2.6. Оптические логические элементы Фабри — Перо (ОЛЭФП)

Используемые в экспериментах по бистабильности и описанные выше нелинейные элементы Фабри — Перо способны выполнять большое число различных логических операций [23, 24]. Процедура получения логических операций достаточно наглядно проявляется при рассмотрении эксперимента по накачке и зондированию устройства. Сигнал накачки при сравнительно низких интенсивностях сильно взаимодействует с нелинейной средой, в то время как высоко интенсивный зондирующий сигнал, сравнительно слабо взаимодействующий со средой, настроен на область максимума пропускания. Сдвиг этого пика пропускания, вызванный накачкой входным пучком, изменяет пропускание зондирующего луча и в зависимости от начальной степени отстройки зондирующего пучка относительно максимума пропускания (рис. 2.5) может приводить к выполнению таких логических функций, как ИЛИ-HE, И-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИЛИ, И. Например, когда зондирующий луч изначально (т. е. в отсутствие входного сигнала) смещен вправо от максимума пропускания, реализуется функция ИЛИ-НЕ, потому что уровень входного сигнала «1» или «2» смещает максимум в сторону от длины волны зондирования. Коэффициент пропускания зондирующего пучка определяет выходной сигнал, поэтому он будет низким в обоих случаях.

Логические вентили на основе ОЛЭФП наиболее эффективно реализуются тогда, когда и входной, и зондирующий сигналы представляют собой импульсы с длительностью много меньшей, чем время релаксации среды. Это уменьшает

(кликните для просмотра скана)

затраты энергии в пересчете на одну логическую операцию, поскольку атомы, которые должны быть возбуждены, чтобы получить достаточно сильный нелинейный эффект, нуждаются лишь в однократном возбуждении. Бистабильный режим работы устройства или режим работы с выдачей непрерывного сигнала, характеризуемого, кроме того, усилением сигнала, будет поддерживаться по крайней мере на протяжении среднего времени релаксации среды, таким образом за время выполнения логической операции атомы релаксируют и повторно возбуждаются. Время полного цикла выполнения операции в импульсном режиме также сведено до минимума, потому что в этом случае отсутствует постоянная засветка на входе, и релаксация происходит в темноте, с минимальным временем релаксации.

Для того чтобы получить большой коэффициент усиления за времена, много меньшие среднего времени релаксации, или достичь чувствительности нелинейной среды к входному пучку, а не к зондирующему сигналу, устройство должно каким-то образом различать входной и зондирующий лучи. Для этого могут быть использованы такие параметры, как длина волны, поляризация, а также различия в геометрии прохождения

Рис. 2.5. Положение пика пропускания для величин входного сигнала в 0 ,1 или 2 (показано сверху над пиками). Начальное значение отстройки резонатора, отложенное по горизонтальной оси, выражено в единицах ширины пика пропускания на полувысоте. Указанные в таблице логические функции получены при пяти значениях отстройки. Дробные значения в столбцах таблицы под значениями входного сигнала (0, 1, 2) представляют собой приближенные значения пропускания зондирующего излучения, когда каждый входной сигнал сдвигает пик пропускания на одну ширину. Показаны значения функций вентиля, полученные при пропускании и отражении зондирующего луча [23].

света или во временах прохода света в материале. Селективность по длине волны привлекает тем, что она часто реализуется очень простыми средствами. При этом для дальнейшей оптимизации как устройства, так и всей системы остается возможность использовать поляризацию, длину волны и т. д. Входной и выходной сигналы в данном случае соответствуют разным длинам волн, поэтому при необходимости реализации в схеме петли обратной связи на материал накладываются серьезные дополнительные ограничения. (Данный вывод касается любого устройства, которое преобразует выходной сигнал в длину волны входного сигнала.) Причем во втором вентиле предпочтительно использовать нелинейный материал со свойствами, обратными к свойствам материала в «первом» устройстве. Другими словами, желательной является чувствительность к длине волны первого зондирующего луча, а не к длине волны первого входного луча. В этом случае действительно возможно построение замкнутой схемы, содержащей два взаимно обратных логических вентиля. Для задач, требующих нескольких шагов обработки данных, можно построить каскад резонаторов Фабри — Перо, заполненных полупроводниковыми материалами, с последовательно увеличивающимися длинами волн.

Режим работы с двумя длинами волн позволяет провести эффективную оптимизацию схемы с помощью двух зеркал, имеющих большой коэффициент отражения на длине волны зондирующего луча (чтобы получить хорошую настройку резонатора), но пропускающих входной луч [24]. Такая конструкция при заполнении резонатора слоем GaAs или квантоворазмерными структурами на GaAs позволила при выполнении логических операций получить контраст при энергии входного сигнала лишь 3 пДж [24]. Для чисто оптического логического устройства это представляет собой минимальное из значений энергии переключения, о которых когда-либо сообщалось в печати; однако сюда не включена «неактивная» энергия зондирующего луча, величина которой определяется коэффициентом пропускания устройства и требованиями к усилению выходного сигнала. Энергия зондирующего луча примерно в 10 раз больше энергии входного луча, но поглощение последнего должно быть мало. На рис. 2.6 с целью демонстрации релаксационных характеристик показаны функции отклика устройства, на вход которого подан сигнал в 8 пДж (импульсы генерируются в режиме с синхронизацией мод); представленные зависимости соответствуют случаю непрерывного облучения устройства зондирующим лучом. Если импульс зондирующего излучения подается сразу же за импульсом входного сигнала, то на него не будут оказывать влияние изменения максимума пропускания, происходящие в процессе

