Оптический транзистор - RU191753U1

Чертежи

Описание

Полезная модель относится к области вычислительной техники, особенно к оптическим компьютерам, а именно к конструкции оптического транзистора (далее ОТ), используемого в различных вариантах узлов и систем оптического компьютера.

Из уровня техники известны принципы конструкций ОТ [Ломашевич С.А. и др. Концепция оптического транзистора / Ж.П.С., 1991, Т. 55, с. 485-490] и их конкретные реализации. К принципам конструкций оптического транзистора (ОТ) относятся: формирование оптического сигнала оптическим полем, объединяющим элементы ввода, усиления, вывода в резонансной оптической системе; преобразование оптического сигнала в ОТ осуществляется в режиме оптической бистабильности; пространственная модуляция светового пучка путем модулирования отдельных его частей независимо друг от друга (осуществление параллельной обработки информации); модуляция оптического сигнала другим оптическим сигналом (управление света светом); обеспечение помехозащищенности оптических систем передачи информации за счет их электрической нейтральности и невозможности несанкционированного доступа в них.

Из уровня техники [патент RU 2024899 С1, опубл. 15.12.1994] известен аналог - конструкция ОТ на основе интерферометра Маха-Цендера, резонатор которого образован двумя параллельно расположенными волноводами, связанными на входе и выходе Y-образными волноводными разветвителями, в одном из плеч интерферометра помещен компенсатор фазы оптической длины, во второе плечо интерферометра встроен планарный фотоприемник, в том числе в виде планарной структуры «металл-полупроводник», у которой одна гребенка встречно-штыревого или спирального типа встроена в другую. Управление рабочим излучением происходит за счет электродов, установленных параллельно плечам интерферометра, подачей на них управляющего поля.

Недостатком этого устройства является узкий динамический диапазон (амплитудный диапазон постоянства коэффициента усиления), отсутствие пространственного регулирования оптического излучения (невозможность осуществления параллельной обработки информации).

Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является конструкция ОТ на основе фотонных кристаллов (ФК) с дефектом в его запрещенной энергетической зоне (ЗЭЗ), содержащим среду с активным рамановским усилением (фиг. 1а), которая используется как оптический переключатель [Arkhipkin V.G. et al. All-optical transistor using a photonic-crystal cavity with an active Raman gain medium / Phys. Rev. A, 2013. V. 88, pp. 0333847(1-6)]. В отличие от схем с электромагнитно индуцированной прозрачностью, которые являются абсорбционными, предлагаемая схема основана на управлении рамановским усилением пробного (рамановского) поля с помощью когерентного переключающего поля (управление светом при помощи света). В такой структуре (фиг. 1) при определенных условиях имеет место как усиление (коэффициент пропускания Т~1, ОТ открыт), так и подавление прошедшего пробного импульса (Т<<1, ОТ закрыт). Переключающее оптическое поле играет роль «базы» электронного транзистора. В нем можно контролировать дисперсию для пробной волны от нормальной до аномальной, варьируя интенсивность управляющего поля, а значит и скорость распространения пробного импульса от субсветовой (v_g<g>c или v_g<0). Положительные групповые задержки имеют место при частотах Раби переключающего поля g₃ на входе ФК, которые соответствуют правой ветви зависимости максимального коэффициента пропускания от g₃, а отрицательные - для левой ветви (фиг. 1б).

На фиг. 1а показана энергетическая диаграмма активной рамановской среды, взаимодействующей с тремя полями: слабым пробным (рамановским) полем с частотой ω₂, управляющим и переключающим полями с частотами ω₁ и ω₃, соответственно. На фиг. 1б - импульс пробного поля как функция времени на выходе ФК. Сплошная кривая - импульс на входе ФК (длительность мкс). Пунктирная кривая - прошедший импульс в условиях ЭИП в отсутствие переключающего поля. Штрих-пунктирная кривая - прошедший импульс в присутствие резонансного переключающего поля. Опорный импульс - импульс, который проходит через пустой ФК с пустым дефектом. g_1,3 - частоты Раби поля накачки и переключающего поля на входе ФК, γ₁₀ - полуширина перехода 0-1. На фиг.1б показана зависимость пропускания пробной волны как функция времени.

