DE1937842A1 - Bistabiler optischer Schalter - Google Patents

Bistabiler optischer Schalter

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DE1937842A1 DE19691937842 DE1937842A DE1937842A1 DE 1937842 A1 DE1937842 A1 DE 1937842A1 DE 19691937842 DE19691937842 DE 19691937842 DE 1937842 A DE1937842 A DE 1937842A DE 1937842 A1 DE1937842 A1 DE 1937842A1
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Description

Bistabiler optischer Schalter
Die Erfindung betrifft einen bistabilen optischen Schalter, der in besonders vorteilhafter Weise als Speicherelement in optisch auslesbaren Speichern verwendbar ist, und einen mit derartigen Schaltern aufgebauten optischen Speieher.
In der Technik der Datenverarbeitung werden neuerdings immer mehr optische Speicher verwendet oder vorgeschlagen, da sie wegen ihrer außerordentlich hohen Speicherdichte und ihren zumindest theoretisch extrem
kurzen Zugriffszeiten zahlreiche Vorteile aufweisen, die mit den bekannten elektrischen.,oder magnetischen
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Speichern nicht verwirklicht werden können. Die bisher bekannt gewordenen oder yorgeschlagensn optischen Speicher waren fast durchwegs Festwertspeicher, da es mit den zur Vsrfügung/tehenden Substanzen und Verfahren nicht möglich war, mit der erforderlichen Dichte gespeicherte Informationen bei erträglichem technischem Aufwand mit hoher Geschwindigkeit und Sicherheit einzulesen.
Das Speichern von Informationen auf einer magnetisierbaren Fläche durch Änderung der Magnetisierungsrichtung einzelner Bereiche ist zwar grundsätzlich möglich, das optische Auslesen der so gespeicherten Informationen konnte aber bisher nicht befriedigend gelöst werden, da beispielsweise die durch die zur Verfügung stehenden schwachen magnetischen Felder erreichbare Drehung der Polarisationsebene eines zum Auslesen verwendeten Strahles zur fehlerfreien Wiedergabe des SpeiciK*inhaltes nicht in allen Fällen ausreichend war. Die Speicherung von Informationen durch reversible Veränderung von Remanenzzuständen elektrooptischer Kristalle wäre mit den bekannten Substanzen und Verfahren zwar theoretisch möglich gewesen, konnte aber wegen der schwerwiegenden Mangel dieser Substanzen und Verfahren nicht verwirklicht werden. Als besonders· nachteilig hat sich dabei die Tatsache erwiesen, daß die Remanenzeigenschaften bei den bisher
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bekannten elektrooptischen Substanzen erst bei sehr tiefen Temperaturen - bei KDP-Kristallen bei etwa -60° C bis - 150° C - auftreten, und daß bei den bisher bekannten Verfahren Spannungen in der Größenordnung von 5000 Volt erforderlich waren, um die für eine einwandfreie JA-NEIN-Aussage erforderliche Drehung der Polarisationsebene des abtastenden Strahls um 90° zu erreichen.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren anzugeben, das unter Verwendung einer bisher im Zusammenhang mit der Speicherung von optisch auslesbaren Informationen nicht bekannt gewordenen Substanz das
Speichern und Auglesen von durch reversible Veränderbare Remanenzzustände eIektrooptischer Substanzen gespeicherter Informationen bei Raumtemperatur oder annähernd bei Raumtemperatur und mit wesentlich η je drlgeren. Steuerspannungen
ermöglicht. l
Biese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen optischen Schalter gelöst, der gekennzeichnet ist durch einen mit In Richtung des zu beeinflußenden Strahles an gegenüberliegenden Flächen angeordneten durchsichtigen Elektroden versehenen Gd2 (MoO^),-Kristall, in dem ein linear polarisierter Strahl, in Abhängigkeit von dem jeweils durch kurzzeitiges Anlegen eines elektrischen Feldes bestimmter Richtung erzeugten Remanenszustand, durch positive oder negative Phasenverschiebung des ordentlichen gegenüber dem außerordentlichen
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BAOÖFUÖINAL
Strahl entweder rechtszirkular oder linkszirkular polarisiert wird, durch ein diesem nachgeschaltetest /4-Plättchen, in dem die im Kristall erzeugte Phasenverschiebung je nach ihrer j Richtung entweder rückgängig gemacht oder verdoppelt wird, so daß der austretende Strahl in Richtung der Polarisationsebene des der Anordnung zugeführten Strahles oder senkrecht dazu linear polarisiert wird, durch einen in Richtung der zu beeinflußenden Strahlung dahinter angeordneten Analysator und durch einen diesem nachgeschalteten, zur Anzeige des Jeweiligen Polarisationszustandes des Od2(MoO^),-Kristails dienenden Lichtdetektor.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungegedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Steuerelektroden als Spiegel ausgebildet ist·
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausbildungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß das den Jeweils gewünschten Remanenzzustand erzeugende Feld durch Aufbringen von Ladungen, vorzugsweise mittels eines steuerbaren Elektronenstrahls, erzeugt wird·
Ein aus bistabilen optischen Schaltern gemäß der Erfindung bestehender Speicher ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl von in Spalten und Zellen angeordneten Gd2(MoOh)-^Kristallen, durch an der einen Seite dieser Kristalle in Zeilen- und an
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(ley gegenüberliegenden Seite in Spaltcnrichtun& angeordnete streifenförmige durchsichtige Steuerelektroden.
