DE1449809C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Einschreiben, Speichern und nichtlöschenden Auslesen von Informationen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschreiben, Speichern und nichtlöschenden Auslesen von Informationen mit Hilfe von Speicherelementen, deren optisches Drehungsvermögen zwei stabile Zustände entgegengesetzten Vorzeichens aufweist, welche beiden Zustände gewechselt werden können.

Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

In elektronischen Rechenanlagen werden gegenwärtig verschiedene Arten von Speicherelementen verwendet. Zum nichtlöschenden Lesen eignen sich dabei insbesondere Speicherelemente auf magnetischer Basis, wie beispielsweise Magnettrommeln oder Magnetbänder. Diese sind auch in ihren Herstellungskosten verhältnismäßig niedrig. Derartige Speicherelemente erfordern aber die Verwendung von sich mechanisch bewegenden Teilen und die aufzuwendende Zeit für das Einschreiben und Auslesen ist dabei verhältnismäßig lang. Auch werden solche Speicherelemente oft für eine indirekte Steuerung eines anderen physikalischen Vorganges verwendet.

Für derartige Verfahren sind in letzter Zelt verschiedene Verbesserungen vorgeschlagen worden. Aus der deutschen Auslegeschrift 1 131 268 ist zu entnehmen, daß Bariumtitanat als Speicherelement zur Einspeicherung von Informationen verwendet werden kann. Diese Zellen aus ferroelektrischem Material haben meist die Form einer Platte, an welcher ein Elektrodenpaar an beiden Seiten angeordnet ist. Die Speicherzustände (+P_s bzw. — P₈) an einem derartigen ferroelektrischen Element können durch Anlegen einer Spannung — E₀ oder +E₀ umgewechselt werden, mit der Möglichkeit, den Speicherzustand aus der Größe der induzierten Spannung bzw. des induzierten Stromes zu erkennen. Der wesentliche Nachteil dieses Argumentes liegt darin, daß beim Auslesevorgang der Speicherzustand gelöscht wird.

In der Zeitschrift »Electronics«, (September 1961, S. 36 bis 39) wird ausgeführt, daß ein nichtlöschendes Auslesen dadurch bewirkt werden kann, daß das optische Drehungsvermögen eines gyromagnetischen Speichers ausgenutzt wird. Das Auslesen erfolgt dabei derart, daß die Magnetschicht mit Licht bestrahlt und aus der Energie des reflektierten Lichtes auf den Speicherzustand geschlossen wird. Ein derartiges Verfahren dient lediglich dazu, eine bereits gespeicherte Information optisch auszulesen. Nachteilig ist dabei anzusehen, daß die festen Magnettrommeln bzw. Magnetscheiben des gleichen mechanischen Aufwandes bedürfen wie herkömmliche Magnetgeräte, daß für das Einlesen der Information das Speicherelement sich an einer anderen Stelle befindet als beim Auslesen und daß die einzelnen Speicherelemente nicht zu einer individuellen Gesamtanordnung zusammenstellbar sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes, äußerst rasch arbeitendes Verfahren zum Einschreiben, Speichern und nichtlöschenden Auslesen von Informationen zu schaffen, bei dem keine sich mechanisch verändernde Teile verwendet werden und das zum Steuern von physikalischen Vorgängen sowie zur Durchführung von logischen Operationen verwendet werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem Speicherelemente aus einem Material, dessen beide Zustände des optischen Drehungsvermögens elektrisch wechselbar sind, verwendet und die Informationen durch Anlegen elektrischer Spannungen an die Speicherelemente in diese eingeschrieben und durch Feststellung der Polarisationsrichtung von durch die Speicherelemente hindurchgegangenem polarisiertem Licht aus diesen ausgelesen werden.

Das zur Lösung der Erfindung verwendete Speicherelement ist ein sogenanntes »gyroelektrisches« Material, dessen optisches Drehungsvermögen auch bei Fehlen eines elektrischen Vorspannungsfeldes nicht Null wird, wobei die Zustände des optischen Drehungsvermögens durch Anlegen eines elektrischen Feldes im Vorzeichen umkehrbar sind. Gyroelektrika müssen daher Ferroelektrika sein.

Die Vorteile der Erfindung zeigen sich hauptsächlich in dem weiten Anwendungsfeld, in welchem das Verfahren, wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich, angewendet werden kann.

Auf der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt

Abb. 1 eine graphische Darstellung, welche die Hysteresekurve eines ferromagnetischen Materials zeigt,

Abb. 2 eine graphische Darstellung, welche die Hysteresekurve des optischen Drehungsvermögens mit Bezug auf das elektrische Feld eines gyroelektrischen Materials zeigt, das in dem Speicherelement verwendet wird,

^: Abb. 3 zwei graphische Darstellungen, welche die vorerwähnten zwei Zustände eines gyroelektrischen Materials zeigen,

Abb. 4 und 5 Ansichten im Aufriß und im Schnitt, welche Beispiele von Speichervorrichtungen zeigen, bei denen das Speicherelement verwendet ist,

Abb. 6 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Speichervorrichtung, bei welcher das Speicherelement verwendet ist,

Abb. 7, 8 und 9 Wellenformen, welche die Lichtmodulationseigenschaften mittels eines Lichtmodulators zeigt,

Abb. 10, 13 und 15 Ansichten im Aufriß und im Schnitt, welche verschiedene Beispiele einer Vorrichtung zur Durchführung logischer Operationen zeigt,

Abb. 11, 12, 14 und 16 graphische Darstellungen, aus denen sich das Prinzip bei der Durchführung von logischen Operationen unter Verwendung der in Abb. 10, 13 und 15 gezeigten Vorrichtung ergibt.

