Оптический логический элемент и оптическое логическое устройство

Оптический логический элемент и оптическое логическое устройство

Реферат

 

Оптический логический элемент включает оптический материальный носитель памяти 1, который может переходить из одного физического или химического состояния во второе физическое или химическое состояние. Материальный носитель памяти 1 представлен в или на слоистой структуре. Активатор 2 генерирует магнитное, электромагнитное или электрическое поле или прикладывает энергию к материальному носителю памяти 1. Оптический детектор для детектирования оптического ответа материального носителя памяти, обусловленного физическим или химическим состоянием материального носителя памяти, представлен в или рядом с существенно слоистой структурой, причем оптический логический элемент (ОЛЭ), таким образом, составляет интегрированный узел. Оптическое логическое устройство (ОЛУ) включает по меньшей мере одну структуру (S), составленную из оптических логических элементов. Технический результат: упрощение и высокая скорость передачи. 2 с. и 29 з.п. ф-лы, 19 ил., 4 табл.

Изобретение касается оптического логического элемента, конкретно оптического логического элемента, имеющего несколько устойчивых состояний, и даже более конкретно непосредственно адресуемого оптического логического элемента, включающего оптический материальный носитель памяти, в котором, под влиянием приложенного магнитного, электромагнитного или электрического поля или подведенной энергии, материальный носитель памяти может переходить из одного физического или химического состояния во второе физическое или химическое состояние, где физическому или химическому состоянию назначено определенное логическое значение и где изменение в физическом или химическом состоянии логического элемента вызывает изменение в логическом значении и производится посредством обращения и адресации логического элемента магнитным способом, электромагнитно, электрически или оптически для записи, чтения, сохранения, стирания и коммутации назначенного логического значения. Изобретение также касается оптического логического устройства, особенно для сохранения данных или выполнения логических и арифметических операций, где устройство включает множество оптических логических элементов, особенно в котором оптические логические элементы являются оптическими логическими элементами, имеющими несколько устойчивых состояний, и даже более особенно - непосредственно адресуемыми оптическими логическими элементами, включающими оптический материальный носитель памяти, в котором, под влиянием приложенного магнитного, электромагнитного или электрического поля или подведенной энергии, материальный носитель памяти может переходить из одного физического или химического состояния во второе физическое или химическое состояние, где физическому или химическому состоянию назначено определенное логическое значение и где изменение в физическом или химическом состоянии логического элемента вызывает изменение в логическом значении и производится путем обращения и адресации логического элемента магнитным способом, электромагнитно, электрически или оптически для записи, чтения, сохранения, стирания и коммутации назначенного логического значения.

Вообще изобретение касается нового класса оптикоэлектронных устройств, которые могут сохранять информацию и/или выполнять логические функции посредством оптического материального носителя памяти, который содержится в индивидуально адресуемых ячейках или элементах. Каждый элемент является независимой единицей и может быть объединен с подобными элементами, образуя большие агрегаты, обычно в форме плоских листов или слоев. Из последних могут быть сформированы терциарные структуры, например, при помощи расположения стопкой, для того чтобы сформировать оптические блоки памяти данных и оптические логические устройства с высоким отношением эффективности к объему.

Современные цифровые оптические технологии хранения данных были разработаны в ответ на постоянно расширяющиеся потребности в емкостях для хранения данных в компактном формате, и они в высшей степени успешно применялись в решениях, которые объединяют высокую поверхностную плотность данных с заменимостью и/или портативностью.

Определяющим шагом было использование малых, эффективных полупроводниковых лазеров, испускающих когерентный свет, который может быть сфокусирован почти что на площади, близкой к дифракционному пределу, таким образом обеспечивая, соответственно, высокую четкость и компактное распределение битов информации в среде, несущей данные. В реальных системах стоимость и пространственные ограничения логически привели к проекту, в котором лазерный луч сканирует по поверхности вращающегося диска, принимая последовательный поток битов, следуя оптическому направляющему треку под сервоуправлением.

