книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики
..pdf
ЧАСТЬ II. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ОПТОИНФОРМАТИКИ
ГЛАВА 8. ОПТИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ, ХРАНЕНИЕ И СЧИТЫВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ
8.1. УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ1
Устройства памяти – устройства для записи, хранения и воспроизведения информации.
Носитель информации – физический сигнал или среда. Сама информация задается параметрами сигнала или параметрами состояния среды. Процесс записи информации – воздействие сигнала на носитель, изменяющее состояние этого носителя. Считывание информации – изменение параметров считывающего сигнала или его генерация под действием носителя.
Физические способы записи, хранения и считывания информации могут быть электрическими, магнитными, оптическими, акустическими и др.
Элемент памяти (ЭП) – наименьший участок среды носителя информации, позволяющий хранить единицу информации.
Бистабильный элемент информации может принимать и хранить два стабильных состояния. Число битов информации n, которое может хранить q-стабильный элемент, определяется как
nlog2 q.
Ввычислительной технике информация хранится блоками по n бит, называемых словами или ячейками памяти. При n = 8 слово содержит 8 бит = 1 байт.
Характеристики устройств памяти:
–время записи (считывания) информации определяется временем переключенияэлементапамятиизодногоустойчивогосостояниявдругое;
–характерное время хранения информации определяется физическими принципами ее хранения;
1 По материалам работы [1].
161
–плотность размещения информации измеряется как отношение числа битов, сохраняемых носителем, к его площади или объему (для объемных носителей);
–информационная емкость устройства памяти определяется произведением полного числа элементов памяти (ЭП) на число битов в ЭП.
8.1.1.Элементы памяти на макроскопических структурных изменениях (нарушениях формы) носителя
Запись и хранение информации осуществляются нарушением поверхности или рельефа носителя, механической перфорацией носителя. Считывание механическим, электромеханическим или оптическим методом. Пример: оптические диски. Запись – прожиганием отверстий лазерным пучком в непрозрачной подложке. Считывание информации – лазерным пучком меньшей интенсивности из-за различия коэффициентов отражения ЭП, подвергнутых и не подвергнутых действию лазерного облучения. Каждый элемент памяти имеет два стабильных состояния и позволяет хранить 1 бит информации.
На стандартном оптическом диске диаметром 30,5 см хранится 12–32 Гбит. Время записи (считывания) информации для оптического диска составляет от 100 до 500 мс. Плотность записи 108 бит/см2, высокая светочувствительность 10–9 Дж/бит.
Запись осуществляется маломощными полупроводниковыми лазерами 5–10 мВт. Сравнительно простая технология, низкая стоимость носителей и процессов записи. Запись одного бита информации на оптическом диске в тысячу раз дешевле, чем магнитная запись на лентах и дисках. Низкая стоимость и надежность в эксплуатации – решающие факторы широкого практического применения оптических дисков.
8.1.2. Магнитные элементы памяти
Принцип действия основан на сохранении намагниченности носителя после выключения внешнего магнитного поля. Различают магнитные ЭП на ферритовых кольцах и магнитных лентах. Другим типом являются ЭП на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). В нем пе-
ремещение ЦМД осуществляется по направлению от головки записи к головке чтения при приложении внешнего продольного поля. Поле создается коммутацией тока системой проводников в подложке.
Минимальный размер магнитных ЭП составляет 5 мкм для дисков и 1 мкм для ЦМД. Плотность записи информации для магнитной
162
ленты 600 бит/мм, для магнитного диска 104 бит/мм2, для устройства на ЦМД 105 бит/мм2.
Характерное время сохранения информации – от нескольких лет до десятков лет. Время записи (считывания) для магнитной ленты 1 100 кбит/с, для магнитных дисков 10 Мбит/с, для устройств па-
мяти на ЦМД 1 Мбит/с.
Достоинствами магнитных устройств памяти являются энергонезависимость (сохранение информации при отключении питания) и высокая радиационная стойкость.
