего материала, который может подвергаться фотоциклу, такого как бактериородопсин, если активатор является светоизлучающим, настраиваемым по длине волны полимерным диодом, как описано выше.
Вышеупомянутые примеры реализации булевых логических функций и арифметических операций, как и следовало понимать, предназначены для примера, и специалистам в данной области понятно, что в области настоящего изобретения возможно не только реализовать такие операции, но все логические и арифметические операции в двузначной логике вообще с помощью оптического логического устройства в соответствии с изобретением, сконфигурированного в архитектуру, которая осуществляет оптический процессор данных с большой емкостью и скоростью. Нет никакой причины, почему оптическое логическое устройство ОЛУ в соответствии с настоящим изобретением не должно быть сконфигурировано в большой компьютер с рядом процессоров, которые могут быть адресованы и могут работать в сплошной параллельности. Если процессоры выполнены как систолические векторные процессоры и если использована динамически оптимизируемая топология сети, использование непосредственно адресуемых оптических логических элементов в соответствии с настоящим изобретением повышает эффективность и емкость, которые на несколько порядков превосходят стандартную, основанную на полупроводниках, технологию, и дополнительно влекут за собой преимущества, которые, кажется, способна реализовать только основанная на оптике технология данных.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ОПТИЧЕСКИЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБЫ ЕГО СООТВЕТСТВУЮЩЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ОПТИЧЕСКОЙ АДРЕСАЦИИ, А ТАКЖЕ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ОПТИЧЕСКОМ ЛОГИЧЕСКОМ УСТРОЙСТВЕ | 1998 |
|
RU2186418C2 |
| СПОСОБ ФОТОПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ РЕТИНАЛЬСОДЕРЖАЩЕГО БЕЛКА И ОПТИЧЕСКИЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ НА ЕГО ОСНОВЕ | 2009 |
|
RU2420773C1 |
| ОПТИЧЕСКИЙ НАКОПИТЕЛЬ ДАННЫХ И СПОСОБЫ ОПТИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ И СЧИТЫВАНИЯ | 1996 |
|
RU2146397C1 |
| ЭЛЕКТРИЧЕСКИ АДРЕСУЕМОЕ УСТРОЙСТВО, СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АДРЕСАЦИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭТОГО УСТРОЙСТВА И ЭТОГО СПОСОБА | 1998 |
|
RU2182732C2 |
| ОПТИЧЕСКОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО | 1996 |
|
RU2159471C2 |
| ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ | 2002 |
|
RU2227272C2 |
| ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЙ ДО ОБЪЕКТА | 2016 |
|
RU2626973C1 |
| ОПТИЧЕСКИЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ) | 2019 |
|
RU2723906C1 |
| ПОЛНОСТЬЮ ОПТИЧЕСКИЙ ЛОГИЧЕСКИЙ БАЗИС НА ОСНОВЕ МИКРОКОЛЬЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА | 2018 |
|
RU2677119C1 |
| ЭЛЕКТРОДНОЕ СРЕДСТВО С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ИЛИ БЕЗ НЕГО И ЭЛЕКТРОДНОЕ УСТРОЙСТВО, СФОРМИРОВАННОЕ ИЗ ЭЛЕКТРОДНОГО СРЕДСТВА С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ | 1998 |
|
RU2216820C2 |
Оптический логический элемент включает оптический материальный носитель памяти 1, который может переходить из одного физического или химического состояния во второе физическое или химическое состояние. Материальный носитель памяти 1 представлен в или на слоистой структуре. Активатор 2 генерирует магнитное, электромагнитное или электрическое поле или прикладывает энергию к материальному носителю памяти 1. Оптический детектор для детектирования оптического ответа материального носителя памяти, обусловленного физическим или химическим состоянием материального носителя памяти, представлен в или рядом с существенно слоистой структурой, причем оптический логический элемент (ОЛЭ), таким образом, составляет интегрированный узел. Оптическое логическое устройство (ОЛУ) включает по меньшей мере одну структуру (S), составленную из оптических логических элементов. Технический результат: упрощение и высокая скорость передачи. 2 с. и 29 з.п. ф-лы, 19 ил., 4 табл.
| US 5479384 A, 26.12.1995 | |||
| Оптическое бистабильное устройство | 1990 |
|
SU1784938A1 |
| US 5223355 A1, 29.06.1993 | |||
| Домовый номерной фонарь, служащий одновременно для указания названия улицы и номера дома и для освещения прилежащего участка улицы | 1917 |
|
SU93A1 |
