CN1265746A - 光学逻辑单元及其制备和光学寻址的方法,以及其在光学逻辑器件中的使用 - Google Patents

光学逻辑单元及其制备和光学寻址的方法,以及其在光学逻辑器件中的使用 Download PDF

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Abstract

在多稳态光学逻辑单元中,具有光敏有机材料(1),其通过用光辐射能够进行具有几个物理状态的光致循环,其中物理状态被指定为能够通过光学寻址单元而改变的逻辑值,寻址开始之前的单元处于预先产生的亚稳态。通过提供至少彩色光源(1)用于光学寻址和至少一个彩色敏感光检测器(5)靠近光敏材料,已将多稳态光学逻辑单元做成可邻近寻址的。在用于制备光敏材料(1)的方法中,希望的初始亚稳态在光致循环中产生并为单元指定了确定的逻辑值。在用于光学逻辑单元光学寻址的方法中,用于分别写和存储、读、擦和转换的步骤包括产生光致循环中状态之间的转变和状态的检测。在用于数据存储和处理的光学逻辑器件中的使用。

Description

光学逻辑单元及其制备和光学寻址的方法，以及 其在光学逻辑器件中的使用
本发明涉及多稳态光学逻辑单元，尤其涉及可邻近寻址(proximity addressable)的多稳态光学逻辑单元，包括在一个或多个合适波长的辐射光作用下能够进行光致循环的光敏有机材料，其中除了物理基态之外，该光致循环包括一个或多个亚稳物理态，其中通过引起从亚稳态到另一亚稳态的转变，或者通过引起从基态到一个亚稳态的转变，反之亦然，来改变在光致循环中逻辑单元的物理状态，其中物理状态被指定为确定的逻辑值，并且其中逻辑单元物理状态的变化引起其逻辑值的变化，并且通过寻址逻辑单元用于光学地写、读、存储、擦和转换指定之逻辑值来产生该逻辑单元物理状态的变化。本发明还涉及用于制备能够通过用一个或多个合适波长之光辐射进行该光致循环的光敏有机材料的方法，其中除了物理基态之外，该光致循环包括一个或多个亚稳物理状态，以及其中光敏有机材料在上述多稳态逻辑单元中用作为可转换或者数据存储媒体。
本发明还包括用于具有用上述方法制备之光敏有机材料的上述光学逻辑单元的光学寻址方法，这样使得光学逻辑单元处在初始亚稳物理状态，并且其中光学寻址包括用于写、读、存储、擦和转换被指定到光学逻辑单元的逻辑值的步骤。
最后本发明涉及多稳态光学逻辑单元的使用以及用于多稳态光学逻辑单元之光学寻址的方法。
今天，数字计算机基本上是以半导体技术即由电子电流驱动和转换之电子电路的使用为基础的。在期望有特别快速存储和检索数据的情况下，为此目的所使用的存储媒体也是以半导体技术为基础的。对于数据的大量存储，数十年来已经使用了磁存储媒体，其具有所存储数据可以被快速地擦除并且新数据可以被再一次存储在这些存储媒体中的优点。对于仅一次存储并且此后只读的大数据量存储，WORM型(一次写入多次读出)的光存储媒体近年来也已经展示出使用增加。这种媒体的例子是CD-ROM和激光盘，其不仅已经用于存储数据库和其它带有信息的文件，而且作为存储媒体，对于用在例如存储音乐和电影的音像媒体节目信息源来说，其已经表现出宽的分布范围和流行性。
近年来，还提出了仅仅利用光学器件存储和处理数据。光学数据处理在基于诸如硅技术的普通半导体技术的数据处理上一般具有若干优点。在任何情况下光学数据处理理论上可以增加用于数据处理和存储的容量，增加量超过用今天的传统半导体技术可能获得的至少一个量级的大小。还可以预计光学数据处理将给出增加的错误安全和处理速度，同时它满足(comport)数据快速处理的可能性，尤其是对于光学数据存储和数据处理的该器件可以基本上做得较小。
为了实现光学数据存储和光学数据处理暗示的潜力，有必要找到能够以合适方式实现该技术的媒体。兴趣已经特别集中在光敏有机材料上，例如为不同的蛋白质，在这方面，通常要涉及到Robert R.Birge的文章Protein-Based Computers，Scientific American，March1995，pp.2-7.这种光敏有机材料的例子是细菌视紫红质，其是生物学产生的蛋白质化合物并在Birge的上述文章中进行了详细地讨论。其可以通过发酵大规模地生产，并且具有高的化学和物理稳定性。当细菌视紫红质通过合适波长的光照射时，其要进行变化，以不同方式展现出，包括例如光吸收特性的改变。这些变化如同在Birge的文章中所说明的，其与从基态bR和到各种表示为K，L，M等不同能量状态的转变有关，其每一个都具有可以被热和/或光影响的滞留时间。从基态和进一步到一组这种若干状态的顺序进行将在下面以细菌视紫红质光致循环为例中展示出。
在细菌视紫红质中光数据存储和光数据处理的可能性在几年前实现了。在该方面之数据存储的方法将细菌视紫红质从例如可表示为逻辑0的bR态转变为光致循环中的中间状态并且具有长的寿命，这种中间状态可以表示成亚稳态和例如表示逻辑1。当自然细菌视紫红质由光激发时，然而其将发生全部的光致循环并且在若干毫秒内返回基态bR，最长寿的中间态是M态。改进原始BR分子已经进行了巨大的研究努力，结果增加了M态下它的寿命，例如借助突变株体(mutant)和使用化学变态所做的实验。这导致M态下的寿命已经增加到几秒甚至若干分钟，当然，相对于考虑获得数据文档存储所必须的时间，即许多年或甚至几十年，这是太短的时间。尽管如此，为了用于光数据存储，其中信息是在短的时间间隔内被存储和检索，或者其中被存储的数据经常地进行刷新，M态已经进行了研究。通过用蓝光(那些能够有效的对应删除或擦除操作)照射，中断M态下的住留时间也是可能的。然而，M态的有限寿命对于实际使用是消极因素，因为后者意味着相对复杂的硬件并且仍然给出有限的容量。另一个基于细菌视紫红质之M态数据存储方案的缺点是光致循环中内在固有的时间延迟，对应于当从基态bR例如由光脉冲激发时和至到达M态时一般为100μs的延迟。
通过改进光敏材料已经做了努力以开发用于光数据存储的合适媒体，使得当在合适波长的光照射时其进行不可逆的变化。这种材料可以进行可能的单次写操作，继之以任意数的读操作，但不能再一次地擦除和写入。因此它们能够实现ROM和WROM类型的光学记忆，但不能实现“可擦除”类型的光学记忆。
正如从上述Birge的文章所显示的，近来已经提出了基于在细菌视紫红质光致循环中转移处理的光学数据存储的方案。从基态bR中的起始点，短脉冲黄/绿光开始光致循环，此后，细菌视紫红质自发地进行光致循环中的序列状态并且在大约6ms之后到达O状态。如果细菌视紫红质保持为暗，其在几个毫秒之后返回到bR状态，精确的时间范围依赖于温度。然而，如果当细菌视紫红质处于O状态时用红光照射它，其将转变到P状态，从这里它在几分钟的过程中自发地过渡到Q状态。Q状态在长的时间周期上是稳定的，如果它保持为暗的话，它甚至达到几年。然而，当它用蓝光辐射时，其将返回到bR状态。
细菌视紫红质光致循环中的这个转移处理将保证基于细菌视紫红质存储器中可以在长时间周期上保持所存储信息的写、读和擦的可能性。名称是“Branched photocycle optical memory device”的国际公布申请WO96/21228(Birge)例如公开了主体光存储器，其通过选择地激活来自基于蛋白质光敏存储媒体中初始光致循环的短期热中间状态的光化转移反应来在三维空间中以高密度存储信息。在这方面，使用所谓的“分页(paging)”激光，其以一个波长激活存储媒体的所选择平面层或页面，以及使用数据激光，其在另一个波长上发射所选择的数据束并且与所选层或页面正交。在优选实施例中，媒体是作为细菌视紫红质公开的，并且分页束从基态或静止态bR和到O的中间状态来开始光致循环，这里数据束与O中间状态相互配合，使得形成了转移状态P和Q。数据束在任何程度上都不与bR或P或Q相互配合。对于分页和数据，不同的读操作使用了相同的波长。