Системы, основанные на этом универсальном проекте теперь были усовершенствованы до слоя, где плотность данных близка к теоретическому пределу, и дальнейшие усовершенствования, для того чтобы удовлетворить будущие запросы, не могут быть выполнены при помощи последовательных усовершенствований, как в прошлом.

Одно очевидное ограничение - это использование двумерного формата хранения данных. Даже при том, что поверхностная плотность данных высока, физические позиции битов ограничены плоской поверхностью на жесткой, самоподдерживающейся поверхности высокого механического качества, что ведет к относительно невпечатляющей объемной плотности данных. Недавно были опубликованы технические решения, в которых данные сохраняются в нескольких плоскостях на различной глубине под поверхностью диска. Различение между различными слоями возможно из-за очень малой глубины области, соответствующей точному фокусу, и этот принцип, как ожидается, будет развит, чтобы охватить до десяти плоскостей или слоев (см., например, Е.К. (подпись), "Stacking the decks for optical data storage". Optics and Photonics News, August 1994, p. 39). Оказывается, однако, что выгоды, полученные от использования многих слоев или уровней, частично нейтрализованы проблемами стоимости, также как и техническими компромиссами между числом слоев с одной стороны и достижимой поверхностной плотностью данных в каждом слое с другой стороны. Даже при выполнении в соответствии с требованиями, предъявляемыми далее, такие технологические решения испытывают недостаток потенциала устойчивого долгосрочного развития и усовершенствования.

Во многих случаях ограничения на время доступа и скорости передачи данных представляют намного более серьезный недостаток для вращающихся дисковых систем, чем вышеупомянутые ограничения на плотности данных и емкости.

В приложениях, где к файлам на диске нужно обращаться быстро в произвольной последовательности, сервомотор, фокусирующий лазер, должен быстро переместить оптический узел радиально из одной позиции на диске к другой. В правильной радиальной позиции движение по треку должно быть продолжено быстро, что включает выравнивания в двух измерениях, регулирование скорости вращения, установку синхронизации и нахождение и идентификацию заголовка файла. Эти электромеханические процедуры включают времена доступа, которые являются длинными, обычно 200 мс или больше. Были сделаны усилия, чтобы уменьшить время доступа, например, увеличивая скорость вращения диска, для того чтобы уменьшить время, принимаемое для вращательного выравнивания, и уменьшить вес управляемых сервомотором узлов для фокусировки и движения по треку. Усовершенствование в одной области, однако, приводит к ухудшениям в другой. Увеличение вращающей скорости усугубляет так называемый эффект "лучковой пилы", то есть быстрое ускорение и замедление скорости вращения, которое требуется, для того чтобы поддержать постоянную скорость сканирования пучка по поверхности диска при чередовании между треками на различных радиусах. Это - доминирующая причина латентного периода в оптических основанных на дисках системах поиска данных. Попытки устранить этот эффект, поддерживая постоянной скорость вращения независимо от радиальной позиции, приводят к уменьшению поверхностной плотности данных или повышению технической сложности.

Не удивительно, что такие точные электромеханические оптические системы будут медленны во временных масштабах, которые являются типичными в чисто электронной области (микросекунды или менее), что, таким образом, препятствует использованию оптических дисковых устройств в качестве блоков памяти с прямым быстрым доступом в широком спектре областей применения, включая блоки памяти с прямым произвольным доступом (DRAM) для компьютеров и т.д. Значительные усилия были сделаны, чтобы устранить ахиллесову пяту таких устройств, а именно потребность в фокусировке и движении по треку без механической инерции. Варианты решения, которые были исследованы, включают оптоэлектронные дефлекторы, волноводы и дифракционные оптические элементы. До сих пор никакой технически и материально жизнеспособной системы этого характера не было продемонстрировано на практике и, кажется, не появится и в отдаленном будущем. Кроме того, проблема латентного периода, связанная с дисковым вращением не решается такими способами.