релаксации при переходе через значение, равное длине волны зондирующего луча. Например, в элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ при подаче двух импульсов входного сигнала зондирующий импульс отследил бы только состояние, возникающее после подачи входного импульса, соответствующее минимуму пропускания, а не состояние среды, соответствующее максимуму пропускания. В работе [25] описаны эксперименты, в которых время отклика GaAs-вентиля ИЛИ-HE определялось

Рис. 2.6. Экспериментальные результаты, полученные с помощью оптических логических элементов (ОЛЭФП): а) зависимость пропускания зондирующего пучка от времени при наличии входных сигналов. Отклик слева обусловлен входным импульсным сигналом в 8 пДж (входной сигнал —1); отклик с правой стороны обусловлен входным сигналом в 16 пДж (входной сигнал —2); б) те же зависимости, что и для а), при перекрытом зондирующем пучке (нулевой уровень сигнала); в) отраженные сигналы от входных импульсов при перекрытом зондирующем луче. Отраженные сигналы измеряются тем же самым фотодиодом, при введенной в систему четвертьволновой пластинке. Данная методика обеспечивает точную синхронизацию разверток а) и в). Входные импульсы были одинаково для всех вентилей и показаны только для случая вентиля

ИЛИ-НЕ [24].

Рис. 2.7. Временной отклик в для вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, использующего квантоворазмерную структуру на GaAs [25].

с помощью фемтосекундной лазерной системы. Временная характеристика, соответствующая времени переключения бистабильного устройства, может быть получена путем измерения того, насколько быстро сдвигается пик пропускания резонатора Фабри — Перо в ответ на воздействие входного пучка. Полученное для работающего при комнатной температуре устройства время отклика является минимальным для оптических логических устройств с малым потреблением мощности (рис. 2.7). Время возврата вентиля в исходное состояние, которое соответствует времени выключения бистабильного

Рис. 2.8. Время восстановления вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, использующего квантово-размерную структуру на GaAs без «окон». Устройство демонстрирует времена восстановления (ограничения связаны с измерительной системой). Увеличенная поверхностная рекомбинация привела к меныинм временам жизии носителей и, следовательно, меньшим временам восстановления элемента [5].

устройства (без применения таких специальных методик уменьшения времени выключения, как увеличение поверхностной рекомбинации или протонная бомбардировка), составляло несколько наносекунд вследствие больших времен жизни носителей (рис. 2.6). Однако увеличение поверхностной рекомбинации, получаемое при удалении верхнего «окна» из AlGaAs, позволило достичь меньшего времени жизни носителей и времени восстановления для устройства на GaAs менее 200 пс (рис. 2.8) [5]. Реально это устройство представляет собой двумерную матрицу ячеек, при этом каждая ячейка имеет размеры мкм [26]. На рис. 2.9 показан фрагмент матрицы. Резонатор Фабри — Перо толщиной 0,5 мкм, заполненный GaAs и не имеющий «окон» из AlGaAs, демонстрирует фактически полное восстановление пропускания за при энергии входного импульса в Данные цифры указывают на то, что в потенциале возможен режим работы с частотой переключения более 5 ГГц. Все эксперименты с ОЛЭФП до настоящего времени проводились при комнатной температуре и в них преобразовывали коротковолновое (с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны) входное излучение в более длинноволновое (с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны). Процессы преобразования меньшей частоты в большую частоту, по-видимому, возможны в охлаждаемых элементах на GaAs, а также при заполнении

Рис. 2.9. Фрагмент матрицы ячеек на GaAs, изготовленной плазменным травлением. Каждая ячейка имеет размер мкм [2].

Рис. 2.10. Пропускание вентильного элемента ИЛИ-HE в зависимости от времени задержки зондирующего сигнала. Из зависимости следует, что полное время восстановления элемента около

резонатора и охлаждении элемента до температуры жидкого гелия [11], т. е. там, где удается получить обособленный пик поглощения. Такие процессы также должны быть возможными при комнатной температуре в случае использования переходов между состояниями в квантовых ямах в квантоворазмерных структурах на GaAs [28]. Дальнейшая работа по улучшению характеристик материалов и использованию новых методов может существенно упростить задачу каскадирования резонаторов Фабри — Перо, работающих на двух частотах, что в настоящее время представляет собой весьма сложную задачу.

Важная особенность, отличающая ОЛЭФП от бистабильных устройств, состоит в том, что они являются (используя обиходный термин из электротехники) трехполюсниками, т. е. ОЛЭФП «изолирован» от выхода, поскольку любая обратная связь не оказывает на него значительного влияния. Это свойство может иметь достаточно большое значение в реальных системах, где неизбежно присутствует определенное влияние обратной связи. Более того, ОЛЭФП могут быть просто блокированы от света даже на длине волны входного сигнала, если он почему-либо распространяется в устройстве в обратном направлении, т. е. от выхода ко входу устройства, что позволяет снизить требования, предъявляемые к величине входного сигнала. Схема, названная «диод данных» (data-diode), имеет входное пропускающее зеркало только на одной стороне, в то время как другое зеркало полностью отражает входной сигнал. Таким образом, падающий по заданному направлению луч совершает двойной проход через нелинейную среду, в то время как аналогичный сигнал, поступающий в схему по какой-либо причине с противоположной стороны, отражается, не попадая во внутрь. Такое недавно опробованное устройство при

правильной настройке продемонстрировало контраст но потребовалось удвоить энергию входного сигнала, чтобы получить хотя бы заметный отклик при перевороте устройства другой стороной.