如果细菌视紫红质用在根据WO96/21228的器件中，通过使用短期黄/绿光脉冲，光致循环起始于基态bR，之后细菌视紫红质将发生光致循环中的若干状态并在大约6ms之后达到O状态。如果现在还不照射细菌视紫红质，则O状态将在几个ms之后返回到基状态bR，精确的时间范围依赖于温度。如果用红光在O状态下照射，但是，细菌视紫红质将转移到Q状态，在这里其将在几分钟的过程中自发地改变为Q状态。在长的时间周期内Q状态是稳定的，如果细菌视紫红质不受照射，其有可能达到许多年。但是，如果其用蓝光照射，细菌视紫红质将返回到基状态bR。在用于实现根据WO96/21228之数据存储的方法中，在例如包括细菌视紫红质立方形体中的体单元是通过将体单元用黄或绿光来特殊结构照射选择的。因此，在照射体单元中的细菌视紫红质分子发生光致循环，此后如果它们用红光照射，则其将转换到P状态。一般地说，聚焦该光使得产生薄板状光束并在体中定义细菌视紫红质的一薄层或数据页。该段给出具有存储位置的薄层，其中数据页可以分别在没有经过黄或绿分页光的体单元中在细菌视紫红质上写入和读出。这样，在三维细菌视紫红质体中存储数据变成了可能。
但是，上述方法在实际数据存储器中实现不是简单的，具有一些大的缺点。为了取得高体积数据密度，分页光一定要很强并且在具有锐密度边缘的很密限定空间区域内是均匀的。这意味着为了形成该束，要使用激光束和相对复杂的光学系统。第二，具有包括使用三个分离波长的非常精确控制的照射次序是必须的。次序的最佳时序是依赖于温度的。第三，写和读速度是受到光致循环的时间常数限制，其导致毫秒范围中的访问时间。第四，读存储的数据将减小这些存储数据的反差，使得在某个数目例如1000次读操作之后进行刷新成为必须。
从来源于从属于本申请人并在此作为参考的专利申请No.962475获得优先权的PCT/NO97/00154之专利申请No.980407，可以知道公知的光逻辑单元，特别是包括光存储材料的多态亚稳态逻辑单元，其在电磁场或电场或外加能量的影响下，能够从物理或化学状态变换到另一物理或化学状态。该光逻辑单元中的存储材料涂覆成第一层的形式，并且在邻近第一层，提供了将能量供给该存储材料的激活剂。激活剂可以是呈邻近第一层的第二层形式或者提供成结合在第一层中。检测存储材料状态的光检测器例如以邻近第一层的第三层形式提供，使得光学逻辑单元形成整体元件的基本上三层的一层。光学逻辑单元可以起单数据存储元件或双稳光学开关的作用。引起存储材料之状态改变的激活剂由一个或多个直接或间接地可以被电访问和寻址的辐射发射器件形成。辐射发射器件最好是光发射二极管，尤其是有机聚合物二极管。可选择的辐射发射器件还可以是半导体激光器。光学逻辑单元的方式在专利申请No.980407中公开，其已经做成邻近寻址，即存储材料的激活和其状态改变的检测发生在光学逻辑单元本身和邻近该存储材料的光学逻辑单元中，使得为了将光引到该存储材料而使用复杂外光学系统成为不必要。根据该专利申请的光学逻辑单元还能够以平面结构组合成整体光学逻辑器件，并且这些平面结构可以再次堆积，使得提供真的体积光学逻辑器件，其包括了大量的都可以被单独地邻近寻址的光学逻辑单元。带有邻近寻址的光学逻辑单元的实现具有这样的结果，即它们可以用一定大小来实现，该大小是大大低于例如用公知半导体技术实现的存储元件的大小，或者是利用来自外部的提供在诸如折射和衍射单元之光有源结构上的光来寻址的光学存储元件的大小，诸如折射和衍射单元之光有源结构本身意味着存储元件即光学逻辑单元的大小将受到所用波长的限制。
正如上述，根据邻近寻址的专利申请No.980407，可以使用呈光发射有机聚合物二极管形式的辐射发射器件。在国际公布专利申请WO95/31515中公开了这种光发射有机聚合物二极管，名称是“Coloursource and method for its fabrication”，其已经转让给本申请人，在此引用作为参考。通过改变二极管的驱动电压，这种光发射有机聚合物二极管可以发射几个波长的光。该二极管可以发射不同波长的光，例如在低驱动电压时基本上为红光，在较高驱动电压时为蓝光，同时中间驱动电压可以给出在带有变化强度的红和蓝光两者中的发射峰。该二极管已被做成薄有机聚合物膜并具有大约10nm的厚度，以及各个二极管的尺度不大。在光学逻辑单元中集成为辐射发射器件，它们因此将与对应大小的光学逻辑单元兼容。
以上述现有技术为基础，本发明的目的是提供光学逻辑单元，其给出本质上简化的寻址操作。
本发明的第二目的是提供光学逻辑单元，其中寻址操作可以被实现为邻近寻址，用于存储在光学逻辑单元中信息的写，读，存储，转换或擦除。
本发明的第三目的是使单元光逻辑状态的信息携带状态在很长时间周期上不变化，使得在没有丢失和不需任何刷新的情况下数据可以存储几年。
本发明的第四目的特别是使写和读操作以及寻址非常快的发生，并且基本不受所用光敏材料的光致循环中热控时间常数的影响。
本发明的第五目的是使数据的读出非破坏地发生，即不需要代表光学逻辑单元中输出数据之状态的刷新。
本发明的第六目的是数据用消耗较少功率的非常小型和低价的写/读器件来在光学逻辑单元中写和读。
本发明的第七目的是光学逻辑单元被小型化，使得在以使用这种光学逻辑单元为基础的数据存储器件中可以获得非常高空间和立体数据存储密度，并且其中寻址将通过简单的邻近过程发生。
本发明的又一目的是在可以进行光致循环的光敏有机材料的该薄膜中实现逻辑操作，例如为细菌视紫红质和类细菌视紫红质材料。
最后，本发明还有一个目的是提供非易失性的光学逻辑单元，其可以以高容量并行寻址的可能性被组合在光学逻辑器件中，可以以无问题循环操作被驱动并且此外以低成本制造。
上述这些和其它目的和优点用根据本发明的光学逻辑单元实现，其特征在于：最初和在寻址之前的逻辑单元处于预先产生的亚稳态，或者具有相同种类的邻近可寻址光学逻辑单元，其除了根据本发明，特征在于：光敏有机材料以基本上膜状结构或者作为膜状结构提供，和在于邻近该结构或在该结构中提供至少彩色光源用于光敏有机材料的光学寻址，以及至少一种彩色敏感光学检测器，用于光敏有机材料的物理/逻辑状态的检测。
根据本发明的光敏材料最好是蛋白质分子，或者是类蛋白质化合物，更好的是该蛋白质是细菌视紫红质或者相关化合物。
另外，根据本发明，初始亚稳态最好是细菌视紫红质的N-状态，或者是细菌视紫红质的Q-状态。根据本发明，还有利地是彩色光源是可调波长的光源，最有利的是，可调波长光源是光发射有机聚合物二极管，通过控制二极管的驱动电压进行波长调谐。根据本发明，彩色敏感光检测器可以最佳是多谱光检测器。当根据本发明彩色敏感光检测器是光吸收有机聚合物二极管时也是有利的。如果提供了多于一个的彩色敏感光检测器的话，有利地是检测器调谐到分别时应于光致循环的基态和一个或多个亚稳态的激发波长或吸收带的波长或带宽。
根据本发明，一种用于制备光敏有机材料的方法是以用初始化光致循环和在光致循环中产生期望的初始亚稳态的功率带宽或波长的光来辐射基态的光敏有机材料为特征的，所述初始亚稳态被指定为逻辑单元的确定逻辑值。
在光敏有机材料是细菌视紫红质的地方，根据本发明，作为期望的初始亚稳态所有利产生的是细菌视紫红质的M状态或细菌视紫红质的Q状态。