Описанная в ближайшем аналоге конструкция ОТ имеет ряд недостатков. Используется 1D ФК с малым числом слоев. Это не позволяет осуществлять в ОТ параллельную обработку сигналов и снижет объем обрабатываемой информации при субмикронных размерах ОТ. Малое число слоев, обусловленное принципиальной невозможностью иметь более одного слоя с управляемой средой, ограничивает пределы изменения параметров рабочего излучения.

В предлагаемой полезной модели указанные недостатки устраняются.

Технический результат заключается в улучшении основных функциональных характеристик полезной модели, в том числе: увеличении скорости обработки рабочего оптического сигнала (РОИ) ОТ, частоты его модуляции в би/мультистабильном режиме, параллельной обработки пространственно разделенных частей РОИ (параллельная обработка информации), уменьшении размеров ОТ и энергетических затрат в нем.

Технический результат достигается за счет того, что: ОТ, выполняющий обработку рабочего оптического излучения (РОИ) с длиной волны λ_РОИ, поступающего в него в виде постоянного или гармонического аподизированного или импульсного излучения, по программе, задаваемой управляющим оптическим излучением (УОИ) с длиной волны λ_УОИ, поступающего в ОТ в виде гармонического аподизированного или импульсного излучения, и включающий структуру типа «фотонный кристалл» (ФК), запрещенная энергическая зона (ЗЭЗ) которого регулируется УОИ, при этом в результате этого воздействия выполняется управление ОТ путем изменения его коэффициента пропускания; содержит три фотонных кристалла (ФК), связанных друг с другом способом управления ЗЭЗ, планарно и соосно расположенных на одной подложке, при этом в первом внешнем ФК (ФК₁) выполняется ввод РОИ и УОИ в ОТ, второй внешний ФК (ФК₂) обеспечивает многократное прохождение РОИ и УОИ через третий внутренний ФК (ФК₃), а также вывод РОИ из ОТ; и предлагаемый ОТ характеризуется тем, что:

- ФК₁, ФК₂, ФК₃ при управлении их характеристиками УОИ обеспечивает три рабочих состояния ОТ по коэффициенту его пропускания Т_0раб: Т_0раб=Т(0) (бит «ноль»), Т_раб=Т(1) (бит «единица),

k≥1 (режим увеличения энергии РОИ);

- ФК₁, ФК₂, ФК₃ содержат интерференционные системы со слоями из анизотропных материалов с кубической нелинейностью показателя преломления (КНПП), причем изменения показателей преломления слоев при прохождении через них УОИ приводят к изменению положения запрещенной энергетической зоны ФК (ЗЭЗ_ФК), и тем самым энергия РОИ попадает или не попадает

- ФК₃ состоит из четырех функциональных интерференционных систем (ФИС), а именно: поляризующей системы (ПС), обеспечивающей поляризацию РОИ и УОИ в плоскостях, расположенных по разному в пространстве, задаваемых векторами

энергофильтрующей системы (ЭФС), обеспечивающей разнонаправленное прохождение РОИ через ФИС для разных параметров фазомодулирующей системы (ФМС), обеспечивающей изменяемую разность фаз РОИ, одновременно идущих через ФК₃; системы со слоями из метаматериала с 3D наноструктурированными поверхностями (ММС), обеспечивающей изменяемый эффективный показатель преломления системы, меньший по величине показателя преломления каждого из ее слоев;

- ФИС ФК₃ удовлетворяют удовлетворяют условиям (1.1)…(5.4):