Die oben beschriebene Anordnung kann in besonders vorteilhafter V«'eis^uSÖr räumlichen Modulation eines Lichtstrahls verwendet werden.
Eine weitere besonders vorteilhafte Fortbildung des Erfindungsgedankens ist gekennzeichnet durch eine erste EIektronenstrahlanordnung zur Aufbringung der die jeweils gewünschten Kristalle beeinflußenden Ladungen, einen Strahlenteiler zur Ablenkung der das Auslesen bewirkenden Strahlen zu den elektrooptischen Kristallen, von woosie reflektiert und nach Durchtritt durch den StrahlenteHer; eine ^ /4-Platte und einen Analysator einem lichtempfindlichen Schirm einer die örtliche Lichtverteilung abfühlen*- den Kathodenstrahlröhre gelangen.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig.1 die schematische Darstellung eines gemäß der Erfindung aufgebauten, als Speicherzelle verwendbaren optischen Schalters
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Fig.2a,2b Vektor-diagrarnme zur Veranschaulichung der reversiblen Doppelbrechung;
• k
■ ■ ■ ■ m
PigO eine schematischeDaratellung einer aus ferro-
elektrischen Gd2 (MoO2^) ,-Kristallen bestehenden Speicheranordnung;
Fig.4 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig.5 ein weiteres AusfUhrungsbeispiel der Erfindung,
In der Anordnung nach Fig.1 besteht der Kubua_' 2 aus einem Gd2(MoO21 ),-Kristall, jmit 1 mm Seitenlänge ..." ^ » dAat 1. Die ursprüngliche Polarisation dieses ■ Kristalls liegt in Richtung seiner kriatallographiachen c-Achse. Die obere Fläche 4 und die untere'Fläche 6 des Kristalls liegen zueinander parallel und senkrecht zu dar c-Achse. Die a-Achse und die b-Achse sind zwei krietallographische Achsen, die in einer zur c-Achse senkrechten Ebene liegen. Mit Hilfe der.Spannungsquelle 8 und des : Schalters 10 kann ein zur c-Achse paralleles elektrisches Feld an den Kristall gelegt werden. Weiterhin 1st «Ine Viertel-Wellenplatte 12, ein Analysator 14 und ein Lichtdetektor 16 im Strahlengang angeordnet. Die Funktion der in Fig.1 dargestellten Anordnung wird an Hand der Fig^a und 2b erläutert. Ein .linear polarisierter Strahl 18 tritt
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in den Kristall 2 parallel zur c-Achse.ein. Die Richtung LM der Polarisationsebene schliesst mit der a-Achse und der
b-Achse jeweils einen Winkel von 1*5° ein. Daher wird der linear polarisierte Strahl 18 innerhalb des Kristalls in zwei Komponenten aufgeteilt, von denen die eine in Richtung der a-Achse -nd die andere in Richtung der b-Achse liegt. Da der Brecht r.gsindex N in Richtung der a-Achse vom Brechungsindex N. entlang der b-Achse verschieden ist, sind auch die Fortpflanzungsrichtungen dieser beiden Komponenten innerhalb des Kristalls 2 voneinander verschieden. Ist die Dicke des Kristalls so bemessen, dass zwischen den beiden Komponenten eine Phasenverschiebung von Ί5 auftritt, so ist der aus der oberen Fläche Ί des Kirstalls aust?tende Strahl elliptisch polarisiert. Wird dagegen die Dicke des Kristalls in Richtung der c-Achse so gewählt, dass die aus der Fläche 4 austretenden Strahlen eine Phasenverschiebung von 9o° aufweisen, so wird der austretende Strahl zirkulär polarisiert sein. Im Aueführungsbeispiel nach Fig. 1 wird angenommen, dass der austretende Strahl 