ίο Zum besseren Verständnis der Art und der Anwendbarkeit der Erfindung wird nachfolgend eine kurze Darstellung des Standes der Technik und der bisher aufgetretenen Schwierigkeiten gegeben.

Das Grundprinzip beim Einschreiben und Lesen durch ferromagnetische Mittel läßt sich in Verbindung mit den Hysteresekurven eines ferromagnetischen Materials beschreiben, die in Abb. 1 gezeigt sind, in welcher in der Abszisse die magnetische Feldstärke H und in der Ordinate die Stärke B der magnetischen Induktion aufgetragen ist. Wenn die Stärke des Magnetfeldes vom Zustand Null in der positiven Richtung zunimmt, schreitet die Magnetisierung längs der Linie Qa fort, bis bei einem bestimmten Wert von B₁ der magnetischen Induktion eine Sättigung eintritt.

as Wenn aus diesem Zustand die Stärke des Magnetfeldes verringert wird, kehrt die magnetische Induktion nicht auf Null zurück, sondern wird im 2?_X-Zustand (der nachfolgend beispielsweise als »O«-Zustand bezeichnet wird) gehalten, selbst wenn das Magnetfeld völlig weggenommen wird.

Wenn dann ein Magnetfeld an das ferromagnetische Material in der entgegengesetzten Richtung gelegt wird, findet die Magnetisierung längs einer Bahn, wie durch die Kurve bc angegeben, in der entgegengesetzten Richtung statt, bis ein Zustand B₂ von entgegengesetzter Sättigung erreicht wird (welcher Zustand nachfolgend beispielsweise als »1 «-Zustand bezeichnet wird). Wenn dann das Magnetfeld weggenommen wird, bleibt dieser Zustand B₂ aufrechterhalten. Der Umstand, daß zwei Werte B₁ und B₂ selbst ohne ein Magnetfeld bleiben, bedeutet, daß ein Informationsbit gespeichert werden kann.

Zum Lesern der auf diese Weise gespeicherten Information wird ein Magnetfeld angelegt, das der Linie Od entspricht, worauf sich in diesem Augenblick der »1 «-Zustand in den »O«-Zustand ändert, und durch die Veränderung von B in einem äußeren Stromkreis eine Ausgangsspannung erzeugt wird, die einer elektromotorischen Kraft dB/dt proportional ist.

Wenn der frühere Zustand der »O«-Zustand ist, wird keine elektromotorische Kraft erzeugt, so daß es möglich ist, festzustellen, ob der frühere Zustand ein »O«-Zustand oder ein »1 «-Zustand war. Da jedoch der Zustand in allen Fällen nach dem Lesen in den »O«-Zustand zurückkehrt, ist die Speicherung destruktiv.

Die Erfindung ist auf die Schaffung eines neuen Speicherelements gerichtet, bei welchem der vorangehend beschriebene Nachteil gewöhnlicher ferromagnetischer Speicherelemente beseitigt ist und welches durch die Verwendung der vorerwähnten Gyroelektrika gekennzeichnet ist.

Bekanntlich findet, wenn linear polarisiertes Licht durch eine Substanz, wie einen Quarz- oder ähnlichen Kristall, oder durch ein Gas, eine Flüssigkeit oder eine Lösung, wie Glukose, in einem magnetischen Feld hindurchtritt, eine Drehung der Polarisationsebene statt. Diese Eigenschaft solcher Substanzen wird als

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optische Aktivität bezeichnet. Außerdem werden isotrope Substanzen in einem statischen elektrischen Feld optisch anisotrop und, wenn Licht auf sie gerichtet wird, verursachen sie eine Doppelbrechung, weiche Erscheinung ebenfalls als der sogenannte Kerr-Effekt bekannt ist.

Die erfindungsgemäße Polarisationsdrehung weicht von der vorerwähnten insofern ab, als sie nur in bestimmten Arten von Kristallen auftritt und die Drehungskraft je nach dem elektrischen Feld umgekehrt wird.

Im Besonderen haben die erwähnten Arten von Kristallen Hysteresekurven wie in Abb. 2 gezeigt, in welcher in der Abszisse das angelegte elektrische Feld E aufgetragen ist und in der Ordinate das Drehungsvermögen G, wobei die Kurven beispielsweise angegeben sind. Die beiden Zustände, welche bei der Spannung Null eingenommen werden können, werden als »0«- und »1 «-Zustände bezeichnet. Es wird angenommen, daß der anfängliche Zustand der »O«-Zustand ist, wobei der Drehungswinkel zu ci.sem Zeitpunkt mit R₁ bezeichnet wird. Wenn dann eine Spannung (elektrisches Feld) in der Minusrichtung von der Spannung Null angelegt wird, erfährt der Drehungswinkel R bei ansteigender Spannung bis zu einem bestimmten Spannungswert (Oc) keine Veränderung. Oberhalb dieses kritischen Spannungswertes wird jedoch der Drehungswinkel Null und wird dann R₂, indem er sich in der entgegengesetzten Richtung dreht. Wenn dann die Spannung aus diesem Zustand abnimmt, kehrt der Drehungswinkel nicht auf Null zurück und wird der Zustand R₂ selbst dann aufrechterhalten, wenn die Spannung völlig weggenommen wird.

