Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Пространственные модуляторы служат для ввода оптических сигналовв в процессор посредством пространственной модуляции волны излучения. Этот процесс осуществляется в плоскости ху, а излучение распространяется в направлении оси г. Существующие пространственные модуляторы производят одновременно как амплитудную, так и фазовую модуляцию излучения, причем амплитудная модуляция осуществляется посредством поглощения (или отражения) излучения без изменения фазы волны. Фазовая модуляция волны происходит в плоскости ху тонкой пленки, когда в разных ее точках имеютсн различные скорости (показатели преломления) прохождения излучения.
Полная функция пространственной модуляции Е, „(х, у) = Е /(х„д,) ехр[ — /ы/+/Ф(х», у»)), (17.9) где Š— амплитуда падающего на модулятор оптического поля; / (х, у,) — положительная, действительная функция двух переменных х, и у,; Ф (хм у») — пространственная функция фазовой модуляции. В пространственных модуляторах проблема «потери фазы» отсутствует. Например, любой квадратичный приемник (фотоумножитель, глаз, фотоэмульсия и т. д.) являются приемником интенсивности, когда амплитуда электромагнитного поля А (х, у) ехр [/Ф (х, д)) преобразуется в распределение, пропорциональное интенсивности: ! = А (х, у) ехр [/Ф (х, у)) А (х, у) ехр [ — [Ф (х, у)) = [ А (х, у) [», а фаза при этом теряется.
Для создания пространственных модуляторов используются фото- эмульсии галоидного серебра, фотохромные стекла, органические красители, термопластические пленки, зеркала с отклоняющимися мембранами, коллоидные суспензни и жидкие кристаллы. Основные характеристики модулятора [Н: размеры мишени 40 х 30 мм', контраст изображения 70: 1; максимальный угол отклонения записывающего луча !О', чувствительность фотослоя 10 мДж см — ', разрешение 100 лнний/мм; время записи 100 мкс; время стирания 1 мс; время хранения информации 1О мин. Элементы полупроводниковой лазерной логики. В дискретных оптических процессорах применяются логические элементы, представляющие собой единую систему полупроводникового (С»аАз) лазерного диода и кремниевого фотодиода [2).
Инерционность и размеры этих элементов малы ( 10 с; 0,1...0,3 мм), а к. п. д. высок (30... 40 %). Логический элемент Пд представляет собой ключ (рнс. 1?.4, а), выполняющий операцию приема одного двоичного сигнала и передачу его другим логическим элементам. На входе А имеется 34! с -,=т„.г тсь е тес устт,0 Х д Сиг,чаи и Р—, зе таз -Ъслик = 0а Л т„, =т~-ст, если л =! Рис. 17.4, П ..
Полупроводниковые лазерные логическке элементы и элементы квавтовой вейристорпой логики кремниевый фотоднод, который преобразует оптический сигнал в электрический. В активную среду лазерного диода подается ток инжекцин (коннас такт обозначен звездочкой), обеспечивающий пороговую ннве еленностей активной среды. При отсутствии единичного сигна- рсию ла на входе лазер работает в спонтанном режиме, н на выходе С сигнал равен нулю. При подаче кодового единичного сигнала на вход А лазерный диод начинает работать в режиме когерентного вынужденного излучения. В ключе Пд можно сделать несколько входов (А, В, ))У„...), на которые одновременно могут поступать двоичные сигналы.
В этом случае образуются различные схемы логических элементов. Элемент, осуществляющий операцию ИЛИ вЂ” логического сложения входных сигналов, имеет два входа (А н В); на выходе такого элелов. мента единичный сигнал будет при наличии любого из входных сн гна- . В этой схеме (рнс.
17.4, б) лазерный диод возбуждается током ннжекции до уровня, близкого к порогу генерации, н при отсутствии на входах А н В кодовых единичных сигналов имеет на выходе С кодовый нулевой сигнал. Если лазерный диод возбудить током ннжекции до уровня, близкого к порогу генерации, но немного ниже, чем в схеме ИЛИ, то в отсутствие единичного сигнала на входах А и В илн при наличии единичного сигнала только на одном из входов лазер работает в спонтанном режиме н на выходе С сигнал равен нулю. 342 При одновременной подаче сигналов на входы А и В диод работает в режиме индуцированного излучения и на выходе С появляется единичный сигнал.
Так получается логическая с х е м а И (рнс. 17.4, в). В с х е и е НЕ (рис. 17.4, г) уровень инжекции тока в активную среду диода на — 0,5 % ниже порогового уровня инжекции, при котором усиление в лазере равно потерям. Этот уровень накачки обеспечивает работу полупроводникового лазера в спонганном режиме и выходной сигнал равен нулю. При подаче на вход А единичного оптического сигнала фототок с фотодиода запускает лазер и на выходе С сигнал равен единице. Информация от А к С проходит без изменения. Вход  — запрещающий, так как прн поступлении на этот вход единичных управляющих сигналов передача информации по цепи А -з- С через логический элемент НЕ прекращается.