Во вращающихся дисковых системах биты информации читаются последовательно, поскольку лазерный луч сканирует вдоль трека, и скорость передачи данных явно зависит от скорости вращения и линейной плотности данных вдоль трека. В ряде приложений, типа интерактивной мультимедиа, скорость передачи является существенным критическим параметром современных оптических дисковых систем. При наличии почти оптимального кодирования и фокусировки данных, типичных для современных достижений в дисковой технологии, кажется, имеется немного доступных возможностей для увеличения скорости передачи данных. Одна возможность состоит в том, чтобы увеличить скорость вращения. Это было доведено в отдельных коммерческих системах до уровня, на котором стоимость и потребляемая мощность теперь привели к быстро уменьшающемуся доходу от дальнейшего увеличения скорости. Другая стратегия заключается в том, чтобы использовать отдельные лазерные лучи, адресующие отдельные, но параллельные треки на диске. Хотя число параллельных треков увеличивается, однако сложность и стоимость растут очень быстро, и такие схемы, кажется, лучше всего предназначены, чтобы обеспечить улучшения скорости, которых далеко не хватает для проектируемых будущих потребностей.

Вышеупомянутые недостатки были ясно осознаны в течение длительного времени, и были предложены и экспериментально исследованы другие схемы, наиболее значительно странично-ориентированная память и логические системы, основанные на голографической технологии. В дополнение к перспективному объемному хранению данных высокой плотности в трех измерениях, голографические системы могут быть адресованы в постраничном режиме, вследствие этого предлагая преимущества, которые присущи параллельности, такие как высокая скорость передачи. Быстрый произвольный доступ к данным посредством свободного от инерции оптоэлектронного устройства находится в процессе исследования. Кроме того, были исследованы логические операции типа высокоскоростной параллельной обработки для распознавания объектов. Было предсказано, что голографические блоки памяти могут быть стерты и перезаписаны неоднократно, объем данных от гига- до терабайтов может быть сохранен в объеме, сравнимом с кусочком сахара, давая времена произвольного доступа в диапазоне от микро- до наносекунд и скорости передачи данных до сотен Мбайт/с (см., например, D. Psaltis and F. Mok, "Holographic memories". Scientific American, November 1995, pp. 52-58). Подобная потенциальная эффективность была упомянута для других систем, основанных на конфокальных и мультилазерных (нелинейных) принципах адресации (см. , например, "The optical sugar cube", Photonics Spectra, September 1994, p. 50).

Другим примером оптической системы хранения данных, основанной на страницах, который может быть упомянут, является международная патентная заявка N W096/21228 (Birge), озаглавленная "Branched photocycle optical memory device", которая открывает объемную оптическую память, которая сохраняет информацию с высокой плотностью в трех измерениях, избирательно активизируя фотохимическую ответвляющуюся реакцию из временного теплового промежуточного состояния в первичном фотоцикле в чувствительном к свету, основанном на белке, носителе памяти. В этом случае используется так называемый "листающий" лазер, чтобы активизировать плоский слой или страницу среды хранения данных на одной длине волны, и лазеры данных, которые передают на другой длине волны выбранные лучи данных, которые являются ортогональными к выбранному слою или странице. Однако эту технологию не просто осуществить в практических устройствах хранения данных, и она имеет некоторые значительные слабости. Для того чтобы получить высокую объемную плотность данных, листающий свет должен быть чрезвычайно интенсивен и однороден внутри очень узкого пространственного диапазона с резким пределом интенсивности. Это влечет за собой использование лазерного луча и относительно сложной оптики, для того чтобы формировать луч. Во-вторых, требуется очень точно управляемая последовательность освещения, включающая использование трех независимых длин волн. Оптимальное временное управление последовательностями зависит от температуры. В-третьих, скорости записи и чтения ограничены постоянными времени фотоцикла, что приводит к временам доступа в диапазоне миллисекунд. В-четвертых, чтение сохраненных данных уменьшит их контрастность на оптической среде памяти, что, таким образом, требует обновления после определенного количества, например, 1000 операций чтения.