Ferner wird, wenn die Spannung in der entgegengesetzten Richtung angelegt wird und den Wert Oa erreicht, die Polarisationsebene gedreht, so daß sie zu dem ursprünglichen Drehungswinkel R₁ zurückkehrt, wcbei der Winkelzustand von R₁ auch dann aufrechterhalten wird, wenn die Spannung weggenommen wird.

Dies bedeutet, daß einer der beiden Werte R₁ oder R₂ selbst nach dem Wegnehmen der Spannung aufrechterhalten bleibt außerdem ur.d daß, wenn eine einen bestimmten Wert überschreitende Spannung angelegt wird, ein Wechsel der Zustände vom »O«-Zustand zum »!«-Zustand oder vcm »1 «-Zustand zum »O«-Zustand stattfindet. Dieses Merkmal der erwähnten Kristalle bedeutet, daß sie als Speicherelemente verwendet werden können und das Lesen dadurch geschehen kann, daß festgestellt wird, ob sich die Polarisationsebene im »O«-Zustand oder im »1«-Zustand befindet. In diesem Falle kann, da jeder der beiden Zustände beibehalten wird, das Lesen in nichtlöschender Weise durchgeführt werden.

Die vorangehend beschriebenen Zustände können in der in Abb. 3 gezeigten Weise graphisch dargestellt werden, in welcher V₁ die Schwingungsebene des einfallenden Lichtes (planpolarisiertes Licht) bezeichnet, während mit V₂ und V₃ die Schwingungsebenen des den Kristall verlassenden planpolarisierten Lichtes bezeichnet sind. Die Winkel, welche den beiden stabilen Zuständen »0«- und »1« des Drehungsvermögens der gyrcelektrischen Substanz entsprechen, d. h., die Winkel, welche durch die Schwingungsebene V₁ und die Schwingungsebenen V₂ und V₃ gebildet werden, sind gleich und ihre absoluten Werte sind der Dicke des Kristalls proportional.

Wenn nun angenommen wird, daß V₁ und V₂ dem Zustand »0« bzw. »1« entsprechen, werden V₁ und V₂ in entgegengesetzter Richtung durch entgegengesetzte Polarität gedreht. Ein Gyroelektrikum ist hier als eine Substanz mit den vorangehend beschriebenen Eigenschaften definiert.

Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß durch das Speicherelement neuartige Speichervorrichtungen geschaffen werden können, bei welchen die gespeicherte

ίο Information in nichtlöschender Weise gelesen werden kann.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird diese nachfolgend an Hand bevorzugter Ausführungsformen näher beschrieben.

Jede der in Abb. 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen einer Speichervorrichtung besitzt in gleichachsiger Anordnung ein Speicherelement 1 aus einer gyroelektrischen Substanz, das mit Elektroden 2 und 3 zum Anlegen einer Spannung versehen ist, eine Lichtquelle 5, einen Polarisator 6 zum Polarisieren des von der Lichtquelle 5 auf seiner Bahn zum Speicherelement 1 einfallenden Lichtes, einen Analysator 7 und einen Detektor 8. Ferner ist eine Eingabevorrichtung 4 zur Belieferung der Elektroden 2 und 3 des Speicherelements I vorgesehen.

Wenn eine Spannung, die höher als ein bestimmter Wert ist, durch die Eingabevorrichtung 4 an die Elektroden 2 und 3 gelegt wird, wird in dem Speicherelement 1 je nach der Polarität der Spannung der »0«-Zustand oder der »1 «-Zustand gespeichert und damit ein Schreibvorgang durchgeführt.

Das Lesen der gespeicherten Information geschieht dadurch, daß mittels des Polarisators 6 das Licht α von der Lichtquelle 5 polarisiert wird, um ein linear polarisiertes Licht b zu erhalten, welches dann in das Speicherelement 1 eintritt, während das das Speicherelement 1 verlassende Licht c dem Analysator 7 zugeführt wird, der so angelegt ist, daß er nur Licht d mit einem Drehungswinkel hindurchtreten läßt, der e.itweder dem »0«-Zustand oder dem »1 «-Zustand entspricht, und das Licht d durch den Detektor 8 nachgewiesen wird, durch welchen der »0«-Zustand oder der »1 «-Zustand als Lichtdurchtritt oder Lichtlöschung abgelesen wird.

Die Elektroden 2 und 3 für das Anlegen einer Spannung an das Kristallspeicherelement können in der in Abb. 5 gezeigten Weise angeordnet sein, in welchem Falle transparente Elektroden verwendet werden. Für das Speicherelement 1 wird Triglycinsulfat

[(CH₂NH₂COOH)₃H₂SO₄],

Natriumnitrat (NaNO₂), Lithiumtrihydrogenselenin

[LiH₈(SeO₈)J,

oder eine ähnliche gyroelektrische Substanz, verwendet. Im allgemeinen ist der Kristall des Speicherelements in den meisten Fällen so orientiert, daß seine optische Achse mit der Bahn des Lichtes zusammenfällt. Die Größe der angelegten Spannung, welche für den Zustandsübergang erforderlich ist, beträgt einige Kilovolt je cm.