Недостаток: потеря информации в сильных магнитных полях
ипри высоких значениях температуры.
8.1.3.Электрические элементы памяти
Воснове работы лежат различные эффекты перераспределения в ЭП тока, заряда или напряжения. Наиболее распространенными являются полупроводниковые устройства памяти. Рассмотрим постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). В них информация записывается на этапе изготовления устройства памяти путем наличия или отсутствия перемычки в виде цепи истока полевого транзистора. Современные ПЗУ
емкостью 1 Мбит состоят из ЭП площадью 30 мкм2 и с временем переключения (80–150) нс.
Динамика увеличения плотности хранения информации для полупроводниковых устройств памяти приведена на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Увеличение плотности хранения информации для полупроводниковых устройств памяти в зависимости от времени [1]:
1 K = кбит, 1 М = Мбит
163
Рис. 8.2. Предельныехарактеристикиразличныхустройствпамяти. Нейронмозгаимеетвремяпереключения 10 1 с, мощность 10 9 бит(Вт), энергиюпереключения1 пДж[1]
Сравнение предельных характеристик устройств памяти приведено на рис. 8.2.
8.2.ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПАМЯТИ
Воснове оптических ЭП лежит явление оптической бистабильности. Для создания бистабильного устройства требуется два свойства: нелинейность и обратная связь.
Оптическая бистабильность – самовоздействие света в нелинейных системах с обратной связью. Определенной интенсивности и поляризации падающего излучения соответствуют два возможных устойчивых стационарных состояния поля прошедшей волны, которые отличаются амплитудой или параметрами поляризации.
Именно обратная связь в нелинейных системах является причиной возникновения области значений параметров интенсивности и поляризации падающего излучения, для которой передаточные характе-
ристики выходной интенсивности In, степени эллиптичности п и угла наклона главной оси эллипса поляризации п неоднозначно зависят от характеристик падающего излучения (I, , ) .
Если двум фиксированным значениям падающего излучения (I, , ) соответствуют два стационарных состояния поля прошедшего
излучения (Iп, п, п) , тогда в этой области параметров (I, , ) в опти-
164
ческой системе реализуется оптическая бистабильность. Наряду со стационарными состояниями в нелинейной системе с обратной связью могут возникать режимы устойчивого, периодического, субгармонического и хаотического изменения интенсивности поляризации света.
8.2.1.Амплитудная бистабильность
впассивном кольцевом оптическом резонаторе2
Вкольцевом оптическом резонаторе (ОР), содержащем изотропную нелинейную среду, возникает дисперсионная оптическая бистабильность, если от интенсивности света зависит показатель преломления среды.
Предположим, что поляризация света неизменна в оптическом резонаторе, когда длительность падающего импульса и много боль-
ше времени обхода ОР tp и времени релаксации нелинейности
( и tp , и ) .
Изменение медленно меняющейся амплитуды линейно поляризованной волны E t, z в нелинейной непоглощающей среде, помещен-
ной в оптический резонатор, описывается уравнением
E |
|
1 E |
ik nE, |
(8.1) |
||
|
|
|
||||
z |
t |
|||||
|
n |
|
||||
|
|
|
|
0 |
|
|
где – групповая скорость; |
k – волное число; n0 |
– линейный показа- |
||||
тель преломления. Зависящая от интенсивности нелинейная добавка n2 к n0 удовлетворяет релаксационному уравнению
|
n2 |
n |
|
|
E |
|
2 , |
(8.2) |
|
|
|
||||||||
|
|||||||||
|
t |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где – константа среды.
В кольцевом оптическом резонаторе линейно поляризованное излучение, проходя через входное зеркало с коэффициентом отражения r, падает в точке z = 0 на нелинейную среду длиной l (рис. 8.3).
Пройдя через нее, оно частично отражается от выходного зеркала с коэффициентом отражения r, полностью от двух других зеркал и снова попадет в среду.
2 По материалам работы [2].