В патенте Швеции N 501106 (Toth), озаглавленном "Optical memory", открыта оптическая память типа "запись однажды, чтение много раз", (типа WORM, Write-Once-Read-Many-Times), которая содержит запоминающий элемент с устойчивыми оптическими состояниями. Запоминающий элемент разделен на ряд позиций памяти, причем оптическое состояние в данной позиции памяти способно быть как измененным, так и прочитанным посредством луча света, направленного по направлению к позиции памяти. Память может быть полностью реализована без перемещаемых механических частей и имеет очень малое время адресации, позволяя создать память особенно высокой емкости. Эта память также позволяет осуществлять параллельную запись и чтение многоразрядных слов. Реальная среда памяти может быть представлена отдельными слоями или уровнями. Луч света тогда фокусируется на данной позиции памяти, и при использовании восьми слоев становится возможным сохранить один байт в каждой позиции памяти или x, y позиции. В проекте с 7х7 запоминающими ячейками, каждая по 1 см, может быть сохранено 9.8 Гбайт на восьми слоях, и скорость записи тогда будет 40 Мбайт/с. Считывание выполняется в режиме поглощения, что означает, что индивидуальные уровни должны иметь фиксированные различные толщины, чтобы сделать возможным различение между индивидуальными слоями в последовательности кодов. Это приводит, однако, к уменьшению объемной плотности хранения, так как число слоев увеличивается, и потребности в фокусировке луча света на позиции памяти, также как маневрирование лучом света в x, y направлениях, влекут за собой осложнения, связанные со стоимостью и технические.

Даже при том, что предложенные до настоящего времени технические решения могут показаться внушительными, в будущих коммерческих условиях такая эффективность должна оцениваться с точки зрения аппаратной стоимости, сложности системы и полного форм-фактора устройства. Основываясь на текущем современном состоянии, как оно показано в открытой литературе, кажется, что правильным является заключение, что голографические и другие странично-ориентированные системы или многослойные системы не приведут к перевороту в обозримом будущем в торговле, где требование компактности и низкой цены стоит на первом месте. Даже если компоненты и материалы станут доступны по приемлемой цене, фактически предложенные архитектуры, кажется, препятствуют действительно компактным решениям.

Объект представленного изобретения должен, следовательно, преодолеть вышеупомянутые недостатки предшествующих методов и предложенных решений и предоставить оптический логический элемент, который может быть использован, для того, чтобы реализовать оптические блоки памяти, оптические логические и арифметические цепи, оптические переключатели и, кроме того, вообще, чтобы выполнить оптическое оборудование обработки данных с низкими стоимостью и технической сложностью, но с чрезвычайно высокой плотностью хранения, коротким временем доступа и очень высокой скоростью передачи.

Другой целью изобретения является получить оптический логический элемент и оптическое логическое устройство, основанное на оптическом логическом элементе, где оптический логический элемент и оптическое логическое устройство являются структурно и функционально интегрированным узлом, причем существенные функции элемента и устройства все в основном реализованы в элементе или устройстве, включая функции такие, как доступ, адресация, активизация, коммутация и детектирование.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение реализации объемного хранения данных простым способом так, чтобы емкость памяти в основном зависела только от форм-фактора и стала обратно пропорциональна физическим размерам логического элемента.