Für den Fachmann ist es ohne weiteres erkennbar, daß es durch die Anordnung einer Vielzahl von Speicherelementen in Matrixform in der in Abb. 6 gezeigten Weise möglich ist, Wirkungen zu erzielen, die denjenigen der bisher bekannten Magnetkern-Speichermatrizen ähnlich sind. Bei dem in Abb. 6

7 8

gezeigten Beispiel ist die Matrix aus gyroelektrischen und einen Aufbau ermöglicht, die den in Abb. 4 und 5 Speicherelementen 11, 12, 13 usw. und 21, 31, usw. gezeigten ähnlich sind. Im Besonderen wird der zusammengesetzt und sind Leiter 2, 2', 2" usw. und Schaltereingang in Form einer Spannung an den Elek-3, 3', 3" usw. für das Anlegen einer Spannung vorge- troden 2 und 3 zugeführt, wobei der Analysator 7 sehen, wobei die Elektroden, mit denen diese Leiter 5 dazu dient, nur linear polarisiertes Licht im Nullverbunden sind, transparente Elektroden sind, wie in zustand oder im »1 «-Zustand durchzulassen. Da die Abb. 5 gezeigt. . Polarisationsebene des Lichtes von der Lichtquelle 5

Wie vorangehend beschrieben, ist das Speicherele- sich entsprechend der Polarität der an die Elektroden 2

ment von einem neuartigen Typ, bei welchem die und 3 angelegten Spannung bei Spannungsanwendung

Information elektrisch (dielektrisch) eingeschrieben io dreht, wird das den Analysator 7 erreichende Licht c

und mittels Licht (durchgelassenes Licht) gelesen entweder durchgelassen oder gelöscht, wodurch eine

wird. Die für das Einschreiben und Lesen erforder- Schaltwirkung erzielt werden kann,

liehe Zeit ist daher außerordentlich kurz, und insbe- Dies bedeutet, daß der Lichtschalter, in welchem das

sondere ist die Lesezeit nahezu Null. Das Speicher- Speicherelement verwendet wird, ein Lichtschalter

element hat den weiteren Vorteil, daß es keine 15 neuer Art ist, der elektrisch arbeitet und keine sich

mechanisch arbeitenden Teile aufweist, jedoch ein bewegende mechanische Teile hat. Dieser Licht-

nichtlöschendes Lesen ermöglicht, welcher Vorteil bei schalter verursacht daher kein Geräusch und hat eine

den herkömmlichen ferromagnetischen und ferro- lange Lebensdauer und seine Geschwindigkeit beim

elektrischen Materialien bisher nicht erzielt werden Schalten vom Sperrzustand zum Durchlaßzustand oder

konnte. Es wurde festgestellt, daß das Speicherelement 20 vom Durchlaßzustand zum Sperrzustand ist außer-

mit hoher Wirksamkeit in elektronischen Rechen- ordentlich hoch und beträgt etwa 10~^e Sekunden,

anlagen, besonders solchen, bei welchen Licht ver- Wenn dieser Lichtschalter als Verschluß verwendet

wendet wird, benutzt werden kann. wird, um einen Augenblicksdurchtritt von Licht zu

Beispielsweise ist die Schaffung eines neuartigen ermöglichen, ist er in seiner Betriebsgeschwindigkeit

Haltelichtschalters durch die Ausnutzung der Spei- 25 dem herkömmlichen Verschluß unterlegen, bei welchem

cherungseigenschaften des Speicherelements vorge- die Veränderung der Brechung in einem elektrischen

sehen, welcher Lichtschalter elektrisch ohne mecha- Feld verwendet wird. Da jedoch die Veränderung des

nisch arbeitende Teile arbeitet. Lichtdrehungswinkels bei dem Lichtschalter groß ist,

Wegen seiner hohen Geschwindigkeit wird Licht als hat dieser den Vorteil eines guten Kontrastes

Mittel zur Informationsübertragung und in vielen 30 zwischen hell und dunkel. Der Lichtschalter ist daher

anderen Anwendungsfällen in optischen Instrumenten zur Verwendung als Schalter oder Verschluß von

verwendet, während seine Verwendung in Licht- optischen Instrumenten und Einrichtungen sowie für

rechenanlagen Gegenstand ausgedehnter Forschungs- Lichtrechenanlagen geeignet.

arbeiten ist. Da jedoch Licht nicht durch elektro- Als weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung läßt magnetische Felder beeinflußt wird, war es bisher 35 sich die in Abb. 4 und 5 dargestellte Anordnung und nicht möglich, einen rasch ansprechenden Licht- Ausbildung der Teile auch als Lichtmodulator verschalter zu schaffen und konnten für Schaltzwecke wenden.

im allgemeinen nur mechanische Verfahren oder Als Trägerelement zur Weitergabe von Signalen an indirekte Verfahren angewendet werden. entfernte Stellen haben bisher Radiowellen weit-Unter den bekannten Vorrichtungen, welche als mit 40 gehend Anwendung gefunden. In den vergangenen hoher Geschwindigkeit arbeitende Schalter verwendet Jahren wurden Verfahren und Mittel zur Übertragung werden können, ist eine Vorrichtung bekanntge- von Signalen in Lichtstrahlen zur sogenannten worden, bei welcher die Veränderung der Brechung »Lichtkommunikation« erprobt. Licht hat ein schareines Kristalls in einem elektrischen Feld ausgenutzt fes Richtvermögen, und da es leicht durch die die wird. Eine solche Vorrichtung wird in manchen Fällen 45 Erde umgebende Ionosphäre hindurchtritt, ist es beals mit hoher Geschwindigkeit arbeitender Verschluß sonders vorteilhaft als Mittel zur Nachrichtenververwendet, jedoch liefert sie keinen deutlichen Kon- bindung im Raum.

trast zwischen hell und dunkel und erfordert außerdem Durch die Verwendung einer gyroelektrischen

daß während ihres ganzen Betriebs ständig eine Substanz kann ein Element geschaffen werden, durch

Spannung angelegt ist. 50 welches ein elektrisches Impulssignal in einen Dre-

Es gibt auch bestimmte Substanzen mit Möglich- hungswinkel der Polarisationsebene von planpolari-

keiten zur Verwendung als Lichtschalter wegen ihrer siertem Licht umgewandelt werden kann.