26 Ib Sinne des Uhrzeigers zirkulär polarisiert ist. Der in die Viertel-Wellenplatte 12 eintretende zirkulär polarisierte Strahl 26 verläset diese Platte als linear polarisierter Strahl 28. Die Lage der Polarisationsebene kann entweder parallel zur Polarisationsebene des in den Kristall 2. eintretenden Strahles oder senk-.... I recht dazu sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Viertel-Wellenplatte 2 aus Gd2(MoO14), und weist eine Dicke vo von 0,037cm auf. Diese Abmes_sungist für eine Arbeitatemperatur^
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von 250 C und eine Strahlung mit einer Wellenlänge von ο
' 6j528 μ bestimmt. Der Analysator 14 läßt den Strahl 28 nur dann durch, wennseine Polarisationsebene parallel zur Polarisationsebene des Strahles 18 ist. Mit Hilfe .. des Lichtdetektors 16 wird festgestellt, ob die Polarisationsebene des Strahles 28 parallel oder senkrecht zur Polarisationsebene des Strahles 18 liegt.
Wird an die durchsichtige Silberelektrode 4 ein Spannungsimpuls gelegt, der in bezug auf das Potential der durchsichtigen Elektrode 6 positiv ist, so wird die ferroelektrische Achse des Kristalls 2 in Richtung der c-Achse gebracht, während die a-Achse und die b-Achse,wie in Fig.2a dargestellt, ausgerichtet sind. Einer derartigen Polarisation: wird der binäre »Vert "1" zugeordnet« Dabei wird der polarisierte Lichtstrahl 18 nach Vergasen des Kristalls 2 im Sinne des Uhrzeigers zirkulär polarisiert sein. Die Viertel-Wellenplatte 12 und der Analysator 14 sind so angeordnet, daß der aus der Viertel-Wellenplatte 12 austretende Strahl den Analysator 14 durchsetzen kann und auf den Lichtdetektor 16 fällt. Wird.an den Kristall 2 eine Schaltspannung solcher Polarität gelegt, daß die Fläche 6 positiv in'bezug auf die Flache 4 ist, so wird die Polarisation des Kristalls 2 umgekehrt. Da Od2(MoOh)-T reversibel doppelbrechend ist, v/erden die Achsen a und b wie aus Fig.2b ersichtlich, vertauscht. Ein derartiger
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Zustand des Kristalls wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer binären "θ" bezeichnet. Wird der ü»e*r , Kristall 1& Jj jetzt von einem linear polarisierten ■ Strähl 18 durchsetzt, so wird der aus der Fläche 4 austretende Strahl entgegen dem Uhrzeigersinne zirkulär polarisiert sein, so daß kein Licht auf den Detektor 16 fällt, da der Analysator 14 kein Licht durchläßt, das in einer entgegen dem Uhrzeigersinn zirkulär polarisierten Strahlung entsprechenden Ebene polarisiert ist. Da ein Binär-Zustand ein JA-NiSIN-Zustand ist, kann die in Pig.1 dargestellte Anordnung auch als Schaltanordnung verwendet werden, bei der das den Kristall 2 durchsetzende Licht auf den Detektor 16 fällt, wenn die Polarisation f ■ des Kristalls 2 in Richtung der c-Achse liegt, das aber nicht zum Detektor 16 gelangt, wenn die Polarisation des * Kristalls 2 umgekehrt wird.
Die Schaltspannungen für die aus Gdo(WoOk)_-bestehende Viertel-Wellenplatte liegen in derGrößenordnung von 500-400 Volt, während die Schaltzeiten für einen derartigen Kristall in der Größenordnung von 0,1-2 millisekunden liegen. Der Kristall 2 hält seinen Polarisationszustand auch nach Portfall der Sehaltspannung bei.