165
Рис. 8.3. Схема кольцевого резонатора с нелинейным элементом длиной l [2]
Интегрируя уравнения (8.1) и (8.2) и учитывая граничные условия в точке z 0, получаем систему уравнений для поля на входе
в среду E(t,0) и для нелинейного изменения фазы (t) при прохождении светового импульса через ОР:
E(t,0) (1 r)1
2 E0 rE(t tp )exp i( 0 ) ;
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E t tp ,0 |
|
2 |
. |
(8.3) |
||
|
|
kl |
|
||||||||
t |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Здесь E0 – амплитуда падающей волны; 0 k(n0l L) ; |
l L – |
||||||||||
полная длина ОР.
В стационарном режиме система уравнений (8.3) сводится к трансцендентному уравнению для поля в оптическом резонаторе
( E0 2 Iвх , Ec 2 Ic ):
|
2 |
|
|
|
(8.4) |
|
1 r Iвх Ic 1 r |
|
2cos( 0 klIc ) . |
|
|||
Уравнение (8.4) решается графическим представлением в виде |
||||||
системы уравнений для коэффициента пропускания |
Tc 1 r |
Iс |
и |
|||
Iвх |
||||||
полного изменения фазы Ф: |
|
|
|
|
|
|
Tc 1 r 2 1 r2 |
2r cos 1 ; |
|
(8.5) |
|||
Tc 1 r 0 / k lIвх. |
|
(8.6) |
||||
Уравнение (8.5) описывает кривую пропускания (см. рис. 8.2, а). Уравнение (8.6) дает семейство прямых, выходящих из начала коорди-
166
нат, наклон которых меняется с изменением интенсивности падающего света. Точки пересечения семейства прямых и кривой пропускания дают решение уравнения (8.4). Для простоты 0 0.
При малых (точка А) и больших (точка D) Iвх решение (8.4)
единственно.
При интенсивностях падающего света Iб1 Iвх Iб2 возникают три
рабочие точки (C, E, G). Граничным интенсивностям соответствуют участки прямых BF(Iб1) и DK(Iб2 ) (рис. 8.4, а). Только две рабочие
точки, лежащие на участках BD и FK, являются устойчивыми относительно плосковолновых возмущений той же поляризации. Точка Е, лежащая на участке DF, неустойчива.
При адиабатическом изменении Iвх меняется показатель преломле-
ния нелинейной среды и, следовательно, оптическая длина резонатора. Возникающая из-за этого фазоваярасстройка ОР от начального состояния приводит к изменению выходной интенсивности. При увеличении входной интенсивности рабочая точка движется до точки D (рис. 8.4, б). В ней стационарное состояние становится неустойчивым, происходит переход вустойчивую точку K с большей выходной интенсивностью и движется по устойчивомуучасткуKL кривойпропускания.
а |
б |
Рис. 8.4. Амплитудная бистабильность: а – графическое решение уравнения (8.5), Tc 1 r 2 1 r2 2r cos 1 – кривая пропускания,
Tc 1 r 0 / k lIвх – прямые секущие из начала координат. Принято 0 0 ; б – гистерезисная зависимость интенсивности света на выходе оптического резонатора от интенсивности линейно поляризованной накачки [2]
167
Если теперь уменьшать входную интенсивность, рабочая точка движется обратно по верхней наклонной прямой LKGF (см. рис. 8.4, б). В точке F(Iвх Iб1) рабочая точка переходит в положение В, выходная
интенсивность резко падаети далееустойчиво уменьшается на участке ВА. Возникает цикл. В результате циклического изменения входной интенсивности передаточная характеристика Iп(Iвх) (1 r)Ic , п , п
принимает вид петли гистерезиса. Если входную интенсивность держать в интервале Iб1 Iвх Iб2 , то выходная интенсивность Iп может быть
большой или маленькой в зависимости от увеличения или уменьшения входной интенсивности. Возникает бистабильное поведение, лежащее восновеоптическихдвоичныхпереключающих устройств.