Вышеупомянутые и другие цели достигнуты при помощи оптического логического элемента, отличительной особенностью которого является то, что материальный носитель памяти предоставляется в или на существенно слоистой структуре, что активатор, который генерирует магнитное, электромагнитное или электрическое поле или прикладывает энергию к материальному носителю памяти, предоставляется в или рядом с существенно слоистой структурой, и что оптический детектор для детектирования оптического ответа материального носителя памяти, обусловленного физическим или химическим состоянием материального носителя памяти, предоставляется в или рядом с существенно слоистой структурой, причем оптический логический элемент, таким образом, составляет интегрированный узел, состоящий из материального носителя памяти, активатора и детектора; наряду с оптическим логическим устройством, отличительной особенностью которого является то, что материальный носитель памяти предоставляется в или на существенно слоистой структуре, что активатор, который генерирует магнитное, электромагнитное или электрическое поле или прикладывает энергию к материальному носителю памяти, предоставляется рядом с существенно слоистой структурой, и что оптический детектор для детектирования оптического ответа материального носителя памяти, обусловленного физическим или химическим состоянием материального носителя памяти, предоставляется в или рядом с существенно слоистой структурой, причем оптический логический элемент, таким образом, составляет интегрированный узел, состоящий из материального носителя памяти, активатора и детектора, что устройство включает по меньшей мере одну структуру, сформированную оптическими логическими элементами, что оптический материальный носитель памяти, активатор и детектор в каждом логическом элементе в структуре объединены и связаны с материальным носителем памяти, активатором и детектором в окружающих логических элементах структуры, причем структура таким образом образует тело с плоской или искривленной поверхностью, причем каждый логический элемент в структуре имеет однозначное соответствие между материальным носителем памяти и активатором и соответствие между материальным носителем памяти и оптическим детектором для однозначного детектирования физического или химического состояния в материальном носителе памяти, таким образом давая возможность обращаться к каждому оптическому логическому элементу и адресовать каждый оптический логический элемент в структуре индивидуально.

В предпочтительном воплощении оптического логического элемента материальный носитель памяти предоставляется в форме первого слоя, активатор предоставляется в форме второго слоя, прилегающего к первому слою, или предоставляется интегрированным в первом слое, и оптический детектор, который детектирует состояние в материальном носителе памяти, предоставляется в форме третьего слоя прилегающего к первому слою, причем оптический логический элемент, таким образом, образует интегрированный узел, состоящий из по меньшей мере трех или двух слоев соответственно.

Кроме того, предпочтительно, чтобы активатор был составлен из одного или более непосредственно или опосредованно испускающих излучение устройств, причем испускающее излучение устройство предоставляется на или внедрено в основной материал второго слоя. Полезно, чтобы обращались в испускающему излучение устройству и адресовали его электрически. Также полезно, чтобы испускающее излучение устройство являлось светоизлучающим диодом, предпочтительно полимерным диодом.

Кроме того, также предпочтительно, чтобы испускающее излучение устройство было настраиваемым по частоте, причем настройка частоты производилась бы в соединении с электрической адресацией. Кроме того, предпочтительно, чтобы оптический детектор был оптическим детектором с электрическим обращением и адресацией, и чтобы для электрического обращения и адресации как активатора, так и детектора, электроды и электрические проводники предоставлялись интегрированными во втором и третьем слое. Для этой цели предпочтительно, чтобы электроды и электрические проводники были основаны на электропроводящем полимерном материале.

В предпочтительном варианте воплощения оптического логического устройства материальный носитель памяти в каждом логическом элементе в форме первого слоя, активатор предоставляется в форме второго слоя, прилегающего к первому слою или предоставляется интегрированным в первом слое, и оптический детектор, который детектирует состояние в материалом носителе памяти, предоставляется в форме третьего слоя прилегающего к первому слою, причем оптический логический элемент, таким образом, образует интегрированный узел, состоящий из по меньшей мере трех или двух слоев соответственно, и каждый из слоев объединен и связан с соответствующим слоем в окружающих логических элементах структуры, таким образом образуя тело с плоской или искривленной поверхностью из связанных и взаимно прилегающих соответствующих слоев.

Каждая структура в оптическом логическом устройстве предпочтительно имеет форму тонкой гибкой пленки.

В особенно предпочтительном варианте воплощения изобретения оптическое логическое устройство включает две или более соединенных структуры, составленных в стопку на верхней части друг друга, причем оптическое логическое устройство, таким образом, образует чип- или диск-подобный узел, интегрированный из множества структур.