根据本发明，一种用于光学逻辑单元之光学寻址的方法，特征在于用于写和存储的步骤，其包括如果在先前的状态中指定的逻辑值将被变化成在指定到其它亚稳态或基态的逻辑值的话则引起从初始亚稳态到另一亚稳态或到基态的转变，和在相反的情况下，保持初始亚稳态不变；在于读的步骤，其包括为了确定指定的逻辑值而检测光学逻辑单元实际状态的实际状态；在于擦除步骤，其包括如果光学逻辑单元处于基该状态，通过再一次地初始化转变光学逻辑单元返回到亚稳态的光致循环，引起从该状态的转变，或者如果光学逻辑单元已经处于初始亚稳态的话，则保持后者不变，或者如果光学逻辑单元处于另一亚稳态的话，则引起从该亚稳态返回初始亚稳态，要么首先返回到基状态，其用于此后初始化转变该光学逻辑单元返回到初始亚稳态的光致循环，要么在不通过基状态的情况下，直接返回到初始亚稳态；以及在于转变的步骤，其包括用同时或立即随着其它状态的检测引起从当前状态到另一状态的转变。
根据本发明，多态光学逻辑单元和用于其寻址的方法在用于存储和处理数据的光学逻辑器件中的使用。
从其余的从属权利要求将清楚本发明各种主题的其他特征和优点。
利用实施例并参考附图将更详细地说明本发明。
图1a，b，c示意地表示了光敏有机材料(这里是细菌视紫红质)的光致循环，
图2是细菌视紫红质在其光致循环中不同状态的电子吸收谱，
图3是根据本发明的邻近寻址光学逻辑单元，
图4a，b，c是用于本发明的光发射有机聚合物二极管的电致发光光谱，
图5是用于本发明的光发射有机聚合物二极管的光发射域，
图6是示意地表示光敏有机材料的制备和产生期望亚稳态的光致循环，
图7是示意地表示光敏有机材料的制备和产生另一期望亚稳态的光致循环，
图8是示意地表示根据本发明用于光学寻址之方法的第一实施例，其中光敏有机材料是细菌视紫红质，
图8a是表示用于写和存储的步骤，
图8b是表示用于读的步骤，
图8c是表示用于擦的步骤，
图9是示意地表示用于光学寻址之方法的另一实施例，其中光敏有机材料是细菌视紫红质，
图9a是表示用于写和存储的步骤，
图9b是表示用于读的步骤，
图9c是表示用于擦的步骤，
图10是示意地表示根据本发明用于转换步骤的不同实施例，其中光敏有机材料是细菌视紫红质，
图10a是表示第一转换操作，
图10b是表示第二转换操作，
图10c是表示第三转换操作，
图10d是表示第四转换操作，
图11是其中本发明采用的光学逻辑单元的优选实施例，
图12a，b是其中采用本发明特征的光学逻辑单元的另一优选实施例。
公知几种光敏有机材料，它们都具有在不同波长的光辐射下可以进行光致循环的特性。基于浮精酸酐(fulgide)或浮精酸酐衍生物的光致变色有机材料例如在用分别漂白和彩色状态的吸收波长的光辐射下从非漂白到彩色状态并返回来进行光致循环(Kirkby &al.，Optical nonlinearity and bistability in photochromic thinfilms，Optics Communications，56，4，pp.288-292(1985))。
对于全息数据记录，已经提出了使用基于掺在光致变色螺恶嗪(spirooxazin)或螺吡喃(spiropyran)染料中聚合物的光致变色染料系统，其通过在对应激发波长的光下产生的光化转变形成稳定和无色结构(Weiss & al.，Holographic recording and all-opticalmodulation in photochromic polymers，Optics Letters 18，3，pp.1089-1091(1993))。
但是，特别地，根据本发明的光学逻辑单元使用蛋白质分子或类蛋白质化合物以及作为这些的例子，可以提及叶绿素蛋白质络合物(complex)和视网膜蛋白质络合物(Bazhenor & al.，Biopolymersfor Real-Time Optical Processing，Optical Processing andComputing，Academic Press PP.103-144(1989))。
细菌视紫红质属于视网膜蛋白质络合物，并且作为玻璃基片上的膜或作为低温膜，已经以聚合物母体中膜的形式使用。在液氮温度下，抑制光致循环的热反应，并且该光致循环仅包括基态bR和在该温度下稳定的中间状态K。从bR到K转变的光化时间常数大约10ps，并且通过红光(600nm波长)辐射，细菌视紫红质返回基态bR。在-50度的温度下，该光致循环被M状态中断并且从此通过用410nm波长的光辐射，细菌视紫红质分子能够返回bR状态(ibid.p.120)。
根据本发明，特别地，蛋白质最好是细菌视紫红质或者是相关的化合物。细菌视紫红质和其突变株体或者化学改性是化合物，其是目前数据光学存储研究所最为关心的。根据本发明的光学逻辑存储单元和方法之实施例的下述讨论因此将特别地关注基于细菌视紫红质或其突变株体和其化学改性以及细菌视紫红质的光致循环的实施例。
细菌视紫红质是形式上公知的通常作为卤细菌的卤细菌全细菌盐(salinarium)的微有机物紫色膜中的集光蛋白质。细菌视紫红质具有的分子量是26000。全细菌盐在盐沼泽中生长，在这里盐浓度高于海水浓度大约6倍。紫色膜是通过当氧气浓度变得太低而不能支持呼吸时由细菌形成的。通过光的吸收，蛋白质将质子激发到膜上并产生用作替换能源的化学渗透势。细菌视紫红质一定要成活在温度可以超过65℃度的作为盐沼泽的环境中达长的时间周期的事实，要求能承受热和光化学压力的强健蛋白质。实验表明细菌视紫红质可以承受高达140℃度的温度，并且在任何情况下通常承受80℃度的温度。蛋白质的循环性，即其可以进行光化学循环的次数超过106，该值基本上大于绝大部分的合成光致变色材料。因此，细菌视紫红质非常适合于根据本发明的例如光学逻辑单元的技术应用，并且尽管其基本上是生物材料，仍然能够提供长期稳定的数据存储媒质。
当细菌视紫红质吸收光时，其进行产生中间状态的光致循环，具有在电磁光谱的整个可见光范围内的吸收最大值。这示意地表示在图1a中，其表示出细菌视紫红质光致循环并且展示出由光诱导的具体转变的顺序。光诱导转变或激发转变用阴影箭头表示，同时非阴影箭头表示了因热弛豫导致的转变。绿光将细菌视紫红质从基态bR转变成中间状态K，然后弛豫和形成M状态，之后为O状态。M态的停留时间依赖于在其中的温度和所用细菌视紫红质的突变株体。如果O态的细菌视紫红质受到红光作用，要发生所谓的转移反应。O状态变换到P状态，其将快速弛豫到Q状态，一种已经表现出长时间周期稳定的细菌视紫红质的结构形式。在使用天冬氨酸残余物85和96的细菌视紫红质的不同突变株体中，Q状态的寿命可以超过几年。如果天冬氨酸85用诸如天冬酰胺的非极化氨基酸代替，则禁止稳定M状态的形成，并且初始光致循环很快形成O状态(或者非常象O状态的中间状态)(R.R.Birge，Ann.Rev.Phys.Chem，41，pp，683-733(1990))。但是，如果Q状态的细菌视紫红质用蓝光照射，其将返回到基态bR。如果O状态不用红光照射，其将在短时间弛豫中返回到基态bR。具有长寿命的两个状态的任何一个现在都可以指定为二进制的逻辑值0或1，因此，在细菌视紫红质分子中以这些状态的一个或另一个存储信息变成了可能。
图1b是细菌视紫红质初始光致循环的示意图。适合于用在根据本发明光学逻辑单元的中心光化学转变以通常绕示意图順时针方向的顺序表示在示意图中。bR表示细菌视紫红质的基态，大写字母表示光致循环的不同状态。括号中的数字以纳米表示细菌视紫红质的不同状态或种类的吸收带的中心波长。由光诱导激发引起的转变用hν表示，并且可能具有时间常数tv，同时，由热反应引起的转变用在大约室温下第一级驰豫时间的时间常数tp表示。