Оптическая бистабильность – это оптический аналог электронных гистерезисных явлений, которые использовались при создании ЭВМ. Запись информации может происходить с помощью нелинейного оптического резонатора (ОР), работающего в бистабильном режиме. Устойчивые стационарные состояния поля – это точки G и C, им соответствуют интенсивности In1 и In2 . Под действием управляющих им-
пульсов возможны переключения между ними. Переход из нижнего устойчивого состояния в верхнее обеспечивается одним импульсом с достаточно большой интенсивностью, если он распространяется параллельно основной волне. При этом начальная выходная интенсивность In2 сначала возрастает до значения, соответствующего точке L,
а затем уменьшается до In1 (см. рис. 8.4, б).
8.2.2. Бистабильные оптические устройства3
Бистабильные оптические устройства содержат оптические элементы двух типов:
1. Диспергирующие нелинейные элементы, у которых показатель преломления n является функцией оптической интенсивности. Это интерферометры Маха – Цендера и эталон Фабри – Перо, у которых среда обладает оптическим эффектом Керра
n n0 n1I0. |
(8.7) |
В интерферометре Маха – Цендера нелинейная среда помещает-
ся в одном плече (рис. 8.5).
3 По материалам работы [3].
168
Рис. 8.5. Интерферометр Маха – Цендера с нелинейной средой, показатель преломления которой n управляется прошедшей интенсивностью I0 за счет эффекта Керра [3]
Коэффициент пропускания системы по мощности
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
1 |
1 cos |
2 |
n 0 |
, |
|
|
|||||
|
0 |
|
|
|||||||||
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где d – длина активной среды; |
0 |
– длина волны в свободном про- |
||||||||||
странстве; 0 |
– постоянная. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подставляя n из уравнения (8.7), получаем |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
I0 1 |
1 cos |
2 |
|
n2 I0 |
, |
(8.8) |
|||||
|
0 |
|||||||||||
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
где – фаза, |
0 2 d n0 ; |
I0 |
– нелинейная функция, состоящая |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
из периодического повторения колоколообразной функции, обеспечивающей бистабильность.
2. Диссипативные нелинейные элементы, у которых функцией интенсивности является коэффициент поглощения (рис. 8.6).
Коэффициент поглощения насыщаемого поглотителя – нелинейная функция оптической интенсивности I:
|
0 |
, |
|
|
|||
|
1 |
I |
|
|
Is |
|
|
|
|
|
|
где 0 – коэффициент поглощения слабого сигнала; Is – интенсивность насыщения.
169
Рис. 8.6. Бистабильное устройство, состоящее из насыщаемого поглотителя в резонаторе Фабри – Перо [3]
Если поглотитель помещен внутри эталона Фабри – Перо длиной d, которая настроена на максимальное пропускание, то коэффи-
циент пропускания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
. |
|
1 R exp d |
|
|
2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Если среда оптически тонкая d 1, |
e d 1 d |
и I I0 / 0 , |
|||||||
|
|
1 |
|
|
. |
|
|||
1 |
R 1 d |
2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При некоторых значениях 0 ,d, R система бистабильна.
Схема элемента памяти должна быть нелинейной и иметь обратную связь. Тогда при циклических изменениях входной интенсивности светового пучка на входе бистабильного ЭП он может функционировать обратимо. Простейшим примером бистабильного оптического ЭП является интерферометр Фабри – Перо, заполненный средой с насыщающимся поглощением (рис. 8.7, а). Зависимость интенсивности прошедшего пучка от интенсивности падающего света имеет вид петли гистерезиса, где области 1 и 3 являются областями стабильности ЭП.
Минимальный размер оптического ЭП определяется минимально необходимым числом атомов ансамбля, для которого устойчиво наблюдается оптическая бистабильность. Это число составляет 103 двухуровневых атомов (полная энергия системы 0,25 фДж для фотонов с энергией 1,5 эВ). 1фДж 10 15 Дж.
170