Eigenschaften, beispielsweise optische Aktivität und Die Ausnutzung des sogenannten »elektrooptischen

Kerr-Effekt. Diese Substanzen haben jedoch noch Effekts« zur Impulsmodulation von Licht ist an sich

nicht die Entwicklungsstufe erreicht, bei welcher zu- 55 bekannt. Bei diesem Verfahren ist eine hohe Spannung

friedenstellende Ergebnisse erzielbar sind, da in jedem erforderlich, um eine große Modulationsgröße zu

Falle die Veränderung des Lichtdrehungswinkels erzielen. Bei der Verwendung von Gyroelektrika ist

klein ist und es schwierig ist, eine konstante Winkel- es möglich, eine volle Modulation (d. h. eine solche

veränderung aufrechtzuerhalten, sofern nicht ständig Impulsmodulation, daß die Polarisationsebenen zwi-

eine Spannung angelegt wird. 60 sehen sich 90° einschließen) mit einer verhältnismäßig

Im Gegensatz dazu ist es im Falle des Speicher- niedrigen Spannung zu erhalten, wie nachfolgend für

elements möglich, die Drehung der Polarisationsebene die Arbeitsweise eines Lichtmodulators näher be-

durch eine Spannung zu bewirken und außerdem die schrieben wird.

Polarisationsebene auch dann zu halten, wenn die In die Eingangsschaltung 4 eines Lichtmodulators

Signalspannung weggenommen worden ist, so daß es 65 wird ein Eingangssignal von einer in Abb. 7 oder

möglich ist, die Schaltwirkung durch Impulsaktivie- Abb. 8 gezeigten Form eingegeben. In Abb. 7 und 8

rung herbeizuführen. stellt die Abszisse die Zeit dar und die Ordinate die

Ein solcher Lichtschalter wird durch eine Anordnung Spannung. Wenn eine Spannung dieser Form mit

Plus-Minus-Veränderung der Spannung der Eingangsstufe 4 zugeführt wird, hat das den gyroelektrischen Kristall 1 verlassende planpolarisierte Licht eine Form des Drehungszustandes, wie in Abb. 9 gezeigt, welcher entsprechend dem Eingangssignal, wie in A b b. 7 oder 8 gezeigt, wechselt. In Abb. 9 stellt die Abszisse die Zeit dar, während die Ordinate den Drehungswinkel der Polarisationsebene darstellt. In diesem Falle ist es, da der Winkel zwischen den beiden Polarisationsebenen leicht auf 90° gebracht werden kann, möglich, eine volle Modulation mit einer verhältnismäßig niedrigen Spannung zu erreichen.

Zur Schaffung einer neuartigen Vorrichtung zur Durchführung von logischen Operationen kann das Speicherelement in der nachstehend näher beschriebenen Weise benutzt werden.

Der Aufbau dieser Vorrichtung zur Durchführung logischer Operationen geschieht durch Einstellen der Drehungswinkel der Polarisationsebenen des in eine gyroelektrische Substanz eintretenden planpolarisierten Lichtes und des planpolarisierten Lichtes, das durch die erwähnte Substanz hindurchgetreten ist, d. h. durch Einstellen dieser Drehungswinkel beispielsweise auf 45° oder 30° und durch die Verwendung der gyroelektrischen Substanz entweder einzeln oder in Kombination mit einer Vielzahl. Eine so gebaute Vorrichtung hat eine einfache Anordnung und Zusammensetzung, ist leicht manipulierbar und kann logische Variable elektrisch (dielektrisch) aufnehmen und logische Funktionen durch Licht (durchgelassenes Licht) erzeugen.

Der Ausdruck »logische Manipulation« wird hier zur Kennzeichnung der Operation verwendet, durch welche in mathematischen Gliedern der Wert von Y bestimmt wird, wenn eine Funktion Y—f (JSf₁, X₂,... Xn) von η logischen Variablen X₁, X₂, ... X_n definiert wird und JSf₁, X₂, ... X_n gegeben sind. Die Bezeichnung »logische Variable« wird hier verwendet, um eine Variable zu kennzeichnen, welche nur die beiden Werte 0 und 1 annehmen kann und in ähnlicher Weise Y, welches ebenfalls eine logische Variable ist, nur die beiden Werte 0 und 1 annimmt. Eine solche Funktion /(JSf₁, X₂,... X_n) wird hier als logische Funktion bezeichnet.

Vorrichtungen ähnlicher Art zur Durchführung Iogischer Operationen zusammen mit Speichervorrichtungen bilden die wesentlichen Teile von Rechenanlagen und anderen ähnlichen Vorrichtungen und in den neueren elektronischen Rechenanlagen werden elektronische Vorrichtungen, wie Zweielektroden- und Mehrelektrodenvakuumröhren, Halbleitergleichrichter, Transistoren, Spulen mit ferromagnetische!! Materialien, wie Magnetkerne, und ferroelektrische Kondensatoren, als Elemente für logische Operationen verwendet.

Unter den vorliegenden Umständen, bei welchen eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit gewünscht ist, bestehen für die Verfahren, bei welchen diese elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, Beschränkungen infolge der Art dieser Vorrichtungen. Aus diesem Grunde werden Untersuchungen über die Verwendung von Licht zur logischen Manipulation durchgeführt, jedoch haben die Ergebnisse bisher nicht zur praktischen Anwendung geführt.

