Цифровые оптические процессоры

 

В 1984 году Б. Дженкинс из Университета Южной Калифорнии продемонстрировал первый цифровой оптический компьютер, выполнявший достаточно сложную последовательность команд. Взаимодействие двух лучей осуществлялось элементом, состоящим из жидкого кристалла и фотопроводника. Проходя, свет влияет на электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, отчего меняется прозрачность элемента. Быстродействие определяется инерционностью жидкого кристалла.

В 80-е годы прошлого века интенсивно работали над созданием полностью оптических компьютеров нового поколения. Сердцем такого компьютера должен был стать оптический процессор, использующий элементы, в которых свет управляет светом, а логические операции осуществляются в процессе взаимодействия световых волн с веществом. Значительные усилия, направленные на создание оптического компьютера, привели к определенным успехам. Так, в 1990 г. в лабораториях американской фирмы "Белл" был создан макет цифрового оптического устройства (рис. 34).

 

Рис. 34. Макет цифрового оптического устройства фирмы Bell

 

С его помощью была продемонстрирована возможность выполнения цифровых и логических операций с высокими параметрами быстродействия и потребления энергии. Основу процессора разработанного оптического компьютера составляли двумерные матрицы бистабильных элементов (размерностью 4х8) на основе квантоворазмерных полупроводниковых структур, обладающих нелинейными электро- оптическим свойствами (self-electro-optic-effect devices - SEED).

Первоначально остановимся на основных параметрах оптических бистабильных элементов. Система называется бистабильной, если она имеет два устойчивых состояния (мультистабильная – более двух) при одних и тех же контролируемых параметрах. В бистабильных системах, которые мы рассмотрим ниже, контролируемым параметром является интенсивность света на входе в систему, а два устойчивых состояния соответствуют двум значениям интенсивности света на ее выходе. Очевидно, что бистабильная система должна быть нелинейной, так как нельзя получить два значения интенсивности света на выходе  при простом умножении интенсивности света на входе  на постоянное число (рис. 35, а, б, в). Для получения многозначности нелинейного пропускания системы (), то есть бистабильного режима, необходимо в нелинейной системе осуществить обратную связь.

Рассмотрим в общем виде поведение нелинейной системы с обратной связью (рис. 35). На нелинейную систему (представлена на схеме в виде прямоугольника; зависимость  нелинейная) помимо излучения интенсивностью  на вход подается часть  отраженного от прозрачной пластинки выходного излучения , то есть система охвачена положительной обратной связью (). Таким образом, интенсивность излучения внутри системы . Пропускание системы до частично отражающей свет пластинки на выходе:

                            (1)

где зависимость  и соответственно  от  нелинейная. Правая часть уравнения (1) представляет собой прямую с наклоном . Проанализировать поведение нелинейной системы с обратной связью можно применяя графический метод. Решением (1) будут точки пересечения нелинейной функции  с прямой. Зададим нелинейную зависимость  от  в виде кривой, представленной на рис. 35, б. Это типичная зависимость для нелинейной насыщающейся системы: линейный рост пропускания сменяется его резким увеличением с ростом интенсивности света на входе  и затем насыщением при относительно больших значениях . При увеличении  уменьшается наклон прямой и пропускание плавно увеличивается до значения, обозначенного цифрой 1 на рис. 35, б. Когда  достигает значения , происходит резкое увеличение пропускания (скачок из точки 1 в 2) и затем снова его плавное изменение. При обратном движении резкое уменьшение пропускания (переход из точки 3 в 4) происходит при меньшем значении входной интенсивности света .

Итак, в области значений интенсивности света на входе в нелинейную систему с положительной обратной связью  возникает многозначность пропускания (бистабильный режим работы): пропускание (выходная интенсивность излучения) принимает два устойчивых значения при одном и том же значении . Бистабильная система с таким видом гистерезиса называется системой S-типа. Точное решение напоминает латинскую букву S (см. вставку на рис. 35, б), однако часть решения в области, обозначенной штриховой линией, неустойчива.

Рис. 35. а- схема нелинейной оптической системы с обратной связью; б, в – зависимости пропускания системы от интенсивности внутри элемента и на вставках зависимость интенсивности на выходе от интенсивности на входе для систем S (б) и N (в) типа

 

Аналогично можно проанализировать работу нелинейной системы с положительной обратной связью N-типа (рис. 35, в), у которой нелинейно растет поглощение при увеличении входной интенсивности света и .

Бистабильные системы можно классифицировать по способу осуществления обратной связи и механизму нелинейного пропускания. В оптическом бистабильном элементе SEED обратная связь осуществляется за счет приложения электрического поля к квантоворазмерной структуре, причем само поле возникает при прохождении через структуру светового излучения. Нелинейное пропускание элемента SEED связано с уменьшением экситонного поглощения. При больших концентрациях экситонов и свободных носителей происходит просветление в области экситонного резонанса. Это связано, во-первых, с тем, что в присутствии большого числа электронов и дырок кулоновское взаимодействие между электроном и дыркой ослабляется (этот эффект называется экранированием). Во-вторых, при большой концентрации экситонов они начинают интенсивно взаимодействовать, разрушая друг друга. Поэтому экситонное поглощение исчезает при концентрации экситонов ,  – боровский радиус экситона.