В варианте оптического логического устройства в соответствии с изобретением структура предпочтительно сконфигурирована полностью или частично как оптическая память, причем каждый оптический логический элемент в памяти составляет элемент памяти, к которому можно обращаться и адресовать его индивидуально. Во втором варианте оптического логического устройства в соответствии с изобретением структура предпочтительно частично сконфигурирована как оптические логические или арифметические цепи или сети таких цепей, причем каждый из оптических логических элементов в цепях составляет элемент коммутации, к которому можно обращаться и адресовать его индивидуально. В третьем варианте оптического логического устройства в соответствии с изобретением группы оптических логических элементов в структуре сконфигурированы как регистры памяти, логические регистры и арифметические регистры соответственно, причем каждый оптический логический элемент (ОЛЭ) в регистре и каждый регистр способен к тому, чтобы к нему обращались и адресовали его индивидуально, и таким способом, которым регистры могут быть совместно сконфигурированы как оптический процессор данных. Наконец, предпочтительно, чтобы в оптическом логическом устройстве обращение и. адресация логических элементов выполнялись через мультиплексные линии связи, выделенные для структуры.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения представлены ниже в формуле изобретения.

Изобретение будет теперь объяснено более подробно посредством вариантов воплощений и со ссылками на сопровождающие чертежи.

Фиг. 1а демонстрирует оптический логический элемент в соответствии с настоящим изобретением, фиг. 1b и 1c демонстрируют функционирование оптического логического элемента как элемента двузначной логики, фиг. 1d демонстрирует полевой транзистор с целью сравнения, фиг. 2 демонстрирует предпочтительный вариант воплощения оптического логического элемента, фиг. 3 демонстрирует второй предпочтительный вариант воплощения оптического логического элемента.

фиг. 4 демонстрирует принцип работы материального носителя памяти в форме материала, захватывающего электроны, фиг. 5a-d демонстрирует принцип работы материального носителя в форме чувствительного к свету конформационно-реагирующего материала, в этом случае бактериородопсина, фиг. 6, 7 демонстрируют дальнейшие предпочтительные варианты воплощения оптического логического элемента на фиг. 1, фиг. 8 демонстрирует особенно предпочтительный вариант воплощения оптического логического элемента на фиг. 1, фиг. 9 демонстрирует спектральные свойства светоизлучающих полимерных диодов, фиг. 10 является схематической иллюстрацией светоизлучающего полимерного диода, фиг. 11 демонстрирует первый проект оптического логического устройства в соответствии с изобретением, фиг. 12 демонстрирует второй проект оптического логического устройства в соответствии с изобретением, фиг. 13 демонстрирует вариант оптического логического устройства на фиг. 11, фиг. 14 демонстрирует второй вариант оптического логического устройства на фиг. 11, фиг. 15 является схематической иллюстрацией проекта оптического логического устройства в разобранном виде на фиг. 14, фиг. 16 демонстрирует развитие проекта оптического логического устройства в соответствии с изобретением, основанное на варианте на фиг. 14, фиг. 17 является схематической иллюстрацией схемы адресации оптического логического устройства в соответствии с изобретением, фиг. 18 демонстрирует шестнадцать булевых функций двух двоичных переменных, сгенерированных оптическим логическим устройством в соответствии с изобретением, и фиг. 19 является схематической иллюстрацией параллельного алгоритма для четырехразрядного двоичного полного сложения для реализации на оптическом логическом устройстве в соответствии с изобретением.