用中心在约570nm的光照射基态或静态bR的细菌视紫红质分子产生具有很短寿命的激发态K。正如所示，K态具有中心在约600nm的吸收带宽，这意味着如果由bR态激发的功率带宽展宽到600nm之上，则K态的分子将返回到基态bR。然而，假定该转变具有低的量子效率，并且作为K态是不稳定的并很快转变到L状态，大多数K态分子将在光致循环中被驱动，即使说一些分子可以循环返回到基态bR。具有中心围绕410nm吸收带的中间状态M将在1-3ms的短时间间隔内热弛豫到中间状态M，该中间状态M再次热驰豫到中间状态O。所述M状态在不同改性的细菌视紫红质中具有相对长的寿命，其有可能最多达到几分钟，因此，如果不要求文档存储在很长的时间间隔，则有可能使用它代表逻辑状态0或1之一。这里提及实际中的M态由两个状态M1和M2构成，它们实际上有相同的吸收谱。要补充的是，在先前企图借助使用M状态来在细菌视紫红质中全息数据存储期间，观察到灵敏度和对比度的逐渐衰减，后面要显示的一些事情是由于通过对P和Q状态转移反应的活动分子的衰减引起的(R.R.Birge，privatecommunication，1996)。从示意图可以看出，对M状态，通过用中心围绕410nm吸收中心波长的光辐射，M状态可以返回到基状态。但是，中心大约为基状态bR之吸收中心波长即570nm的光当然不将M状态驱动返回到bR状态。O状态具有640nm的吸收中心波长，因此，如果其用中心围绕该波长的功率带宽的光辐射，使得在光致循环中产生转移反应，则它将转变到具有相对长寿命(达到几分钟)的中间状态P。P状态将热弛豫到最稳定的光致循环中间状态，即具有寿命可能达到几年的Q状态。因此Q状态可以用于代表将保持几年的逻辑状态。除了稳定的基态之外，因此当细菌视紫红质将是存储媒体，其中根据本发明的光学逻辑单元将用在适合于文档存储之光学数据存储器件的情况时，Q状态是最合适的状态。
如果Q状态用具有中心在380nm的Q状态吸收波长功率带宽的蓝光辐射，则Q状态将转变成基状态bR，同时无时间表示的箭头还表示Q状态将热弛豫到基状态bR，但它具有几年的时间常数。通过具有中心围绕490nm的P状态吸收频率的功率带宽的光的吸收，P状态将返回到O状态。O状态此外在通常光致循环中热弛豫返回到基状态bR，具有室温下4ms的时间常数。
为了进一步观察细菌视紫红质的光致循环，其在图1c中图形地表示出。外部循环代表光致循环顺时针的过程，从基态bR和此后经过中间状态K，L，M，N和O返回到基态bR。光致循环的转移反应由内环行弧代表，具有从O态到达的P和Q态。具有相对长寿命的亚稳态即M，P和Q用阴影表示。圆扇区代表光致循环的面积，其包括按本发明的目的作为稳态的状态Q和bR。光致循环中的光诱导转变作为本发明的要点由数字箭头表示。然而示意图中，忽略了对本发明不重要的非常短寿命的中间状态。相同的处理适用于这种情况，其中实际中的中间状态是由几个具有近似相同吸收谱的状态组成。
细菌视紫红质的不同种类或状态的吸收谱示于图2中，当为了产生激发到另一状态而辐射种类时，其也给出了合适的功率带宽的说明。例如可以看出，中心围绕600nm功率带宽的使用将产生状态N，bR，K和O，但是，这种辐射的结果将至少使很大部分分子布居从bR激发并达到相对稳定的Q状态。当然，通过用中心在570nm的光脉冲连续地辐射基态bR可以获得相同结果，使得bR态转变到O状态，并且还同时连续地用中心在640nm的光照射细菌视紫红质，可选择地，在数毫秒的耦合之后，使得O状态转变到P状态。其含义应当在下面进行更密切的讨论。从图2将可以看出，通过用380nm或者例如360-400nm功率带宽的光辐射Q状态的分子，可以有效地将Q状态激发到基态。
根据本发明，开始时和在寻址之前的逻辑单元将处于预先产生的亚稳态。例如该初始的亚稳态最好可以处在细菌视紫红质的M状态，它在该情况下将具有合适的长寿命，使得在希望的光学数据存储方案中它可以代表一个或二个逻辑状态0或1。但更优选的是初始的亚稳态为细菌视紫红质的Q状态，正如上述，其具有许多年的寿命。
其中光敏材料在此是细菌视紫红质的光学逻辑单元可以提供为层状结构并且在为了特定应用，用将有效地引起转变到长期稳定之Q状态的功率带宽黄光来辐射处于基态bR的细菌视紫红质来事先准备好该光学逻辑单元。光致循环中从bR到后续不稳定K状态的转变具有高的量子效率，同时从K状态返回到bR态的光诱导转变具有可想而知的低量子效率，因此在实际上，相当比例的bR态的分子随后将到达O状态。通过使用包括bR态和O态吸收带的功率带宽，对于二状态的对应任何一个，可能通过使用具有对应于吸收中心波长之波长的光，O状态将转变到P状态，它通过几分钟的热驰豫，将转变到长期稳定的或亚稳的状态Q。该过程是累加的，即细菌视紫红质用合适带宽或波长的黄光照射的时间愈长，越来越多的分子将转变到Q状态。当然不管从O状态到P状态的转变是否具有低的量子效率，一般大约为0.01-0.02。但是，借助以这种方式用黄光连续照射，K状态正如所述将以低量子效率激发返回到基态bR，O状态将以近似4ms的典型时间常数热弛豫返回到bR态，但是光致循环然后仅仅将循环进行并由于累加效应增加产额。由于光敏材料的制备发生在光学逻辑单元被引入规定应用的很久之前，这种方式中的细菌视紫红质可以用相当比例的Q状态的分子布居来制备和存储。在优选实施例中，Q状态因此是实际的两个稳定状态之一，其将用作为代表逻辑1或逻辑0。由于实际的原因，下面将假设Q状态代表逻辑1，bR状态代表逻辑0。
因此在写或读操作之前的逻辑单元可以实际地看作为Q状态。如果将写入或存储的逻辑值是1，以这种方式进行逻辑单元中数据的写或存储现在是非常简单的，为此目的通过细菌视紫红质基本上是Q状态已经在逻辑单元中进行了表示并因此具有逻辑值1。相反，如果在逻辑单元中其被写入逻辑0，通过受到用中心在Q状态吸收中心波长即380nm并因此是蓝光的光照射逻辑单元即细菌视紫红质之影响的写或存储过程，现在这是非常简单地发生的。因此逻辑单元从状态1到状态O转变，然后该状态将长久地存储在细菌视紫红质bR状态。因此，其中用作为根据本发明逻辑单元中的可开关或数据存储媒体的在此是细菌视紫红质的光敏有机材料之操作将是简单的，因为写或存储操作被归结为只有当已表示逻辑1将被变化到逻辑0时用确定波长的蓝光辐射。但是，根据本发明在光学逻辑单元寻址方面的操作将结合图8，9和10的讨论进行较详细地讨论。
现在参考图3来说明根据本发明的光学逻辑单元是怎样作为邻近寻址光学逻辑单元实现的。基本的邻近寻址光学逻辑单元在前述的专利申请No.980407中公开，其已经被转让给本申请人。
图3示意地表示了根据本发明的光学逻辑单元的实现。在此是细菌视紫红质的光敏材料以层状结构1提供。
邻近结构1之光敏材料提供了发射体或光源2，其最好是光发射聚合物二极管的形式。通过连接到电流源9的两个电极3，4驱动电压VE施加到光发射聚合物二极管2。光发射聚合物二极管2是邻近光敏材料1提供的，在此光敏材料是将驱动进行光致循环的细菌视紫红质。这意味着电极3一定是透明的。而且，用于驱动细菌视紫红质进行光致循环的光发射二极管2一定是电压可调制的，其意味着，在目前情况下，它将与实现呈该种电压可调制聚合物二极管形式的光发射二极管是相关的，该种电压可调制聚合物二极管例如在前述国际专利申请WO95/31515中公开并与较详细讨论的这个参考有关。光发射二极管2的对面和同样邻近细菌视紫红质的结构1提供了光生伏打或光电导探测器，其最好也是呈层状结构并提供有电极6，7，电极6，7将由检测光的探测器输出的信号电压VD传导到没有示出的探测器放大器10。这里很明显，面对细菌视紫红质结构1的探测器电极6一定是透明的。