где Q_РОИ - энергия РОИ; Q_УОИ - энергия УОИ; Q_minУОИ - минимальная энергия УОИ (энергия бита «ноль»); Q_maxУОИ - максимальная энергия УОИ (энергия бита «единица); Q_КНПП - минимальная мощность оптического излучения, проходящего через нелинейные слои ФК₃, обеспечивающая изменение их показателей преломления; Т_РОИ - плоскость, в которой лежит направление распространения и электрический вектор РОИ; Т_УОИ - плоскость, в которой лежит направление распространения и электрический вектор УОИ; ТmахКНПП - плоскость максимального значения показателя преломления нелинейного материала;

- вектор, образующий с оптической осью ОТ угол θ_i; - i-ая плоскость многовекторной поляризации РОИ, прошедшего ПС, параллельная вектору - i-ая плоскость многовекторной поляризации УОИ, прошедшего ПС, параллельная вектору - энергия РОИ на входе в ПС; - энергия УОИ на входе в ПС; - энергия РОИ на выходе из ПС в i-ой плоскости поляризации РОИ; - энергия УОИ на выходе из ПС в i-ой плоскости поляризации РОИ; - энергия РОИ на выходе из ЭФС в i-ой плоскости поляризации РОИ; - величина ЗЭЗ ФК₁; - величина ЗЭЗ ФК₂; - разность фаз значений РОИ на входе и выходе ОТ; - фаза РОИ на входе излучения в ОТ; - фаза РОИ на выходе излучения из ОТ; - разность фаз РОИ, идущих через ФК₃ в разных направлениях, - фаза РОИ на входе ФК₁, идущего в направлении ФК₃, - фаза РОИ на выходе из ФК₂, идущего в направлении ФК₃, - максимальный габаритный размер элементов наноструктурированных поверхностей слоев из метаматериалов (метаповерхностей); F(x), F(y) - функции, описывающие формы поверхностей слоев из метаматериалов; - эффективный показатель преломления ММС для λ_РОИ.

Предлагаемая полезная модель поясняется фиг. 2, 3, 4, 5, 6, 7.

ОТ изготовлен в виде планарной многослойной (более 50 слоев) тонкопленочной системы (фиг. 2). Материалы слоев - 0D, 1D, 2D, 3D наноструктурированные, нанокомпозитные диэлектрики, в том числе, сегнетоэлектрики, low-k диэлектрики, окислы и фториды, пленки которых обладают высокими оптическими, лазерными и механико-климатическими характеристиками и др. Особое значение имеет устойчивость материалов слоев к лазерному излучению, так как для ряда применений предлагаемая полезная модель работает с РОИ и УОИ от лазерных источников, том числе от мощных полупроводниковых лазеров (используемые материалы: ZrO₂, SiO₂ и др.). Используемые в предлагаемой полезной модели имеют минимальные оптические потери и высокую лазерную устойчивость.

ОТ содержит три ФК (фиг. 2), выполняющие по аналогии с полупроводниковыми транзисторами роль кристаллов с n-р и с р-n проводимостями (ФК₁ и ФК₂) и базы (ФК₃). Таким образом, три ФК образуют управляемый фотонный диод с функцией усиления сигнала (оптический транзистор). Если

, фотонный диод открыт по ходу луча (фиг. 4а), если , фотонный диод закрыт по ходу луча (фиг. 4б).

