ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНЗИСТОР

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).
g
g
g
3
3
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<<c) до сверхсветовой (v>c или v<0). Положительные групповые задержки имеют место при частотах Раби переключающего поля g на входе ФК, которые соответствуют правой ветви зависимости максимального коэффициента пропускания от g, а отрицательные - для левой ветви (фиг. 1б).
2
1
3
1,3
10
На фиг. 1а показана энергетическая диаграмма активной рамановской среды, взаимодействующей с тремя полями: слабым пробным (рамановским) полем с частотой ω, управляющим и переключающим полями с частотами ω и ω, 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 - частоты Раби поля накачки и переключающего поля на входе ФК, γ - 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.
РОИ
УОИ
1
2
3
Технический результат достигается за счет того, что: ОТ, выполняющий обработку рабочего оптического излучения (РОИ) с длиной волны λ, поступающего в него в виде постоянного или гармонического аподизированного или импульсного излучения, по программе, задаваемой управляющим оптическим излучением (УОИ) с длиной волны λ, 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 (ФК) выполняется ввод РОИ и УОИ в ОТ, второй внешний ФК (ФК) обеспечивает многократное прохождение РОИ и УОИ через третий внутренний ФК (ФК), а также вывод РОИ из ОТ; и предлагаемый ОТ характеризуется тем, что:
1
2
3
0раб
0раб
раб
- ФК, ФК, ФК при управлении их характеристиками УОИ обеспечивает три рабочих состояния ОТ по коэффициенту его пропускания Т: Т=Т(0) (бит «ноль»), Т=Т(1) (бит «единица),  k≥1 (режим увеличения энергии РОИ);
1
2
3
ФК
- ФК, ФК, ФК 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), и тем самым энергия РОИ попадает или не попадает
3
3
- ФК 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 ФК; 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;
3
- ФИС ФК удовлетворяют удовлетворяют условиям (1.1)…(5.4):
РОИ
УОИ
minУОИ
maxУОИ
КНПП
3
РОИ
УОИ
i
1
2
3
1
3
2
3
РОИ
где Q - энергия РОИ; Q - энергия УОИ; Q - минимальная энергия УОИ (энергия бита «ноль»); Q - максимальная энергия УОИ (энергия бита «единица); Q - минимальная мощность оптического излучения, проходящего через нелинейные слои ФК, обеспечивающая изменение их показателей преломления; Т - плоскость, в которой лежит направление распространения и электрический вектор РОИ; Т - 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-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 ФК;  - величина ЗЭЗ ФК;  - 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 ФК в разных направлениях,  - фаза РОИ на входе ФК, идущего в направлении ФК,  - фаза РОИ на выходе из ФК, идущего в направлении ФК,  - 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.
Предлагаемая полезная модель поясняется фиг. 2, 3, 4, 5, 6, 7.
2
2
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: ZrO, SiO и др.). Используемые в предлагаемой полезной модели имеют минимальные оптические потери и высокую лазерную устойчивость.
1
2
3
ОТ содержит три ФК (фиг. 2), выполняющие по аналогии с полупроводниковыми транзисторами роль кристаллов с n-р и с р-n проводимостями (ФК и ФК) и базы (ФК). 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).
ФК
1
2
1
2
6
8
Изменение положения ЗЭЗ обеспечивается изменением показателей преломления слоев ФК и ФК 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 ФК и ФК 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 10÷10 раз). Следует также отметить, что БПВ могут быть как ТМ-, так и ТЕ-поляризованными.
3
3
Конструкция ФК 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. ФК содержит четыре функциональных интерференционных системы (ФИС):
- поляризующую систему (ПС), обеспечивающую поляризацию РОИ и УОИ в плоскостях, расположенных по разному в пространстве, задаваемых векторами
ФК1
ФК2
- энергофильтрующую систему (ЭФС), обеспечивающую разнонаправленное прохождение РОИ через ФИС для разных параметров ЗЭЗ и ЗЭЗ;
3
- фазомодулирующую систему (ФМС), обеспечивающую изменяемую разность фаз РОИ, одновременно идущих через ФК;
- 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;
i
θi
1
2
2
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) и линейно поляризованных в разных плоскостях (РОИ) 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 ФК и ФК (вышедшее из ФК 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.
вхРОИ
УОИ/0
in
Для интенсивности излучения, входящего в ФИС ЭФС (равной I+I) и представляющей из себя интерферометр Фабри-Перо (ИФП), интенсивность света внутри резонатора I определяется уравнением с функцией Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М. Наука, 1973. - 720 с.]:
2
эффИФП
ИФП
где A=(1+R)/(1-R), F=4R/(1+R), R - коэффициент отражения ИФП, n - эффективный показатель преломления ИФП, h - геометрическая толщина ИФП, правая часть уравнения - функция Эйри.
вхРОИ
УОИ/0
вхРОИ
УОИ/0
УОИ/1
УОИ/0
3
1
2
3
2
3
Решение этого уравнения может быть получено графически как результат пересечения прямой, наклон которой обратно пропорционален интенсивности света на входе в ИФП (I+I), с функцией Эйри (фиг. 5а). При увеличении (I+I) 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 к I) 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 ФК 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 ФК, ФК, ФК, которая обеспечивается в предлагаемой полезной модели конструкцией ФК, возвращающей часть РОИ в ФК.
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.].
3
1
2
ФМС обеспечивает необходимые для работы ОТ, особенно ПС и ЭФС ФК, изменяемую разность фаз РОИ, идущих из ФМ и ФМ 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].
эфф
MMC выполнена в виде тонкого слоя из метаматериала с 3D наноструктурированной поверхностью (метаповерхностью) с эффективным показателем преломления n≤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.
ФК
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, 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.