Основы оптоинформатики раздел I - спб: спбгу итмо, 2008 – 204 С.

В учебном пособии рассмотрены физические ограничения на параметры электронных компьютеров; возможности оптических систем по передаче, записи и обработке информации; рассмотрены схемные решения и принцип работы оптических компьютеров; основы теории информации; теория информации оптических систем; лазерные системы для оптоинформатики; оптическая запись информации.   

Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «фотоника и оптоинформатика», а также для студентов других оптических и информационных специальностей.

Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200600 - Фотоника и оптоинформатика.

 

В 2007 году СПбГУ ИТМО стал победителем конкурса инновационных образовательных программ вузов России на 2007–2008 годы. Реализация инновационной образовательной программы «Инновационная система подготовки специалистов нового поколения в области информационных и оптических технологий» позволит выйти на качественно новый уровень подготовки выпускников и удовлетворить возрастающий спрос на специалистов в информационной, оптической и других высокотехнологичных отраслях экономики.

Ó Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2008

Ó В.Г. Беспалов, В.Н. Крылов, В.Н. Михайлов, 2008

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение. 6

Глава 1. Информационные технологии –. 8

от электронного к оптическому компьютеру. 8

§1. Информационные технологии – от абака. 8

к электронному процессору. 8

§2. Предельные возможности элементной базы электронной компьютерной техники. 25

§3. Оптические технологии в информатике. 35

§4. Аналоговые оптические вычисления и процессоры.. 37

§5. Оптический процессор Enlight256. 47

§6. Голографические методы обработки информации. 49

§7. Цифровые оптические процессоры.. 53

Глава 2. Теория информации для оптических систем.. 61

§1. Основы теории информации. 61

§ 1.1. Количество информации в системе равновероятных событий. Подход Хартли. 63

§1.2. Количество информации в системе событий с различными вероятностями. Подход Шеннона 67

§1.3. Обобщенная схема информационной системы.. 72

§1.4. Основные характеристики информационной системы.. 74

§1.5. Дискретизация и теорема отчетов (Котельникова) 77

§1.6. Пропускная способность канала при наличии белого теплового шума. 79

§1. 7. Избыточность информации. 81

§2. Теория информации в оптике. 83

§2.1. Число пространственных степеней свободы когерентных оптических сигналов 84

§2.2. Теоремы Д. Габора. 86

§2.3. Число степеней свободы частично когерентных оптических сигналов. 93

§ 2.4. Информационная емкость голограмм.. 97

Глава 3. Источники излучения для оптоинформатики. 102

§1. Физические основы работы лазеров. 102

§1.1. Оптическое усиление. 103

§1.2. Взаимодействие излучения с веществом. 106

§1.3. Поглощение и усиление. 111

§1.4. Принципы лазерной генерации. 113

§1.5. Основные типы лазеров: классификация лазеров по агрегатному состоянию активного вещества 118

§1.6. Твердотельные лазеры.. 119

§1.5. Газовые лазеры.. 126

§1.5. Жидкостные лазеры.. 131

§2. Полупроводниковые лазеры.. 135

§2.1. Физические основы работы полупроводникового лазера. 135

§2.2. Полупроводники. 135

§2.3. Прямозонные и непрямозонные полупроводники. 138

§2.4. Полупроводниковые светодиоды.. 141

§2.5. Основные параметры полупроводниковых лазеров. 144

§2.6. Полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур. 146

§2.7. Квантоворазмерные структуры.. 154

§2.8. Безопасность лазеров. 159

§3. Источники излучения фемтосекундной и аттосекундной длительности. 160

§3.1. Предельно короткие импульсы света и сверхсильные поля. 160

3.2. Методы генерации сверхкоротких, в том числе фемтосекундных импульсов. 162

§3.2. Генерация аттосекундных импульсов электромагнитного излучения. 167

Глава 4. Локальная и распределенная запись информации. 172

§4.1. Локальная (побитовая) запись. 172

§4.2. Голографическая (распределенная) запись. 173

§4.3. Оптические дисковые системы записи и хранения информации. 176

§4.4. Голографические системы записи информации. 186

§4.5. Быстродействие оптических устройств записи и хранения информации. 189

Список литературы.. 190

Приложения. 192

Параметры и свойства оптических материалов. 192

Механизмы поглощения оптического излучения в полупроводниках. 194

Эффект Франца-Келдыша (электроабсорбционный эффект) в полупроводниках. 197

Квантово-размерный эффект Штарка. 199

КАФЕДРА ФОТОНИКИ И ОПТОИНФОРМАТИКИ.. 202

Введение

 

В последнее десятилетие традиционные информационные технологии, основанные на электронной технике, достигли некоторых физических и технических ограничений, при продолжающемся росте потребительского спроса на скорость и объем передаваемой информации. Ключевым решением данной проблемы явилось объединение оптических и информационных технологий, и начало XXI века характеризуется стремительным прогрессом в области разработки и внедрения оптоинформационных технологий. Термин «Оптоинформатика» обозначает область науки и техники, связанной с исследованием, разработкой, созданием и использованием новых материалов, технологий, приборов и устройств, предназначенных для передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации на основе оптических технологий, с использованием материального носителя информации – светового фотона. Главный вектор оптоинформатики сориентирован на миниатюризацию и интеграцию оптических элементов, устройств и систем, создание полифункциональных оптических материалов, элементов и систем, перевод аналоговых оптических устройств в цифровые и т.п. Одним из достижений оптоинформатики явилось создание компанией Lenslet (http://www.lenslet.com/) в конце 2003 г. коммерческого оптического процессора “Enlight256” с быстродействием в тысячу раз превышающим электронные аналоги с рекордной производительностью в 8 триллионов операций в секунду с 8-ми битовыми числами. Другим достижением явилась прокладка 3000 километровой волоконно-оптической солитонной линии связи между Пертом и Мельбурном (Австралия), со 160 спектральными каналами и скоростью передачи 1,6 терабит в секунду. Компания Intel объявила в 2004 г. программу    «Кремниевая фотоника» (Silicon Photonics), ориентированную на использование оптических технологий при передаче информации от одного электронного процессора к другому, а в 2006 г. - программу Tera-scale Computing, в которой данные технологии уже будут использоваться.

В 2004 г. в СПб ГУ ИТМО было открыто новое направление подготовки бакалавров и магистров «Фотоника и оптоинформатика», одной из федеральных образовательных компонент которого, является учебный курс «Основы оптоинформатики». В курсе рассматриваются физические основы и направления развития оптической, лазерной, телекоммуникационной и вычислительной техники, дается общий обзор проблем оптоинформационных технологий.  Данное учебное пособие предназначено для ознакомления бакалавров с первым разделом курса  «Основы оптоинформатики» - предельными возможностями электронной техники и возможностями оптических систем по передаче, записи и обработке информации, в нем рассмотрены схемные решения и принцип работы оптических компьютеров, основы теории информации, теория информации оптических систем, лазерные системы для оптоинформатики; оптическая запись информации.  

    Глава 1, глава 2 и Приложения написаны В.Г. Беспаловым, глава 3 написана В.Н. Крыловым и глава 4 написана В.Н. Михайловым.

 

Глава 1. Информационные технологии –