Изменение положения ЗЭЗ_ФК обеспечивается изменением показателей преломления слоев ФК₁ и ФК₂ из нелинейного материала. В предлагаемой полезной модели для изготовления таких слоев используется новый импортозамещающий материал - композиция полимера с диполярными красителями, содержащими π-электронодонорную и π-электроноакцепторную группы, связанные мостиком π-сопряженных связей. Основы получения таких материалов изложены в работе [Kim T.D. et al. D-π-А Conjugated Molecules for Optoelectronic Applications / Macromolecular Rapid Communications, 2015, V. 36, N. 11, pp. 943-958]. Оптические свойства композиций полимеров с такого типа красителями, имеющими электронную структуру диполя, зависят от пространственной ориентации молекул красителя. И эта ориентация может регулироваться электромагнитным полем. Для усиления электромагнитного поля, изменяющего показатель преломления нелинейного материала (требуется ~10÷100 мэВ), конструкции ФК₁ и ФК₂ обеспечивают генерацию особого типа поверхностных электромагнитных волн, которые могут распространяться в полностью диэлектрических структурах. Такие волны называются блоховскими поверхностными волнами (БПВ) или поверхностными состояниями фотонных кристаллов [Виноградов А.П. и др. Поверхностные состояния в фотонных кристаллах / УФН, 2010, Т. 180, с. 249-263; Vandenbem С. Electromagnetic surface waves of multilayer stacks: coupling between guided modes and Block modes / Optics Letters, 2008, V. 33, рр. 226-2262]. Они распространяются вдоль границ раздела между однородной средой и фотонным кристаллом или между двумя различными фотонными кристаллами. Такие моды могут существовать в полностью диэлектрических структурах, что позволяет практически устранить потери энергии на поглощение. В этом случае в структурах на основе БПВ достижимо гигантское усиление электромагнитных полей (~ в 10⁶÷10⁸ раз). Следует также отметить, что БПВ могут быть как ТМ-, так и ТЕ-поляризованными.

Конструкция ФК₃ позволяет решать задачи усиления, увеличения частоты модуляции РОИ в би/мультистабильном режиме, параллельной обработки пространственно разделенных частей РОИ (параллельная обработка информации), уменьшения размеров ОТ и энергетических затрат в нем. ФК₃ содержит четыре функциональных интерференционных системы (ФИС):

- поляризующую систему (ПС), обеспечивающую поляризацию РОИ и УОИ в плоскостях, расположенных по разному в пространстве, задаваемых векторами

- энергофильтрующую систему (ЭФС), обеспечивающую разнонаправленное прохождение РОИ через ФИС для разных параметров ЗЭЗ_ФК1 и ЗЭЗ_ФК2;

- фазомодулирующую систему (ФМС), обеспечивающую изменяемую разность фаз РОИ, одновременно идущих через ФК₃;

- система со слоями из метаматериала с 3D наноструктурированными поверхностями (ММС), обеспечивающая изменяемый эффективный показатель преломления ФМС, меньший по величине показателя преломления каждого из ее слоев;

ПС обеспечивает разделение РОИ на несколько частей в виде соосных, но поляризованных в разных плоскостях излучений (фиг. 3) для независимого модулирования (параллельная обработка информации). Разделение линейно поляризованного (лазерного) РОИ на несколько частей (POИ_i) и линейно поляризованных в разных плоскостях (РОИ_θi) происходит по следующей схеме. Линейно поляризованное РОИ преобразуется в ПС в РОИ с круговой поляризацией и разделяется на несколько частей, линейно поляризованных в разных плоскостях. Для преобразования линейно поляризованного излучения в излучение с круговой поляризацией необходимы два разнополяризованных излучения. Они поступают в ПС из ФК₁ и ФК₂ (вышедшее из ФК₂ РОИ проходит также ЭФС, ФМС и ММС, которые интерферометрически взаимодействуя с ПС обеспечивают требуемое преобразование).

ЭФС регулирует разнонаправленное прохождение РОИ через ФИС (фиг. 4) при разных соотношениях энергий

и («открытие - закрытие» ОТ) и обеспечивает выполнение условия (3). ЭФС является резонансной интерференционной системой с рядом слоев из материалов с КНПП, которая обеспечивает ряд особенностей характера преобразования РОИ в ней.

Для интенсивности излучения, входящего в ФИС ЭФС (равной I_вхРОИ+I_УОИ/0) и представляющей из себя интерферометр Фабри-Перо (ИФП), интенсивность света внутри резонатора I_in определяется уравнением с функцией Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М. Наука, 1973. - 720 с.]:

где A=(1+R)/(1-R), F=4R/(1+R)², R - коэффициент отражения ИФП, n_эффИФП - эффективный показатель преломления ИФП, h_ИФП - геометрическая толщина ИФП, правая часть уравнения - функция Эйри.

