Пред.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
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 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 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
Рис. 2.8. Время восстановления вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, использующего квантово-размерную структуру на GaAs без 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
Рис. 2.9. Фрагмент матрицы
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 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
|
1 |
Оглавление
|