Zur Durchführung der logischen Operation

X	0	1	0	1
Y	0	0	1	1
Z	1	0	0	1

Z=Z(A-, Y)

in einer Vorrichtung zur Durchführung logischer Operationen, bei welcher das Speicherelement verwendet wird, werden die logischen Variablen X und Y als Spannungen eingegeben und wird die logische Funktion Z als Drehung der Schwingungsebene von planpolarisiertem Licht extrahiert.

Bei einem Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung logischer Operationen, bei welcher Speicherelemente verwendet werden, wie in Fig. 10 gezeigt, sind in gleichachsiger Anordnung vorgesehen ein Polarisator 14, gyroelektrische Kristalle 11 und 12, Elektrodenpaare 111, 112 und 121, 122 zur Eingabe der logischen Variablen X und Y, und ein Analysator 15 zur Bestimmung der logischen Funktion Z.

Die vorangehend beschriebene Vorrichtung kann zur Durchführung der folgenden logischen Operation verwendet werden.

Für diesen Zweck ist es durch Einstellen der gyroelektrischen Kristalle 11 und 12 in der Weise, daß die Schwingungsebenen des einfallenden planpolarisierten Lichtes jeweils um 45° gedreht werden, so daß die logischen Variablen JSf und Y den Wert 0 haben, wenn die an die .Elektroden 111, 112 und 121 angelegte Spannung positiv ist, und den Wert 1 haben, wenn die Spannung negativ ist, und durch Anlegen einer Spannung von einer Polarität, die den Werten der logischen Variablen JSf und Y entspricht, möglich, die logische Funktion Z durch die Drehung der Polarisationsebene zu bestimmen.

Das Prinzip der vorangehend beschriebenen Operation kann in Verbindung mit Abb. II beschrieben werden, in welcher Schwingungsebenen, welche miteinander Winkel von 45° bilden, durch diametrale Linien HH', KK', LL' und MM' dargestellt sind. Wenn das planpolarisierte Licht, dessen Schwingungsebene durch den Polarisator 14 auf HH' gebracht worden ist, in die gyroelektrischen Substanzen eintritt, wird eine positive Spannung an die gyroelektrischen Substanzen 11 und 12 in dem Falle gelegt, wenn X = 0 und Y=O ist.

Infolgedessen wird die Schwingungsebene durch die gyroelektrische Substanz 11 um 45° gedreht, so daß sie KK wird, und dann durch die gyroelektrische Substanz 12 um weitere 45° gedreht, so daß sie MM' wird.

Im Falle von X = 1 und F=O oder im Falle von X=O und Y = 1 heben die Drehungen durch die gyroelektrischen Substanzen 11 und 12 einander auf und wird die Schwingungsebene des ausgehenden planpolarisierten Lichtes HH'.

Wenn JSf = 1 und Y=I, sind die Drehungen in der entgegengesetzten Richtung zu der im Falle von JSf = 0 und wird die Schwingungsebene MM'. Dies bedeutet, daß, wenn die logische Funktion Z gleich 1 wird, die Schwingungsebene MM' wird, während, wenn die logische Funktion Z gleich 0 wird, die Schwingungsebene HH'. Da diese Schwingungsebenen zueinander senkrecht sind, ist es durch Einstellen der Ebene der Lichtschwingung des Analysators in der Weise, daß sie beispielsweise MM' wird, möglich, das ausgehende polarisierte Licht MM' voll hindurchgehen zu lassen und das ausgehende polarisierte Licht HH' zu sperren. Dies bedeutet, daß, wenn Licht hindurchtritt, die logische Funktion Z sich darstellt als Z=I, während, wenn das Licht abgesperrt wird, die logische Funktion Z sich als Z = O darstellt.

X	0	1	0	1
Y	0	0	1	1
Z	0	1	1	1

Nachfolgend ist eine weitere durchführbare logische Operation dargestellt:

(2)

In diesem Falle ist es, wenn die Vorrichtung so eingestellt wird, daß die Schwingungsebenen des polarisierten Lichtes durch die gyroelektrischen Kristalle 11 und 12 um 30° gedreht werden, möglich, die logische Funktion Z durch die Drehung der Polarisationsebene in ähnlicher Weise wie bei dem vorangehend beschriebenen Beispiel zu bestimmen.

Das Prinzip der vorangehend beschriebenen Operation ergibt sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit Abb. 12, bei welcher in Abb. 12a Schwingungsebenen HH', KK!, LL', MM', NN' und PP' gezeigt sind, welche miteinander Winkel von 30° bilden. Wenn ein einfallendes Licht, das durch den Polarisator 14 wie bei dem vorangehend beschriebenen Beispiel planpolarisiert worden ist und eine Schwingungsebene HH' hat, durch die gyroelektrischen Substanzen gerichtet wird, wird die Schwingungsebene nach LL' gedreht, wenn X = 0 und 7=0. Wenn X = 1 und Y=O und wenn X=O und Y=I, hat das ausgehende Licht eine Schwingungsebene im Zustand HH'. Wenn X = 1 und Y = 1, dreht sich die Schwingungsebene nach NN'. Daher wird durch die Einstellung der Lichtschwingungsebene des Analysators 15 in der Weise, daß sie MM' wird, das ausgehende polarisierte Licht LL' völlig gesperrt, während das ausgehende polarisierte Licht HH' und NN' mit gleicher Stärke hindurchgeht.