Решение этого уравнения может быть получено графически как результат пересечения прямой, наклон которой обратно пропорционален интенсивности света на входе в ИФП (I_вхРОИ+I_УОИ/0), с функцией Эйри (фиг. 5а). При увеличении (I_вхРОИ+I_УОИ/0) происходит плавное изменение пропускания, пока не будет достигнуто пороговое значение (точка 1), при котором пропускание и выходная интенсивность света увеличиваются (включаются) скачком. При уменьшении входной интенсивности света (переход от I_УОИ/1 к I_УОИ/0) пропускание ИФП не уменьшается до первоначально низкого уровня (переход от точки 1 к точке 2), а остается высоким. Изменение ширины полупериода кривой Эйри (ширина гистерезисной петли) зависит от параметра F. Если значение F достаточно велико (большой коэффициент отражения R), то ширину гистерезисной петли ИФП можно изменять выбором начальной фазы РОИ (это обеспечивается ФМС). Наличие в ФК₃ слоев из материала с КНПП, входящих в ЭФС с ИФП, позволяет реализовать «гистерезисную» фазовую и амплитудную бистабильность [Гиббс X. Оптическая бистабильность. Управление светом с помощью света. - М.: Мир, 1988. - 518 с.; Розанов Н Н. Оптическая бистабильность и гистерезис в распределенных нелинейных системах. - М.: Наука, Физматлит, 1997. - 332 с.]. Такое преобразование может быть выполнено при взаимодействии лазерных РОИ и УОИ со слоями из материала с КНПП при выполнении условия (1.2). Для бистабильного преобразования РОИ необходимо наличие также обратной связи в системе ФК₁, ФК₂, ФК₃, которая обеспечивается в предлагаемой полезной модели конструкцией ФК₂, возвращающей часть РОИ в ФК₃.

Таким образом, конструкция ЭФС с ИФП, предложенная в настоящей полезной модели, обеспечивает: модуляцию РОИ в ОТ в режиме «открыт - закрыт», линейное усиление РОИ с формой и частотой аналогичным частоте и фазе УОИ, выход на режим усиления регулировкой начальной фазы РОИ (фиг. 5б), то есть при полностью оптическом управлении ОТ, бистабильный режим преобразования РОИ. Эти характеристики ЭФС позволяют использовать полезную модель ОТ в оптическом компьютере [Современный компьютер. - М.: Мир, 1986. - 212 с.].

ФМС обеспечивает необходимые для работы ОТ, особенно ПС и ЭФС ФК₃, изменяемую разность фаз РОИ, идущих из ФМ₁ и ФМ₂ через ФИС в разных направлениях при работе ОТ в би/полистабильном режиме. Она состоит из тонких диэлектрических слоев, один из которых выполнен из нелинейного материала, в виде композиции полимера с диполярными красителями, содержащими π-электронодонорную и π-электроноакцепторную группы, связанные мостиком π-сопряженных связей. Параметры слоев ФМС - показатели преломления и физические толщины, получены из условия (3) численным моделированием конструкции ФМС по интерференционным уравнениям с функцией Эйри (см. выше). Методика расчета аналогичных фазомодулирующих систем приведена в [Vandenbem С. Electromagnetic surface waves of multilayer stacks: coupling between guided modes and Bloch modes / Optics Letters, 2008, V. 33, pp. 226-2262].

MMC выполнена в виде тонкого слоя из метаматериала с 3D наноструктурированной поверхностью (метаповерхностью) с эффективным показателем преломления n_эфф≤1,2. Было установлено возбуждение в таких структурах, ограниченных в двух измерениях БПВ [Descrovi Е. et al. Guided Bloch Surface Waves on Ultrathin Polymeric Ridges / Nano Lett., 2010, V. 10, N. 6, pp. 2087-2091; Sfez T. et al. Bloch surface waves in ultrathin waveguides: near-field investigation of mode polarization and propagation / J. Opt. Soc. Am., 2010, V. 27, N. 8, pp. 1617-1625]. Выполненные расчеты согласно этим работам показали (фиг. 6), что спектры отражения (сплошные линии) и пропускания (штриховые линии) ММС для БПВ (толстые линии) и плоской волны (тонкие линии) близки.