Фиг. 1а является схематическим рисунком предпочтительного варианта воплощения оптического логического элемента в соответствии с настоящим изобретением. Материальный носитель памяти 1 представляется в первом слое Л₁, активатор 2, который может генерировать магнитное, электромагнитное или электрическое поле или поставлять энергию материальному носителю памяти 1, предоставляется в слое Л₂ на одной стороне слоя Л₁, в то время как детектор 3 предоставляется в слое Л₃ на противоположной стороне слоя Л₁. Слои Л₁, Л₂, Л₃ могут полностью включать материальный носитель памяти 1, активатор 2 и детектор 3 соответственно, но можно также допустить, что слои Л₁, Л₂, Л₃ могут быть сформированы из основного материала и что материальный носитель памяти 1, активатор 2 и детектор 3 соответственно встроены в него или предоставляются на нем.

Фиг. 1b символически представляет функционирование оптического логического элемента ОЛЭ в соответствии с изобретением во время записи, чтения и детектирования логического состояния 0. В этом случае энергия прикладывается к материальному носителю памяти 1 в форме света первой длины волны ₁, в то время как чтение выполняется поглощением света второй длины волны ₂. Детектируемый свет, который указывает на логическое состояние 0, обозначен более коротким символом фотона, для того чтобы указать на уменьшение интенсивности из-за поглощения. Фиг. 1с является подобной схематической иллюстрацией режима работы оптического логического элемента ОЛЭ во время детектирования логического состояния 1, то есть когда никакого поглощения не происходит в материальном носителе памяти 1 в слое Л₁. Фиг. 1d является схематическим рисунком n-канального мощного транзистора, для того чтобы указать на аналогию между оптическим логическим элементом в соответствии с настоящим изобретением и электронным коммутационным устройством. Поглощение света чтения для логических состояний 0 и 1 соответствует напряжению стока полевого транзистора Vd.

Фиг. 2 демонстрирует вариант воплощения, в котором в активатор 2 включены одно или более непосредственно или опосредованно испускающих излучение устройств 2₁,...,2_n, которые представляются в слое Л₂. На фиг. 2 испускающие излучение устройства 2₁,... предоставляются встроенными в материал слоя Л₂, но они могли бы также предоставляться на слое Л₂. В предпочтительном варианте воплощения слои Л₁ и Л₂ могут быть объединены, чтобы формировать общий слой Л_с. Этот уровень будет тогда включать и материальный носитель памяти 1 и активатор 2 с испускающими излучение устройствами 2₁,.... Этот вариант может быть полезен, если активатор разрушается в течение записи в логический элемент ОЛЭ, и это может быть важно, если он должен образовать часть запоминающего устройства типов ROM или WORM и, следовательно, не предназначается для того, чтобы быть стертым и/или перезаписанным.

Оптический материальный носитель памяти 1 должен быть чувствительным к свету и быть способным существовать в двух или больше различных физических состояниях, как обозначено на фиг. 1b и 1с. Должно быть возможным определять эти материальные состояния посредством отклика состояний на падающий пробный свет или читающий свет. Логическое состояние можно определить, возбуждая активатор по-другому, например в соответствии с определенным протоколом чтения, в соответствии с чем материальный носитель памяти 1 отвечает на падающий свет зависящим от логического состояния оптическим пропусканием или излучением света.

Основные свойства оптического логического элемента ОЛЭ явно зависят от характеристик записи/чтения материального носителя памяти. Изменения в материальном носителе памяти во время процесса записи могут быть необратимы, что приводит к оптическому логическому элементу, который реализует функции памяти типов ROM и WORM. Однако описание ниже будет сосредоточено на материальных носителях памяти, которые сохраняют информацию при выключении электропитания, но являются обратимыми, то есть они остаются в сгенерированном логическом состоянии пока на них не подействует записывающий, читающий или стирающий свет. Они могут, однако, быть стерты, уничтожены и перезаписаны много раз посредством облучения светом. Другая важная характеристика материального носителя памяти - может ли оно содержать многоуровневую информацию, то есть информацию, которая кодируется по серой шкале, или оно отвечает на протокол чтения двоичного характера, то есть или логическим состоянием 0 или 1.