In Fig.3 wird eine aus einer Vielzahl von ferroelektrischen Kristallen 2 bestehende Speicheranordnung wiedergegeben,
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Die Anordnung wird, ähnlich */ie die in i>'i£.1 dargestellte Anordnung, mit einem polarisierten Lichtstrahl 18 beleuchtet. Die durchsichtigen Elektroden 4 .und 6 bestehen, aus Streifen, die auf den jeweils einander gegenüberliegenden Flächen der einzelnen aus Gd^(MoO2,)v bestehenden Zellen angeordnet sind. Dsr Viertel-uellenplatte 12 und dem Analysator 14 der Anordnung nach Pig.1 entspricht eine einheitliche Schicht 51I-* die den gesamten Bereich der Zellen einnimmt. Das Schalten einer Speicherzelle erfolgt durch das gleichzeitige Anlegen von Spannungen an die sich in ihrem Bereich kreuzenden streifenförmigen Elektroden 4 und 6 ^ Un^. zwar ent sprechend der Auswahl eines Speicherkerns in einer Speicherkernmatrix durch koinzidente Ströme. In Pig.5 wird eine Anordnung zur Erzeugung und Projektion eines Lichtmusters und in Fig.4 eine mit einem Elektronenstrahl elnzuschreibendeZelle dargestellt. In der Anordnung nach Fig.4 ist die Rückseite des aus Gdg(Mo(X)-, bestehenden elektrooptischen Kristalls mit einer dünnen Metallschicht 40 überzogen, die beispielsweise aus Kupfer bestehen kann. Die vordererer Elektronenquelle 42 abgewandte Fläche des Kristalls 2 ist mit elektrisch leitenden Streifen 44 versehen. Die letzteren sind vorzugsweise durchsichtig ausgebildet und können die ganze Fläche des Kristalls bedecken. Der Strahlenteiler 46 lenkt einen Teil des von der beispfelsweise als Laser ausgebildeten Lichtquelle 48 ausgehenden Strahls 50 als Strahl 54 in
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• .- 11 -
Richtung auf den Kristall 2 ab, während ein anderer Teil 52 dieses Strahls den Strahlenteiler durchsetzt. Befindet sich der aus Gd2(MoO^), bestehende ferroelektrische Kristall in seinem binären "O"-Zustand, so wird der vom Strahlenteiler **6 in Richtung auf den Kristall 2 reflektierte Strahl 5Ί, der von dort durch den Strahlenteiler 46 als Strahl 56 zurückgeworfen wird/ entgegen dem Uhrzeigersinne polarisiert. Daher wird durch das Zusammenwirken der Viertel-V.ellenplatte 12 und des Analysators 14 dieser Strahl vorn Lichtdetektor 16 ferngehalten. Soll in dem Kristall 2 eine binäre "1" eingeschrieben werden, so
der Elektronenguelle 4*2 wird der Elektronenstrahl / auf ale KeUallschicht 40 gerichtet, so daß auf der einen Seite desKr.iflklls eine Elektronenladung entsteht. Die SchaItspannung am Kristall 2 wird in einem Zeitraum aufgebaut, der durch den Elektronenstrahl-Strom und durch die Kapazität des Kristalls 2 bestimmt 1st. Wird durch eine genügende Anzahl von Elektronen die erforderlicheSpannung aufgebaut, so erfolgt über die Leiter 44 eine Entladung und die Polarisation des Kristalls 2 wird umgekehrt. Wird nun ein polarisierter Strahl 50 über den Strahlenteiler 46 auf den" Kristall 2 gerichtet, so wird der am Kristall 2 reflektierte Strahl im Uhrzeigersinn zirkular polarisiert. .'.- und nach seinem Durchtritt durch die Viertel-.Vellenplatte 12 in einer solchen Richtung linear polarisiert sein, daß er den Analysator 14 durchsetzt und auf den Lichtdetektor 16 fällt.