Показано также (фиг. 7), что частотная дисперсия эффективного показателя преломления ММС для плоской волны (ПВ) близка к частотной дисперсии эффективного показателя ММС для БПВ.

Было также продемонстрировано наличие запрещенных зон, создаваемых в ФК метаповерхностями [Sfez Т. et al. Near-field analysis of surface electromagnetic waves in the bandgap region of a polymeric grating written on a one-dimensional photonic crystal / Appl. Phys. Lett., 2008, V. 93, pp. 061108(1-3); Descrovi E. et al. Experimental observation of optical bandgaps for surface electromagnetic waves in a periodically corrugated one-dimensional silicon nitride photonic crystal / Opt. Lett, 2008, V. 33, N. 3, рр. 243-245]. Это явление позволяет выполнять 3D пространственную селекцию ЗЭЗ_ФК, обеспечивая широкие возможности параллельной обработки информации.

Предложенная конструкция полезной модели обеспечивает уменьшение геометрических размеров ОТ (по сравнению с прототипом и аналогом) при расширении полезных функциональных характеристик. Нижний предел ее размеров ограничен выполнением интерференции электромагнитных волн в наноструктуре, то есть наличием в ней областей с формированными показателями преломления (более 5 нм), также возможностями изготовления таких структур на основе промышленных технологий (более 5 нм).

Предложенная конструкция полезной модели обеспечивает уменьшение энергетических затрат в ОТ (по сравнению с прототипом и аналогом). Это обеспечивается применением в ее конструкции лазерных материалов: бездиссипационных или низко диссипационных диэлектриков.

Выполненный анализ конструкции полезной модели ОТ показал, что она позволяет улучшить основные функциональные характеристики ОТ: увеличить скорость обработки РОИ ОТ и частоту его модуляции в би/мультистабильном режиме, обеспечить параллельную обработку пространственно разделенных частей РОИ (параллельная обработка информации), уменьшить размеры ОТ и энергетические затраты в нем. Конструкция полезной модели технологична (изготовление субмикронных структурированных тонкопленочных систем освоено отечественной промышленностью), предполагает использование в качестве основы серийного технологического и метрологического оборудования, позволяет снизить стоимость изготовления ОТ.

Анализ работы ОТ в виде предложенной полезной модели показывает, что процесс передачи через него одного бита может занимать несколько десятых пикосекунды, а скорость передачи информации в виде массива данных - свыше 1 ТБ/с, что значительно быстрее, чем позволяют современные устройства на полупроводниковых транзисторах.

Реферат

Полезная модель относится к области оптической вычислительной техники. Оптический транзистор содержит три фотонных кристалла, планарно и соосно расположенных на одной подложке; в первом внешнем фотонном кристалле выполняется ввод излучения в транзистор, второй внешний фотонный - кристалл обеспечивает многократное прохождение сигнала через третий внутренний фотонный кристалл, а также вывод излучения из транзистора, фотонные кристаллы содержат интерференционные системы со слоями из материалов с кубической нелинейностью показателя преломления, его изменения при прохождении через эти слои сигнала приводят к изменению положения запрещенных энергетических зон фотонных кристаллов и тем самым к прохождению или к непрохождению сигнала через транзистор. Внутренний фотонный кристалл содержит функциональные интерференционные системы, в том числе: поляризующую, энергофильтрующую, фазомодулирующую, со слоями из метаматериалов с 3D наноструктурированными поверхностями. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения скорости обработки сигналов оптическим транзистором, увеличении частоты его модуляции в би/мультистабильном режиме, а также в обеспечении возможности параллельной обработки пространственно-разделенных частей сигнала при уменьшении размеров транзистора и энергетических затрат в нем.

Формула