Даже при том, что материальный носитель памяти 1, как описано выше, переводится из одного физического/химического состояния в другое под действием света, это не исключает использование в соответствии с изобретением других форм энергии, для того чтобы влиять на состояние материального носителя памяти. Может использоваться магнетизм, электромагнетизм или электронные поля или приложение энергии в форме высокой температуры. Это может оказаться уместным, если требуется проводить темновые реакции на стадиях процесса между логическими состояниями в материальном носителе памяти, например, применение высокой температуры для стирания информации или для генерации условий, благодаря которым падающий свет имеет эффект, например, применение электрического поля, чтобы сдвинуть полосу поглощения, если материальный носитель памяти является чувствительным к свету материалом, который поглощает на определенных длинах волн.

Из обстоятельств, изложенных выше, становится очевидным, что оптический логический элемент в соответствии с изобретением получает основные свойства от материального носителя памяти. Два типа материальных носителей памяти будут теперь описаны, оба из которых обратимы, то есть они могут проходить более чем один раз через свои логические состояния, используя подходящие протоколы для записи, чтения и стирания.

Захватывающие электроны материалы обычно входят в число органических полупроводниковых материалов, которые легируются ионами редкоземельных элементов. Захватывающие электроны материалы могут быть использованы для сохранения данных с высокой плотностью и обеспечивают высокие передачу данных и скорости восстановления. Здесь можно сослаться на статью J. Lindmayer, "A new erasable optical memory". Solid State Technology, August 1988.

Общая иллюстрация режима работы захватывающих электроны материалов приведена на фиг. 4. Запись выполняется при помощи захвата, происходящего в энергетических уровнях E и T. Когда записывающий свет возбуждает атомы двух редкоземельных металлов, примененных как легирующие примеси, их электроны переходят на энергетический уровень E, который существует в обоих типах атомов, и впоследствии захватываются на уровне T, который существует только в одном из атомов. Воздействие света в ближней инфракрасной области спектра на уровень T переводит электроны в связывающую энергетическую зону, из которой они переходят в основное состояние, что приводит к стиранию данных.

Захватывающие электроны материалы могут иметь кристаллическую решетку основного вещества в форме щелочноземельных сульфидов, таких как CaS, SrS, MgS, или их смеси. Когда в качестве легирующих примесей использованы редкоземельные элементы европий и самарий, материальный носитель памяти поглощает входящий свет на 450-550 нм, благодаря чему ионы европия поглощают энергию фотона и передают часть ее ионам самария. Последние таким образом возбуждены до состояний захвата, называемых так потому, что эти состояния устойчивы, то есть ионы самария будут стабильны в течение очень долгого периода, пока не будут освобождены из захвата посредством поглощения соответствующих квантов энергии. Последнее будет иметь место, когда материальный носитель памяти будет облучен светом с длиной волны 850-1200 нм, таким образом стимулируя ионы самария в состоянии захвата, и высвобожденные электроны испускают свет с длиной волны 600-700 нм после возврата в основное состояние. Таким образом, в этом случае запись выполняется посредством облучения светом с длиной волны 450-550 нм, в то время как чтение выполняется облучением светом с длиной волны 850-1200 нм с одновременным детектированием флюоресценции на длинах волн 600-700 нм.

Вместо захватывающего электроны материала, материальный носитель памяти мог бы быть конформационно-реагирующим материалом, особенно чувствительным к свету конформационно-реагирующим материалом, который может проходить через фотоцикл. Примерами таких материалов являются некоторые типы окрашенных белков. Белком этого вида, который был относительно хорошо изучен, является бактериородопсин, который встречается в мембране микроорганизма Halobacterium sallnarium. Для более подробного обсуждения свойств бактериородопсина с точки зрения оптического хранения данных следует сослаться на норвежскую патентную заявку N 972574, от которой настоящая заявка наследует дату приоритета и которая передана настоящему заявителю.

Когда бактериородопсин поглощает свет, он проходит через фотоцикл, который генерирует промежуточные состояния с максимумами поглощения во всем видимом диапа