2.3. Требования к характеристикам нелинейных устройств и материалам

Оптические бистабильные устройства и логические элементы, чтобы не возникало проблем из-за выделяемого тепла, должны при выполнении большого числа параллельных операций работать с малыми затратами мощности. Расчеты, проведенные с учетом статистических свойств света, показывают, что необходимо по крайней мере примерно 300 фотонов на бит и тогда частота появления ошибок будет менее При этом, например, затраты энергии для устройства, работающего в видимом диапазоне длин волн, составят приблизительно . А при условии, что мы хотим достичь скоростей переключения порядка величина потребляемой мощности должна составлять (если, конечно, такие энергии и скорости достижимы). Устройства должны иметь малые размеры (несколько квадратных мкм), работать при удобных значениях температуры (например, комнатной) и длины волны!

Указанные выше желательные параметры нелинейных устройств в свою очередь накладывают определенные требования на материалы. Так, для переключения при малых мощностях необходимо наличие у материалов сильных нелинейных свойств (больших Быстрый отклик и малые времена релаксации нелинейной среды позволили бы достичь коротких циклов переключения. Нелинейность должна существовать при комнатной температуре. Полупроводники и до некоторой степени органические и фоторефрактивные материалы удовлетворяют большинству этих требований. Однако материал, который удовлетворял бы одновременно всем этим требованиям, еще не найден. Электронные и оптические свойства полупроводников, используемых в нелинейных устройствах, можно изменить, если воспользоваться особыми свойствами электронов проводимости в полупроводниках, облучаемых квантами света с энергиями, близкими энергии ширины запрещенной зоны. В этом случае многие полупроводники, а в частности GaAs, пригодны для создания электронных, оптических или оптоэлектронных устройств. Полупроводники также вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к нелинейным резонаторам Фабри — Перо. Они привлекают тем, что дают возможность получить соответствующий коэффициент поглощения (будучи умноженным на длину он составляет на очень коротких расстояниях (~1 мкм), что позволяет создавать

устройства очень маленьких размеров. Малая длина нелинейного резонатора Фабрн — Перо обеспечивает малое время полного обхода резонатора светом, так что предельные времена переключения, обусловленные временем нарастания импульса в резонаторе, составляют обычно субпикосекунды Малая длина резонатора также обеспечивает более высокую степень фокусировки света без существенного увеличения потерь на расходимость, что позволяет снизить мощность и энергию переключения. Кроме того, чем лучше сфокусировано лазерное излучение, тем меньше может быть сделан размер переключающего устройства, что справедливо в том случае, если, например, можно исключить диффузию носителей за счет подбора размеров ячейки (см. ниже).

Существование резонансных эффектов в полупроводниках, характеризуемых большими оптическими нелинейностями, позволяет получить малые мощности переключения. Например, в квантоворазмерных структурах на нелинейная добавка к показателю преломления связанная с резонансом свободных экситонов при комнатной температуре, составляет Полупроводники имеют довольно малые времена релаксации, соответствующие нано- и субна-носекундным временным интервалам, что обусловливает малые времена переключения. Увеличенная поверхностная рекомбинация уменьшила время жизни носителей и время восстановления вентиля построенного на резонаторе Фабри — Перо, заполненном GaAs, до величин менее Облучение сверхрешеток пучками протонов [6] также позволяло получить близкие времена релаксации. Некоторые полупроводниковые устройства, такие как квантоворазмерные структуры на сохраняют свои нелинейные свойства при повышенных температурах [7] и позволяют достичь переключения при комнатной температуре [8, 9].