In diesem Falle ist es, wenn die Lichtschwingungsebene des Analysators 15 auf KK' eingestellt wird, mit Hilfe dieser Vorrichtung zur Durchführung logischer Operationen auch möglich, die logische Operation durchzuführen, die durch das folgende Verhältnis dargestellt ist, wie in Abb. 12b gezeigt.

ebene nach KK' gedreht, im Falle C = 1, X = 0 und Y= 1 oder C=I, X= 1 und Y=Q nach MM' gedreht, während sie im Falle C=I, X= 1 und Y = 1 nach PP' gedreht wird.

Daher führt durch die Einstellung der Lichtschwingungsebene das Analysators 15 auf HH' die Gesamtvorrichtung die obige Operation (2) durch, wenn C = O, während sie die obige Operation (3) durchführt, wenn C=I. Dies bedeutet, daß das Schalten zwischen den logischen Operationen (2) und (3) dadurch durchgeführt werden kann, daß die Polarität der an die gyroelektrische Substanz 13 angelegten Spannung geändert wird.

Eine logische »NEIN«-Operation von der nachstehend dargestellten Form kann wie in Abb. 15 und 16 angegeben, durchgeführt werden.

0 1

1 0

X	0	1	0	1
Y	0	0	1	1
Z	1	1	1	0

40

(3)

Daher ist es lediglich dadurch, daß die Lichtschwingungsebene des Analysators auf diese Weise um 60° gedreht wird, möglich, je nach Wunsch eine der beiden Operationen (2) und (3) durchzuführen.

Eine Drehung des Analysators erfordert jedoch eine mechanische Manipulation. Aus diesem Grunde wird, um eine nichtmechanische Wirkung zu erzielen, die der erforderlichen Manipulation entspricht, ein weiterer gyroelektrischer Kristall 13 verwendet und in der in Abb. 13 dargestellten Weise angeordnet, so daß die Drehung elektronisch erfolgen kann. In diesem Falle wird der Drehungswinkel der gyroelektrischen Substanz 13 auf 30° eingestellt.

Durch diese Anordnung wird die Schwingungsebene HH' des einfallenden polarisierten Lichtes um 30° stufenweise durch die gyroelektrischen Kristalle 11, 12 und 13 im Falle von C = 0, X = 0 und Y=Q gedreht, wie in Abb. 14a ersichtlich, und wird das Licht schließlich mit einer Schwingungsebene PP' abgestrahlt. Im Falle von C = O, X=I, 7=0 oder im Falle C = O, Z=O und Y = 1 wird das Licht mit einer Schwingungsebene KK' ausgestrahlt, während im Falle C = 0, X = 1 und Y = 1 das Licht mit einer Schwingungsebene MM' ausgestrahlt wird. Ferner wird im Falle C = 1, X= 0 und F=O die Schwingungs-Für diese Operation wird ein einziger gyroelektrischer Kristall 11 verwendet, der eine 45°-Drehung der Polarisationsebene verursachen kann. In diesem Falle wird, wie in Abb. 16 angegeben, die Schwingungsebene HH' des einfallenden polarisierten Lichtes nach KK' gedreht, wenn X = 0 und nach LL', wenn X=I. Daher tritt durch die Einstellung der Lichtschwingungsebene des Analysators 15 nach KK' das ausgehende polarisierte Licht KK' völlig hindurch, während das ausgehende polarisierte Licht LL' völlig gesperrt wird, wodurch die logische Operation Z bestimmt werden kann.

Durch Kombinieren der vorangehend beschriebenen Grundoperationen ist es möglich, eine logische Manipulation durchzuführen.

Aus der vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß es mit Hilfe der Erfindung möglich ist, logische Variable durch Impulse zuzuführen, um logische Funktionen durch Licht zu bestimmen und ohne die Verwendung mechanischer Teile als Bauelemente der Vorrichtung verschiedene logische Operationen durch Kombinieren gyroelektrischer Kristalle durchzuführen. Die Erfindung hat den weiteren Vorteil hoher Geschwindigkeit bei der Durchführung von Operationen, so daß sie vorteilhaft für elektronische Rechenanlagen angewendet werden kann, insbesondere für Rechenanlagen, bei denen Licht verwendet wird.

In Verbindung mit dem vorangehenden wurde in der Zeitschrift »Review of Modern Physics«, Nr. 34, 1962, S. 567 bis 574, die Möglichkeit dargelegt, reguläre Ferroelektrika in 19 Spezies entsprechend den Typen der Punktgruppe, des Bravaisschen Gitters und des ferroelektrischen Zustandsübergangs (Polarisationsumkehrung) zu klassifizieren. Als Ergebnis der Tensoranalyse wurde festgestellt, daß von diesem diejenigen, welche gyroelektrische Kristalle werden können und als Merkmal die Fähigkeit haben, das Vorzeichen des Drehungsvermögens oder Gyrationstensors (axialer Tensor der zweiten Stufe) je nach dem elektrischen Feld umzukehren, auf solche beschränkt sind, welche zu den neun Spezies 1, m, 2, mml, 4-1, 6-1, 3-TR-l, 3-HP-l und 3-ÄP-II gehören. Hier zeigen I und II die Unterscheidung zwischen denjenigen an, welche mehr als eine Spezies haben, selbst in dem Falle derjenigen, welche zu der gleichen Punktgruppe gehören, je nach der Punktgruppe, dem Gitter und dem Zustandsübergangstyp, 4-1 und 6-1 zeigen je eine Spezies von zwei Spezies an, 3-TR-l zeigt

eine Spezies von zwei Spezies an, 3-HP-l und 3-HP-ll zeigen zwei Spezies von vier Spezies an, uns TR bzw. HP bezeichnen ein dreieckiges R-Gittcr bzw. ein sechseckiges /"-Gitter.