呈光发射聚合物二极管形式的电压可调彩色光源已经在上述国际专利申请WO95/31515的参考中进行了讨论，它还由M.Bergren &al.，Nature 372，pp.444-446(1994)进行了进一步的较详细地公开。通过改变施加在电极上的驱动电压VE，这种光发射聚合物二极管将发射不同波长的光。用于这种光发射聚合物二极管的所示概念是相对普遍的，通过合适选择光发射材料，所发射光辐射的谱特性可以被控制在宽范围内。考虑本发明所公开的，在希望具有对在不同状态细菌视紫红质之光吸收特性的光谱适应性时，应当假设光发射聚合物二极管在低电压VE下发射黄光并且随着电压的增加而增加蓝光的发射。这在图4a-c中有较详细地表示，其中图4a表示光谱特性和在施加电压VE为5V下的强度。发射基本上以红光的形式发生，具有大约为630nm的光谱峰。这里功率因数为100％。图4b中，电压增加到16V，功率因数下降到50％。可以看出，光发射聚合物二极管仍然保持在大约630nm的发射峰，但是同时获得了增加的大约400nm的蓝光发射。在施加电压为21V功率因数为20％时，530nm之上波长的发射降低了，基本上获得了具有高强度中心在430nm的蓝光发射峰。电压控制发射体2，即上述国际专利申请WO95/31515公开的光发射聚合物二极管，包括若干物理上分开的光发射域11，这示于可看作对发射体层示意剖面的图5中。域11埋置在例如本身可以为聚合物的透明基体12中，每个域仅包含一种类型的光发射聚合物，即具有主要发射黄光或红光的窄带隙或者具有发射蓝光的宽带隙的光发射聚合物。如果域11较大并以相对大的距离分隔开，这将由于从光发射二极管的不可预计和无规则光发射而产生问题，并且具有落在细菌视紫红质结构之给定中点上的在对应红光和蓝光之间不良空间重叠中的某些光束几何形状。上述WO95/31515的实验研究已经展示出目前至少有可能获得域之间从几个10nm到最多几个100nm范围内的典型尺寸和距离，使得聚合物层的尺度因子或基体12的厚度对应于域部分，因为域明显地一定要接触基体表面上的电极3，4。因此，由空间离散光发射引起的效应用非常小在通常为几个nm的范围的光发射聚合物二极管将是可检测的。另一方面，还显示出通过减小域的尺寸11可以基本上减小光发射聚合物二极管2的尺寸，使得可以避免可能的不利空间效应，甚至具有10nm或左右的光发射二极管的尺寸。然后，发射体层的厚度将是可比较的，并且其至少在理论上可以推出有可能实现根据本发明的光学逻辑单元，具有最多为几个nm的尺寸和对应厚度。
光生伏打或光电导探测器5是对应于发射体2或彩色光源即使用对应的聚合物二极管和具有现在作为光吸收的域来实现的，使得在光谱上与光强度相关的所检测变量将在电极上产生检测器的信号电压或者输出电压VD。同样，在这种情况下，检测器5一定要调谐到发射体2的光谱特性。而且，对于检测器5，对光发射聚合物二极管2而言，可以获得相同的尺度因子，域8的尺寸确定了层厚度，很明显，层厚度一定要与域段是适应的，使得能够取得电极6，7的接触。
可以看出，作为这里公开的光学逻辑单元是按邻近可寻址实现的，并且，如果通过呈折射或衍射单元方式的在细菌视紫红质结构外部和它与发射体之间提供的光学有源结构，光被导引到光敏有机材料的话，其避免了将出现的尺寸因子上的限制。在那种情况下，光学逻辑单元的尺寸将受到所使用光辐射之波长限制。图11还示出其中光学逻辑单元是通过呈小透镜形式之光学有源结构被寻址的光学逻辑器件的实施例，下面将参考该图进行讨论。
现在，结合图6-9并在假定光学逻辑单元将用于数据存储之下讨论制备、写入、读出和擦除的操作。所有的图6-9表示了用已经画成椭圆的四个逻辑单元实现的操作，并在用实际状态bR、M、Q表示的相关操作中对于每一个步骤是重复的。
图6表示了利用产生作为初始亚稳态之M态的光致循环的细菌视紫红质的制备。如果选择了细菌视紫红质的突变体，M状态的寿命可以扩展到几分钟。通过用蓝光(λ近似为410nm)辐射产生写入，由此M状态返回到bR状态。很明显，M状态将极少适合于文档存储，但是，其中数据将被存储在短时间间隔内或在易失性存储器中，M状态可以有利地是初始状态并表示成逻辑1，也可能为0。而且，有利地是，作为初始状态的M状态使快速擦除和复位成为可能，例如在室温下，M→bR→M的循环时间最多是稍微大于100μs。
图8a-c分别表示了写/存储、读和擦除的步骤，其中初始亚稳态是M态，并且对于说明书概述部分中已经说明的，该初始亚稳态几乎不需要进一步的解释。如果期望细菌视紫红质结构中数据的长期稳定存储，则细菌视紫红质将用黄光(λ近似为380nm)来预先制备并被初始化到Q状态，正如图7中所示。
现在细菌视紫红质结构最初处于Q状态。通过由施加使发射蓝光的和使在所示点的细菌视紫红质结构变到bR状态的足够高电压的发射体或光敏有机二极管来进行写入，如图9a所示。通过将低电压施加到发射体使光发射二极管发射黄光来进行读出，如图9b所示。依赖于细菌视紫红质结构是否是处于bR或Q状态，黄光将在或大或小的程度上被吸收。因此，通过测量由检测器输出的信号电压，能够确定细菌视紫红质结构的逻辑状态。
一旦细菌视紫红质结构从Q转变到bR状态，如图9c所示，其可以通过用与bR和O状态同时进行相互作用之波长的光辐射来返回到Q状态，其对应于复位或擦除操作。如果光学逻辑单元被用于为ROM或WROM之数据存储器件形式的光学逻辑器件并且使用了可以发射两种颜色之光辐射的发射体，例如为电压可调制有机光发射二极管，则写和读操作按下述进行。
根本上，应当再次假设细菌视紫红质结构被生产制备成Q状态，即在寻址之前开始时逻辑单元处于预先产生的亚稳态。在这个Q状态，它可以保持几年，除非它受到蓝光的辐射。而且，正如别处所假设的，细菌视紫红质分子的Q状态被定义为逻辑1。用蓝光的辐射将细菌视紫红质分子从Q状态变到代表逻辑0的基态bR，并且现在通过将初始Q状态变到bR状态发生写入。用高电平的短持续时间电压脉冲激活发射体，使得混合的蓝光和黄光辐射细菌视紫红质结构。黄光谱分量并不改变细菌视紫红质分子的逻辑状态。由处于bR基态之分子吸收的黄光启动光致循环，但是P和Q状态的转移不会发生，因为光脉冲持续时间假设为小于到达O状态所必须的循环时间。即使用相对长的光脉冲持续时间，黄光的光谱分量也将是弱的，不足以驱动绝大部分O状态的分子越过到达P状态。蓝光的光谱分量主要由M和Q状态的分子吸收，使得这两者转变到bR状态。从Q到bR状态的转变是写操作，即从逻辑状态1变到逻辑状态0。
通过用低电平的短持续时间电压脉冲激活发射体发生读出，使得仅黄光辐射细菌视紫红质结构。依赖于细菌视紫红质结构中bR态分子的相对布居，较大部分或较小部分的光通过该结构并由下面的检测器单元检测。通过细菌视紫红质结构的低透过率意味着其中大部分的分子处于bR状态或逻辑状态0，同时吸收蓝光光谱分量的处于Q状态的大布居给出黄光的较好透过率并对应于逻辑状态1。正如这里讨论的，这意味着WORM方案，即数据仅可以一次写入和此后多次读出。写入也可以发生在WORM应用的生产地点。上述写入和读出方案可以直接地扩展，使得有获得再次擦除和写入数据的可能性。应当再次假设写入、读出和擦除是基于细菌视紫红质结构之邻近寻址的使用，该细菌视紫红质结构具有在两个光谱范围内发射的电压可调制发射体即二色发射体。
图1光致循环的详细研究展示出在600nm等深点(isobesticpoint)附近用于在bR和O状态吸收的恒定辐射将使Q状态起接收器的作用。由bR状态分子吸收的600nm光启动光致循环，因为在此每一点上的分子是用600nm波长的光辐射的。光致循环仅有两个转变状态在600nm有显著的吸收，即K和O状态。K状态的分子将吸收一些光并返回bR状态，使得通过分子的转变有不希望的从bR到Q状态的返回反应。然而，K状态的停留时间短到二毫秒，因此显著的比几个毫秒停留时间的Q状态短，但是其中在相关波长上的摩尔吸收率与K状态的是可比较的。在用600nm波长光辐射的影响下从O到P状态转变的分子最后在Q状态结束，同时剩余部分返回bR状态。