 

 

Рис. 36. Спектр поглощения полупроводниковой структуры с квантовыми ямами при отсутствии возбуждения (1) и при возбуждении экситонов и носителей заряда большой плотности. h n ₀ – энергия экситонного перехода

 

SEED был разработан в 1986 г. и представляет собой PIN[2] фотодиод из GaAlAs p-области и n-области, слаболегированная i-область состоит из 100 чередующихся слоев GaAs и GaAlAs толщиной по 95 нм, образуя структуру множественных квантовых ям (MQW – multiple quantum well). В элементе SEED обратная связь осуществляется за счет приложения электрического поля к квантоворазмерной структуре, причем само поле возникает при прохождении через структуру светового излучения. Нелинейное пропускание элемента SEED связано с уменьшением экситонного поглощения вследствие смещения пика экситонного поглощения из-за квантового эффекта Штарка. SEED обладает двумя стабильными состояниями при заданном уровне мощности падающего излучения, включение которых определяется предысторией ранее проводившейся засветки и является оптическим бистабильным устройством. В симметричном SEED'е (S-SEED рис. 37), состоящем из двух PIN фотодиодов, которые включены последовательно в питающую цепь, при освещении одного из диодов в цепи возникал ток, который вызывал падение напряжения на структуре сверхрешетки и приводил к увеличению пропускания света через вторую структуру.

 

Рис.37. Оптический логический элемент S-SEED

 

Таким образом, возникала положительная обратная связь, и совокупность таких элементов образовывала логические ячейки «или – не», «или – и» и т.д. Первый оптический компьютер состоял из 4 каскадов и располагался на оптической плите размером I х I м². Пространственное распределение излучения на выходе каждого из каскадов компьютера определялось состоянием входящей в его состав жидко- кристаллической маски, управляемой обычным компьютером и распределением света на его входе. Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером через голографическую решетку Даммена. Важным достоинством первого оптического компьютера явилась возможность последовательного объединения его отдельных каскадов благодаря искусственному аналогу эффекта внутреннего усиления. Параметры системы были следующие: разрядность – 32 бита (массив 4х8); логика – бинарная; тактовая частота – 1,1 МГц (определялась быстродействием ЖК маски); число переключений в секунду – 40 Мб/c. Одним из достижений данного процессора была величина энергии на одно переключение, которое составляла 20 фДж и была на 6 порядков меньше величины энергии переключения в электронных компьютерах того времени.

Второе поколение оптических цифровых компьютеров представлено компьютером DOC-II (digital optical computer), разработанного в научно-исследовательской фирме США Opticomp Corporation. В DOC-II использован принцип векторно-матричного умножения, однако вектор и матрица являются булевскими логическими.

Рис. 38. Оптический компьютер DOC-II

 

В данном устройстве входной поток данных образовывался излучением линейки 64 независимо модулируемых полупроводниковых лазеров. Свет от каждого лазера линейки отображался на одну строчку матричного пространственного модулятора света с размером 64´128 элементов. Отдельный элемент матрицы представлял собой акусто-оптическую брэгговскую ячейку на основе полупроводника GaP. Свет, выходящий из рядов пространственного модулятора, попадал линейку из 128 лавинных фотодиодов. DOC-II имел 64´128 = 8192 межсоединений и работал на частоте передачи данных 100 Мб∙с^-1, что соответствует 0.8192´10¹² переключений в секунду. Энергия на одно переключение составляет 7.15 фДж (~ 30000 фотонов). Для иллюстрации быстродействия представим, что нужно найти какое-то слово в тексте. Типичный современный персональный компьютер на поиск слова в документе Win Word состоящем из 1000 страниц текста тратит чуть больше трех секунд. В то время, как оптический компьютер DOC-II просматривает за 1 секунду 80 000 страниц обычного ASCII-текста.

Принципиальным недостатком макетов первых оптических компьютеров являлась неинтегрируемость их отдельных компонентов. Исходя из этого, основной задачей следующего этапа работ по оптическому компьютеру было создание его интегрального варианта.

В конце 90-х годов прошлого века велись работы по созданию интегрального модуля оптического компьютера с логической матрично-тензорной основой, названного HPOC (High Performance Optoelectronic Communication). В устройстве планировалось использовать входную матрицу VCSEL лазеров, соединенную планарными волноводами и обычной оптикой с матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов, и выходную систему, состоящую из матрицы лавинных фотодиодов, совмещенной с матрицей вертикально-излучающих диодов. Опытные образцы показали производительность 4.096 Тб∙с^-1, а оценки показывают, что данная система способна развить скорость 10¹⁵ операций в секунду с энергией менее 1 фДж на одно переключение. Однако, в связи с мировым кризисом фотоники и рынка ВОЛС работы были прекращены. В настоящее время фирма Opticomp Corporation разработала новый интегральный оптический элемент, состоящий из матрицы VCSEL лазеров и фотодетекторов, соединенных волноводом и планирует использовать данные устройства, как для обработки информации, так и для создания сверхбыстрых переключателей в сверхплотных волоконных линиях связи.