Das vorerwähnte Triglycinsulfat gehört zur Spezie 2, das Natriumnitrit zur Spezie mm 2 und das Lithiumtrihydrogenselenit zur Spezies m. Hierbei ist zu erwähnen, daß eine Möglichkeit der Verwendung einiger irregulärer Ferroelektrika als gyroelektrische Substanzen besieht. Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung einiger weniger Ausführungsformen der Erfindung ergibt, hat das Speicherelement zwei stabile Zustände von entgegengesetztem Vorzeichen des Drehungsvermögens einer gyroelektrischen Substanz beim Fehlen eines elektrischen Feldes und kann dazu verwendet werden, den Wechsel dieser Zustände infolge eines elektrischen Feldes auszuwerten. Das Speicherelement hat daher den Vorteil eines nichtlöschenden Einschreibens und Ablesens.

Ferner ist, da das Speicherelement einen elektrischen Eingang in Lichteigenschaften umwandeln und den Drehungswinkel nach Belieben durch die Wahl der Spezies des gyroelektrischen Kristalls und seiner Dicke verändern kann, seine Ansprechzeit kurz. Das Speicherelement kann daher wirksam zum Bau von Speichervorrichtungen, Lichtschaltern, Lichtmodulatoren, Vorrichtungen zur Durchführung logischer Operationen und ähnlichen Vorrichtungen ohne die

ίο Verwendung mechanisch arbeitender Teile benutzt werden. Die Erfindung dürfte in den Fällen besonders hervortreten, in weichen sie auf Vorrichtungen und Systeme, wie elektronische Rechenanlagen, Lichtrechenanlagen und Nachrichtensysteme und -Einrichtungen angewendet wird.

Die Erfindung ist nicht auf die wenigen beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderunsen erfahren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Einschreiben, Speichern und nichtlöschenden Auslesen von Informationen mit Hilfe von Speicherelementen, deren optisches Drehungsvermögen zwei stabile Zustände entgegengesetzten Vorzeichens aufweist, welche beiden Zustände gewechselt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß Speicherelemente aus einem Material, dessen beide Zustände des optischen Drehungsvermögens elektrisch wechselbar sind, verwendet und die Informationen durch Anlegen elektrischer Spannungen an die Speicherelemente in diese eingeschrieben und durch Feststellung der Polarisationsrichtung von durch die Speicherelemente hindurchgegangenem polarisiertem Licht aus diesen ausgelesen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch ein Speicherelement und einen nachgeschalteten zweiten Polarisator laufende polarisierte Licht als steuerbare Lichtquelle verwendet wird, die durch Anlegen entsprechender elektrischer Spannungen an das Speicherelement geschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Speicherelement und den nachgeschalteten zweiten Polarisator laufende polarisierte Licht zu Rechtecksimpulsen entsprechend der Spannungsveränderungen am Speicherelement moduliert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zustände des optischen Drehvermögens des Speicherelementes als Information über die logischen Zustände »Null« und »1« verwendet werden, wobei der jeweilige Zustand durch Bestimmung der Polarisationsrichtung des durch das Speicherelement laufenden Lichts erkannt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand eines Speicherelementes mit einem optischen Drehwinkel von 45° mittels eines polarisierten Lichtes ausgelesen wird, das zur Zustandsbestimmung von einem Analysator aufgenommen wird, dessen Lichtschwingungsebene mit der Polarisationsebene des auf das Speicherelement einfallenden Lichts 45° bildet.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch; gekennzeichnet, daß die Zustände zweier hintereinander angeordneter Speicherelemente mit einem optischen Drehwinkel von jeweils 45° mittels eines polarisierten Lichts ausgelesen wird, das zur Bestimmung der Zustandsverknüpfung von einem Analysator aufgenommen wird, dessen Lichtschwingungsebene mit der Polarisationsebene des auf das erste Speicherelement einfallenden Lichts 90° bildet.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustände zweier hintereinander angeordneter Speicherelemente mit einem optischen Drehwinkel von jeweils 30° mittels eines polarisierten Lichts ausgelesen wird, das zur Bestimmung der Zustandsverknüpfung von einem Analysator aufgenommen wird, dessen Lichtschwingungsebene mit der Polarisationsebene des auf das erste Speicherelement einfallenden Lichts 30° bildet.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustände dreier hintereinander angeordneter Speicherelemente mit einem optischen Drehwinkel von jeweils 30° mittels eines polarisierten Lichtes ausgelesen werden, daß die Lichtschwingungsebene des Analysators mit der Polarisationsebene des auf das erste Speicherelement einfallenden Lichts in einer Ebene liegt und daß einem der drei Speicherelemente zur Wahl zwischen zwei logischen Verknüpfungsarten der verbleibenden zwei Speicherelemente ein Zustand vorgegeben wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (5), einen Polarisator (6), zumindest ein Speicherelement (1) mit Elektroden (2, 3), die mit einer Eingabevorrichtung (4) verbunden sind, einen Analysator (7) und einen Detektor (8), wobei diese Elemente auf einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurcji gekennzeichnet, daß zwei oder drei Speicherelemente (11,12; 11,12,13) hintereinander auf der optischen Achse vorgesehen sind und daß die Lichtschwingungsebene des Analysators (7) drehbar um die optische Achse einstellbar angeordnet ist.