如果照射继续足够长时间间隔的话，返回到bR状态的分子将重复地循环，因为在每个循环中一部分被转移到P和Q状态。因此在足够长的周期中，所有的分子将结束在Q状态，假定从Q状态到bR状态的自发转变速率是忽略不计的。
上述慢的但与低强度光源兼容的操作可以与在上述国际专利申请WO96/21228中公开的相比较，其中黄光脉冲启动光致循环，并且当所激发的分子到达O状态时使用红光脉冲。在后者的情况下，可以到达非常高的速度，但是同时必须使用具有高强度并发射几个波长的光源。
如果发射体做成使得其在低电压下发射大约600nm波长的红光和在较高电压下发射红和蓝光的话，使用上述公开的用于读和写数据的两个波长的相对简单的方案将仍然是可能的。通过高电压脉冲并且如果辐射时间足够短，仅仅蓝光将影响处于非转变状态的分子布居，即，将分子从Q状态转变到bR状态的话，现在将发生写入。通过用红光扫描细菌视紫红质结构即利用发射体的低电压脉冲，将发生读出。如果辐射时间足够短，这将不影响处于Q和bR状态的分子布居。但是对bR状态之光谱适应性现在将变坏，将可以影响读出速度。
通过用红光连续地照射，即发射体加低电压超过某一时间周期，可以实现删除或擦除/复位。必须的周期依赖于若干因素，例如处于Q状态的希望分子布居，光学结构，发射体效率，温度和光谱适应性，但是它通常比一般写和读操作要用更长的时间。这不是必要的任何问题，因为在许多应用中，擦除/复位可以不连续的发生或者经过管理协议发生，由此不会干扰写/读操作。
在图6-9的图文表明辐射用高强度光进行时，可以理解，如果操作具有临界时间因子，即是由给定时间常数限制，辐射还可以选择为用相对低强度但超过较长时间周期的光来进行。
总地来讲，还有可能使用根据本发明的光学逻辑单元，其不仅用于存储数据，而且还呈可以从一种状态到另一状态转变的单元型逻辑元件的形式并有可能复位到0，因为为了例如实现逻辑代数操作之目的，这种单元型逻辑元件可以用作为形成逻辑门或建立光学逻辑网络或器件。这种使用的例子例如可以是呈光学逻辑门形式的光学逻辑网络，目的是实现诸如与，非等布尔功能。这种逻辑代数或布尔操作对本领域技术人员来说是公知的，不需要对此进行详细的讨论。但是应当理解，通过使用两个值(二进制)逻辑，实现诸如逻辑乘法(conjunction)、逻辑自汇接(autjunction)、逻辑速度连接(veljunction)、逻辑等价和逻辑隐含功能的光学逻辑门包括两个根据本发明的光学逻辑单元并连接到公共输出。逻辑非当然可以由单个光学逻辑单元实现。
优选的是，根据本发明的光学逻辑单元的转变意味着同时和立即地随着第二状态的检测，引起从光学逻辑单元的当前状态转变到另一状态。如果各个状态最初是稳定的或者是亚稳定的，检测将在未限定的时间连续点上发生并对应于通常的读操作。如图10a所示，表示为I的第一状态能够是亚稳态M或是亚稳态Q，表示为II的第二状态能够是细菌视紫红质的bR态，或者反之亦然，和由用调制到分别用于M或Q状态之吸收带或激发波长的光辐射和调制到用于bR的吸收带的光来检测bR所引起的从M状态或Q状态的转变。图10b表示了利用bR状态作为初始状态I和分别将M和Q状态作为第二状态II的转换。图10c表示了从Q状态I到M状态II的转变，图10d表示了从M状态I到Q状态II的转变。图10a-d所示的各个转变是处于由被调制到用于初始状态I的各个吸收带或激发波长的光引起的每个单独的情况。具体对于从Q状态到M状态的转变，当很大部分处于bR状态的分子已经到达M状态时中断该辐射，并且由此从M状态到Q状态的转变，辐射继续直到很大部分处于bR状态的分子已经到达Q状态，或者，如果辐射用被分别调制到随着为光致循环中M状态之O状态的吸收带或激发波长的光发生，则辐射继续直到处于M状态的分子基本上已经到达Q状态。
从图10a可以看出，通过使用M状态或Q状态作为初始状态I和基态bR作为第二状态II，转换可以非常快的发生。从基态bR到M状态的复位(或设置为零)的进行仅仅稍微大于100ms，同时从基态bR到Q状态的复位要用较长的时间，一般为几个毫秒。而且，通过使用基态bR或Q状态作为初始状态I和M状态作为第二状态II，转换可以对应地进行得很快，(图10b，c)，具有从M状态到bR状态非常快的复位和具有从M状态到Q状态慢的复位(＞2ms)。如果根据本发明的光学逻辑单元用于实现例如逻辑门和光学逻辑器件中的网络，则希望转换将快速发生，这意味着选取其中转变到第二状态是仅由光化学反应引起的即因此是纯激发过程的初始状态是有利的。复位或设置为0即将光学逻辑单元带回到基态通常在时间方面并不重要，因此复位包括热驰豫过程将是无关紧要的。在具有大量光学逻辑单元的光学逻辑器件中，光学逻辑单元还可以平行转换和复位，器件的转换速率然后将由可以同时寻址的逻辑单元的多少确定。
但是，对于转换操作，这两个状态是稳态或是亚稳态并不是必要条件。仍然可以认为，通过引起光致循环中从初始亚稳态或从基态到短的非稳态的转变可以有效进行转换操作，使得转换和复位可以非常非常快的发生。例如，在使用细菌视紫红质作为光敏材料的情况下，这可以通过使用基态bR作为初始状态和通过例如为非常短寿命的K状态作为光致循环中随后的另一状态能够进行。从bR态到K态的转变，其是激发诱导反应，仅具有10微微秒的激发时间常数，它依赖于强度、吸收系数和量子效率。但是在那部分光致循环中出现了未表示出的非稳态J，其位于bR态和K态之间，但其对于转换没有任何有意义的效果。K状态的停留时间最大为几个毫秒，此后K状态将驰豫到L状态。这意味着K状态的检测一定要及时精确调制。在大约100毫秒之后，通过热驰豫，K状态转变到M状态，这意味着通过用410nm波长的光辐射M状态，光学逻辑单元在该转换操作中可以被设置为零，使得将有从M状态返回bR状态的激发转变。
如果检测在吸收中进行的话，K状态的两毫秒的非常短的检测窗口可以产生问题。可能的解决方法是让检测在发射中进行。假设细菌视紫红质在K状态中发荧光，并且该荧光发射可以用具有比使用吸收检测情况下更好灵敏度的检测器检测。到目前为止，对细菌视紫红质之不同非稳态和亚稳态的荧光特性有太少的知识。对可用于本发明的其它光敏有机材料的情况也是如此，但是如果转换操作是使用这种材料的非稳态，荧光的检测即发射中的检测在转换操作很快地发生并且检测窗口非常窄时明显地有优点。
根据本发明，多稳态光学逻辑单元和其光学寻址的方法可以用在用于数据存储和处理的光学逻辑器件中。进行数据处理时，在这种情况下，应当理解，光学逻辑单元被结合在光学逻辑网络中，借助于可实现这些功能的光学逻辑门来完成代数操作，或者借助于可实现这些操作的寄存器来完成二进制算术操作。这种光学逻辑门或光学算术寄存器可以由类似于对应基于半导体器件的技术实现，并且是在文献中公开的和本领域技术人员公知的之外，使得这里不需要详细讨论所要求的网络结构。
这种光学逻辑器件不需要用邻近可寻址光学逻辑单元实现，采用呈微透镜矩阵(microlens matrices)形式之光学有源结构的两维(平面)存储器件的方案在图11中示意地表示出和分解透视出。这里，光学逻辑单元的光敏材料具有呈层形式的结构，其形成为这些结构的阵列13，每个单独的结构可以看成阵列中的单元。指定给光敏有机材料阵列13中的每个单元，提供有索引发射体阵列14，并且在发射体阵列和光敏有机材料之间提供有对应索引的空间光调制器SLM，或者一层(sheet)小透镜或微透镜15。实际上在靠近透镜层15提供的矩阵13的结构分别适应性地形成为小透镜。代替小透镜或微透镜，即折射结构，还可以使用衍射结构。在相对侧面上和有机光敏材料阵列13下，然后提供有检测器阵列16，其用对应方式进行索引，具有光敏有机材料的每个单独的结构。该器件中光学逻辑单元的寻址由光束表示出，并且对阵列13中光敏材料的聚焦利用光束顶角表示出。对应的光学逻辑器件从专利文献中公知，但其采用了烧结膜、荧光层和其它有可能用于写和读之状态改变的媒体。上述基于根据本发明之光学逻辑单元的光学逻辑器件将形成为两维层状，在层中提供有不同的元件，其要求是在发射体和指定光学逻辑单元之间应当有唯一关系，某些是可以通过使用空间光调制器SLM取得的。对于一些操作模式，例如数据读出，在没有任何干涉空间光调制器的情况下，可以使用一个-多个关系。这意味着例如检测器不再需要是阵列，但是能够全局地实现。