Так же можно реализовать другие логические элементы: ПАМЯТЬ, мультивибратор, динамический триггер. Основные характеристики этих элементов: время задержки ° 10~в с, время срабатывания 1О е с. Используя описанные логические элементы, можно спроектировать дискретный оптический процессор любой сложности. Элементы квантовой логики. В основе элементов квантовой логики лежит эффект фоторефрактерности, заключающийся в перемещении н захвате фотонов н появлении полей пространственного заряда [2). В волоконных и планарных волноводах, а также в электрооптических кристаллах этн поля вызывают соответствующие локальные изменения показателя преломления.
В качестве активных элементов квантовой логики применяют полупроводниковые лазеры с непрерывной накачкой, которые обеспечивают усиление, однонаправленную передачу, инвертирование и запрещение оптических импульсных сигналов. Модуль квантовой логики характеризуется следующими свойствами: выбором соответствующих комбинаций излучающих и резонансно поглошающих ионов в волоконных и планарных волноводах; наличием порогового уровня возбуждения этих оптических сред; обеспечением достаточной мощностью накачки для получения частоты повторения импульсов излучения; наличием зоны рефрактерности непосредственно за возбужденным световым импульсом, распространяющимся в волноводе; малыми потерями в волноводах.
Зона рефрактерности и ее значение обеспечивают динамическую стабильность распространения импульсов в волноводах и управление ими. Световой импульс, столкнувшись с зоной рефрактерности, уничтожается. Два импульса, распространяющиеся навстречу, уничтожают друг друга. Зона рефрактерностн может быть введена в канал импульсом из соседнего волновода с помощью рефрактерного соединения типа Я (рис. 17.4, д). Имеется другое соединение — типа Т (рис.
17.4, г), при котором импульс, распространяющийся по одному волноводу, соединяющемуся с другими волноводамн, возбуждает их. С помощью К- и Т-соедннений (направленных ответвителей, рнс. 17.4, ж) можно реализовать любые логические операции, а также 343 получить запоминающие кольца (рис. 17.4, и). Замкнутое кольцо образует элемент памяти. Сигнал, распространяющийся слева направо, оставляет за собой зону рефрактерности. Он поступает на вход А, записывается в кольце, а сигнал сВ соответствует информации, хранимой в запоминающем кольце. Основным логическим элементом является передающий динан»ический вентиль (рис.
!7.4, к). Если в запоминающем кольце сигнала нег, то возможна передача сигнала между А и В. В этом случае коэффициент пропускания вентиля от А к В и обратно равен единица (тлз = тнл = 1) только при отсутствии в запоминающем кольце сигнала Х. При наличии в кольце сигнала Х = 1 передача сигнала от А к В и обратно запрещена, т. е. тле = тнд = О, О днонаправленное соединение между двумя адресами можно получить, используя соединения Т и 14 (рис.
!7.4, л). Такие направленные ответвители реализуются с помощью параллельных оптических волоконных или канальных волноводов, разделенных малым зазором а (порядка 2...5 мкм). Перекачка энергии лазерного излучения из одного волновода в другой возможна благодаря взаимному туннельному проникновению распространяющихся в них поверхностных волн, если фазовые скорости этих волн примерно одинаковы. Расстояние, на котором излучение из одного волновода полностью переходит во второй волновод, называется критической длиной связи и определяется зависимостью Еаа и/(2йсв) (17.10) где ка, — коэффициент волноводной связи — величина, зависящая от материала волноводов и подложки, направления и характеристик поля.
Для импульсов лазерного излучения К-соединение осуществляется при условии, что два сигнала различаются направленностью или поляризацией, или даже модами распространения в данном волоконном либо канальном волноводе. 47.3. Оптические процессоры Из обширного семейства аналоговых оптических процессоров П, 21 в качестве примера рассмотрим многоканальный пространственно-частотный коррелятор (рис. !7.5). От лазера 1 через конденсор 2 на входной преобразователь-транспарант — фотографическую пленку 3, движущуюся в фокальной плоскости системы, поступает оптический сигнал.
Входной сигнал 5 (х) отображается на многоканальную фотографическую маску (транспарант) 5 опорных сигналов г, (х). Транспарант 3, формирующий входной сигнал 3 (х), протягивается в фокальной плоскости первого объектива со скоростью с,. Распределение амплитуды излучения в выходной плоскости х,у» при х, = 0 задаегся зависимостью 119) Е»(у„() ~5(х — наг,(х)дх, где ! = 1,2, ..., »т!. 844 Уа странстванно-частотного коррелятора Это корреляционные функции, они располагаются по дискретным отрезкам вдоль оси д» как функции времени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