如果使用根据本发明的邻近可寻址光学逻辑单元，自然不再需要使用呈透镜或衍射单元形式的光学有源结构，也不再需要空间光调制器。然后通过大的连接片层可以形成光学逻辑器件，并且这些片层再次相互堆积，使得提供立体光学逻辑器件。这种光学逻辑器件在国际专利申请PCT/NO97/00154中公开了并转让给本申请人。在此引用作为参考。
图12a中所示阵列中邻近寻址光学逻辑单元的配置，其中阵列的单层，即发射体14，光敏有机材料13和检测器16分解透视表示出。阵列由m*n逻辑单元构成，在图12a中实际表示为5*5阵列。在发射体阵列14上，已经提供了图3的电极3，4，并且在电极3，4之间的每个交点中的光发射二极管由施加电压VE产生。结果，发射体或光发射二极管将发射作用在阵列13中例如为细菌视紫红质的光敏有机材料上的光。检测在检测器阵列16中进行，其中在所提供电极6，7之间的每个交点中的照射对应地产生光吸收检测器二极管。以这种方式形成的光学逻辑单元表示为OLE1，3，为了简单的缘故，在现在情况下每层阵列13，14，16表示为5*5阵列。
图12a所示的光学逻辑器件现在能够用于形成立体光学逻辑器件，其包括若干层或阵列S1，....SX。这种逻辑器件以剖面图表示在12b中，并且在每个单层S中，提供有发射体阵列14，有机光敏材料13的阵列和检测器阵列16。正如图12a所示，提供有电极3，4；6，7，并且光学逻辑单元形成在分别为电极3和4和对应电极6，7之交点之间。在每层S之间和有可能还在器件上表面和下表面上，可以提供电的或者可能还为光的隔离层。为简单的缘故，图12b所示的器件建议以立方体实现，具有5*5*5个光学逻辑单元，因此总共为125。层S1中光学逻辑单元OLE的扩展示于图12B并且可以对应图12a所示的光学逻辑单元OLE1，3。
由于每个光学逻辑单元是邻近寻址的，即发射体和检测器两者已在靠近光敏有机材料提供和位于器件内，仅有的实际问题是，m*n阵列应当包括多少单元以及多少层S应当互相堆积。
如果光学逻辑器件以图11所示实现，在实际的实施例中，可以包括大量的提供在两维页层中的逻辑单元。光学逻辑单元的大小将由于使用光学有源结构受到限制，因为光的波长设置为对于光学逻辑单元可以实现为多小的极限值。粗略地说，这意味着光学逻辑单元的面积将大约正比于波长的平方λ2，存储密度因此将反比于λ2，使得在1cm2的面积上，可以实现具有大约108个根据本发明的光学逻辑单元的光学逻辑器件。
相反，如果光学逻辑器件是基于使用根据本发明的图12a，b所示的邻近可寻址光学逻辑单元，尺度因子上的唯一限制至少在理论上是光敏材料的分子大小和在发射体中域的可实现的最小程度。实际实验表明，当前可以实现的光学逻辑单元具有数十个纳米的尺度，并且对于发射体电极和检测器为对应小的导电结构，使得可实现元件尺寸可以在2500nm2和10000nm2之间。最坏地说，这意味着每cm2有1010个光学逻辑单元并且可以用对应层厚度来立体地实现，在1cm3中有可能获得1015个邻近寻址光学逻辑单元。还有可能取得一个量级大小的线性尺度的改善，因此在1cm3中有可能实现1018个根据本发明的光学逻辑单元。为了给出这种光学逻辑器件存储容量的指示，可以建议其对应于存储1013页的普通书籍，这对于大多数文档存储是足够了。
最后，应当注意，在本发明和作为例子在国际专利申请WO96/21228中所引用的现有技术之间有本质差别，其中光敏有机材料即细菌视紫红质以体材料形式使用，例如在立方体形小容器中。这使得必须具有分页操作用于访问在细菌视紫红质中形成的相关页，这再一次导致在前文中所述现有技术的缺点。
在本发明和现有技术之间及使用呈层状结构形式的细菌视紫红质间接产生的技术之间另一本质差别是使用Q状态作为寻址或写操作的基础。为这个目的，正如所述，光学逻辑器件是在制造过程中制备的，使得细菌视紫红质预先处于Q状态。这在实际的实现中具有深远的含义。首先，从bR态到Q态的转变不构成用于应用的时间临界因子，以及该过程是附加累积的。因此具有低强度的光可以用在制备中，除此而外，可以使用最小化的光发射二极管。与此相反，根据WO96/21228的写过程使用bR态作为基础，并且在从O到P状态的转换点上满足临界时间窗口，这里有必要使用高强度的光，一般为激光，目的是引起显著的转移反应。
第二，给出足够强度的蓝光光源，写和读操作可以非常快的发生，因为这意味着是在分子状态之间即对于从Q状态到bR状态的写或者为了从bR状态再初始化而擦Q状态的光诱导转变速率。结果避免了细菌视紫红质光致循环中其它状态之间的慢的热驰豫转变。第三，读操作不干扰分子的逻辑状态，因此没有必要有刷新程序。
即使参考使用细菌视紫红质作为光敏有机材料和使用细菌视紫红质光致循环中的状态已经基本上示例说明了本发明，当然应当理解本发明并不限于使用细菌视紫红质或相关的化合物作为光敏有机材料，但是在所附权利要求的范围内，可以等价地使用任何可以进行光致循环并具有类似于细菌视紫红质之特性的其它光敏有机材料。

Claims (34)

1.多稳态光学逻辑单元，包括光敏有机材料(1)，其能够通过用一个或多个合适波长的光的辐射进行光致循环，其中除了物理基态之外，光致循环包括一个或多个亚稳物理状态，其中通过引起从一个亚稳态到另一亚稳态的转变或通过引起从基态到亚稳态的转变以及反之亦然，使逻辑单元的物理状态在光致循环中变化，其中物理状态设定为确定的逻辑值，并且其中逻辑单元物理状态的改变引起其逻辑值的改变和通过寻址逻辑单元光学地用于写、读、存储、擦除和指定逻辑值的转换来进行，特征在于：在初始和寻址之前的逻辑单元处于预先产生的亚稳态。
2.邻近可寻址多稳态光学逻辑单元，包括光敏有机材料(1)，其能够通过用一个或多个合适波长的光的辐射进行光致循环，其中除了物理基态之外，光致循环包括一个或多个亚稳物理状态，其中通过引起从一个亚稳态到另一亚稳态的转变或通过引起从基态到亚稳态的转变以及反之亦然，使逻辑单元的物理状态在光致循环中变化，其中物理状态设定为确定的逻辑值，并且其中逻辑单元物理状态的改变引起其逻辑值的改变和通过寻址逻辑单元光学地用于写、读、存储、擦除和转换指定的逻辑值来进行，特征在于在初始和寻址之前的逻辑单元处于预先产生的亚稳态，在于光敏有机材料(1)以基本上膜状结构或作为膜状结构提供和靠近该结构或在该结构中(1)至少彩色光源(2)被提供用于光敏有机材料的光学寻址和至少一种彩色敏感光学检测器(5)用于光敏有机材料之物理/逻辑状态的检测。
3.根据权利要求1或2的光学逻辑单元，特征在于初始亚稳态是最靠近光致循环结束时之基态的亚稳态。
4.根据权利要求1或2的光学逻辑单元，特征在于光敏材料是蛋白质分子或蛋白质类的化合物。
5.根据权利要求4的光学逻辑单元，特征在于蛋白质是细菌视紫红质或相关的化合物。
6.根据权利要求5的光学逻辑单元，特征在于初始亚稳态是细菌视紫红质的M状态。
7.根据权利要求5的光学逻辑单元，特征在于初始亚稳态是细菌视紫红质的Q状态。
8.根据权利要求2的光学逻辑单元，特征在于膜状结构包括光学透明材料的基体，和在于光敏材料(1)提供在基体中。
9.根据权利要求8的光学逻辑单元，特征在于基体是光学上透明的聚合物。
10.根据权利要求2的光学逻辑单元，特征在于彩色光源(2)是波长可调制的光源。
11.根据权利要求10的光学逻辑单元，特征在于波长可调制的光源(2)是光发射聚合物二极管，波长调制是通过控制二极管的驱动电压进行的。
12.根据权利要求2的光学逻辑单元，其中提供了超过一种彩色光源(2)，特征在于彩色光源(2)被调制到分别对应于光敏材料光致循环中基态和一个或多个亚稳态之激发波长或吸收带的波长或功率带宽。
13.根据权利要求2的光学逻辑单元，特征在于彩色敏感光检测器(5)是多光谱光检测器。
14.根据权利要求2的光学逻辑单元，特征在于彩色敏感光检测器(5)是光吸收聚合物二极管。
15.根据权利要求2的光学逻辑单元，其中提供了超过一个彩色敏感光检测器，特征在于检测器被调制到分别对应于光致循环中基态和一个或多个亚稳态之激发波长或吸收带的波长或带宽。
16.一种制备光敏有机材料的方法，该光敏有机材料通过用一个或多个合适波长的光的辐射能够进行光致循环，其中除了物理基态之外，该光致循环包括一个或多个亚稳物理状态，其中光敏有机材料用作为根据权利要求1或2的多稳态逻辑单元中的可转换或数据存储媒体，其中该方法的特征在于用起始光致循环并在光致循环中产生希望初始亚稳态的功率带宽或波长的光来辐射处于基态的光敏有机材料，所述初始亚稳态对于逻辑单元指定为确定的逻辑值。
17.根据权利要求16的方法，其中光敏有机材料是细菌视紫红质，特征在于细菌视紫红质的M状态被产生作为希望的初始亚稳态。
18.根据权利要求17的方法，特征在于光致循环被初始化，通过用对应基态bR吸收带的功率带宽的光或者用对应基态bR激发波长的波长的光辐射细菌视紫红质产生M状态，当很大部分细菌视紫红质分子已到达M状态时结束辐射。
19.根据权利要求16的方法，其中光敏有机材料是细菌视紫红质，特征在于细菌视紫红质的Q状态产生作为希望的初始亚稳态。
20.根据权利要求19的方法，特征在于光致循环被初始化，通过用基本上对应细菌视紫红质基态bR和O状态之吸收带的功率带宽的光辐射细菌视紫红质产生Q状态，辐射继续直到很大部分细菌视紫红质分子已到达Q状态时为止。
21.根据权利要求19的方法，特征在于光致循环被初始化，通过用两个不同波长的光辐射细菌视紫红质产生Q状态，第一波长基本上对应细菌视紫红质基态bR激发波长，第二波长基本上对应细菌视紫红质O状态激发波长，辐射继续直到很大部分细菌视紫红质分子已到达Q状态时为止。
22.一种用于根据权利要求1或2光学逻辑单元之光学寻址的方法，具有根据权利要求15方法制备的光敏有机材料，使得光学逻辑单元处于初始亚稳态，其中光学寻址包括写、读、存储、擦除和转换指定到光学逻辑单元之逻辑值，并且其中该方法的特征在于：a)写和存储步骤包括：如果在前面的状态中指定的逻辑值将被改变
到指定为其它亚稳态或基态的逻辑值，引起初始亚稳态到另一亚稳
态或到基态的转变，并且在相反的情况下保持该亚稳态不变，b)读步骤包括：为了确定指定的逻辑值，检测光学逻辑单元实际
状态的实际状态，c)擦除步骤包括：如果光学逻辑单元处于基状态，通过再次启动
将光学逻辑单元转变返回到亚稳态的光致循环，引起从基态的转
变，或者如果光学逻辑单元已经处于初始亚稳态，保持后者不变，
或者如果光学逻辑单元处于另一亚稳态状态并返回到初始亚稳
态，引起从另一亚稳态的转变，或者首先转变返回到基态用于此后
启动将光学逻辑单元转变返回到初始亚稳态的光致循环，或者在
没有通过基态的情况下直接转变到初始亚稳态。d)以及转换步骤包括：随着另一状态的检测的同时或之后立即，
引起从当前状态到另一状态的转变。
23.根据权利要求22的方法，特征在于写和存储步骤中从一状态到另一状态的转变是通过用被分别调制到初始亚稳态之吸收带或激发波长的功率带宽或波长的光辐射引起的。
24.根据权利要求23的方法，其中光敏有机材料是细菌视紫红质，初始亚稳态是细菌视紫红质的Q状态，特征在于功率带宽或波长被分别调制到Q状态的吸收带或激发波长。
25.根据权利要求22的方法，特征在于读步骤中用于确定指定逻辑值的光学逻辑单元实际状态的检测是通过用被分别调制到基态之吸收带或激发波长的功率带宽或波长的光辐射引起的，吸收是通过被调制到吸收带的检测器检测的。
26.根据权利要求25的方法，其中光敏有机材料是细菌视紫红质，特征在于功率带宽或波长被分别调制到细菌视紫红质基态bR的吸收带和/或激发波长。
27.根据权利要求26的方法，特征在于辐射是以如此低的强度或如此短的持续时间之脉冲发生，使得来自基态bR的光致循环基本上未启动。
28.根据权利要求22的方法，特征在于擦除步骤中从基态到初始亚稳态的转变是受到用被分别调制到基态之吸收带或激发波长的功率带宽或波长的光的连续辐射作用，使得光致循环被再一次启动。
29.根据权利要求28的方法，其中光敏材料是细菌视紫红质，初始亚稳态是细菌视紫红质的Q状态，特征在于功率带宽或波长被分别调制到细菌视紫红质基态bR和细菌视紫红质O状态的吸收带或激发波长。
30.根据权利要求29的方法，特征在于辐射是连续地或者以足够强度或长度之脉冲发生的，使得将处于细菌视紫红质基态bR的很大部分分子转变到Q状态。
31.根据权利要求22的方法，特征在于在转换步骤中从当前状态到另一状态并且同时或立即跟随着第二状态检测的转变分别是由用被调制到当前状态之吸收带或激发波长的功率带宽或波长的光的辐射和用被调制到第二状态之吸收带的功率带宽或波长的光的辐射引起的，在所述第二状态中光的吸收是由被调制到该吸收带的检测器检测的。
32.根据权利要求31的方法，其中光敏材料是细菌视紫红质，其中第一状态是细菌视紫红质的亚稳态M或Q之一，第二状态是细菌视紫红质的基态bR，或者第一状态是基态bR，第二状态是亚稳态M或Q之一，或者第一状态是亚稳态Q，第二状态是亚稳态M，或者第一状态是亚稳态M，第二状态是亚稳态Q，特征在于：a)从M状态或Q状态到基态bR的转变是通过用被调制到M或Q
的吸收带或激发波长的光的辐射引起的，bR的检测是用被调制到
bR吸收带的光进行的，b)从基态bR到M状态或到Q状态的转变是用分别被调制到细菌视
紫红质bR和O状态的吸收带或激发波长的光的辐射引起的，当很
大部分处于bR的分子已经到达M时辐射结束，或者辐射继续直到
很大部分处于bR的分子已经到达Q为止，M或Q的检测是用被调
制到分别为M或Q之吸收带的光进行的，c)从Q状态到M状态的转变是通过用被调制到Q的吸收带和激发
波长的光的辐射引起的，使得Q转变到基态bR，之后新的光致循
环通过用被调制到bR的吸收带或激发波长的光的辐射启动，当很
大部分处于bR的分子已经到达M时辐射中断，M的检测是用被调
制到M之吸收带的光进行的，d)从M状态到Q状态的转变是通过I)用被调制到M的吸收带或
激发波长的光的辐射直到M状态的分子基本上已经转变到基态bR
和通过用被分别调制到bR和在光致循环中随M之后的O状态的吸
收带的或者基态bR和O状态激发波长的光的连续辐射引起的，辐
射继续直到很大部分处于bR的分子已经到达Q时为止，或者II)
通过用被分别调制到在光致循环中随M之后的O状态的吸收带或者
激发波长的光的辐射引起的，辐射继续直到处于M态的分子已经基
本上到达Q时为止，在任何情况下，检测是用被调制到Q之吸收带
的光进行的。
33.根据权利要求32的方法，特征在于检测是用足够低强度或足够短持续时间的光脉冲进行的，使得处于该状态的将被检测的分子基本上保持在该状态。
34.根据权利要求1或2的多稳态光学逻辑单元的使用，和在用于数据存储和处理的光学逻辑器件中根据权利要求21的多稳态光学逻辑单元之光学寻址的方法的使用。
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