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Fällt ein Elektronenstrahl auf einen geeigneten festen Körper, so treten zwei Effekte auf: 1. Sekundär-21ektronen-Emission und 2, Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit, die zur Änderung des Binär-Zustandes der in Fig.4 dargestellten ferroelektrischen Zelle verwendet werden können. Es ist weiterhin bekannt, daß bei vi&en Metallen, beispielsweise bei Silber, Gold, Platin, Zinn usw. ein langsamer Elektronenstrahl eine Ansammlung von Elektronen auf der Schicht 40 zur Folge hat. Das Einschreiben einer binären 11O11 könnte daher mit Hilfe einer mit L.V. bezeichneten Spannungsquelle erfolgen, die eine Spannung von 250 Volt oder weniger liefert. Der dann von der Elektronenquelle 42 ausgehende und auf den Gd2(MoO^),-Kristall 2 auftreffende Strahl bewirkt dann,dassdieser Kristall in bezug auf die Sammelelektrode 44 negativ wird. Soll dagegen eine binäre "1" eingeschrieben werden, so wird die Elektronenquelle mit einer Spannungεquelle H.V. verbunden, so daß der erzeugte Strahl eine Strahlspannung von 300 oder mehr Volt aufweist. Bei dieser höheren Strahlepannung werden Sekundär-Elektronen aus der Metallschicht 40 herausgelöst,so da.0 der Kristall 2 in bezug auf die Elektroden 44 positiv wird. Ist diese positive Spannung hoch genug, so wird die Polarisation des Kristalls 2 umgekehrt.
Die Relaxati ons ze it der Scha. It spannung nach Wegnahme des Klektronsnstrahls ist proportional 1/ ρ £ , wobei ρ der
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Widerstand des Kristalls 2 und £ seine dielektrische Konstante ist.
Fig.5 stellt eine Anordnung dar, die aus einer Mehrzahl von gemäß Fig.4 ausgebildeten Zellen besteht. Die in den Fig.4 und 5 einander entsprechenden Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zusätzlich ist eine Ausleseschaltung 60 zur Feststellung des Zustandes Jedes Kristalls 2 vorgesehen· Das einen im binären "1"-Zustand befindlichen Kristall 2 durchsetzende polarisierte Licht kann-durch den Analysator 14 durchtreten und auf dia photoleitende Schicht 62 fallen. Die Lichtstrahlen 64,66,68 usw. weisen auf das Vorliegen einer gespeicherten binären "1" in den entsprechenden Stellen hin. Die photoleitfähige Schicht 62 ist mit einer durch-, sichtigen Elektrode 70 versehen, die ihrerseits mit einer Augangsklemme 72 verbunden ist. Fällt Licht, auf einen Bereich der photoleitenden Schicht 62, so wird der Widerstand dieses Bereichs herabgesetzt. Fällt ein Elektronenstrahl 74 auf einen Bereichder photoleitenden Schicht. ζ>2, der gleichzeitig von einem Lichtstrahl 64,66,68 usw. beaufschlagt wM, so fließt ein größerer Strom über die Elektrode 70 und die Klemme 72 als dies beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf einen nicht vom Licht beaufschlagten Bereich-der photoleitenden Schicht 62 der Fall ist.
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Claims (8)

Böblingen, 9. Juli I969 pr-sk Patentansprüche * . '
1. Bistabiler optischer Schalter, gekennzeichnet durch einen mit in Richtung des zu beeinflußenden Strahles an gegenüberliegenden Flächen angeordneten durchsichtigen Elektroden versehenen Gd2(MoO^U-Krj&all (2)* in dem ein linear polarisierter Strahl (18), in Abhängigkeit von dem jeweils durch kurzzeitiges Anlegen eines elektrischen Feldes bestimmter Richtung erzeugten Remanenzzustand, durch positive oder negative Phasenverschiebung des ordentlichen gegenüber dem außerordentlichen Strahl entweder rechtszlrkular oder linkszirkular polarisiert wird, durch ein diesem nachgeschaltetes λ/4-Plättchen (12), in dem die im Kristall erzeugte Phasenverschiebung, je naäh ihrer Richtung, entweder rückgängig gemacht oder verdoppelt wird, εο daß der austretende Strahl (28) in Richtung der Polarisationsebene des der Anordnung zugeführten Strahles (18) oder senkrecht dazu linear polarisiert wird, durch einen in Richtung der zu beeinflußenden Strahlung dahinter angeordneten Analysator und durch einen diesem nachgeschalteten, zur Anzeige des jeweiligen Polarisationszustandes des Od2(MoOj+ )yKristalls dienenden Lichtdetektor (16).
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2. Bistabiler optischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Steuerelektroden als Spiegel ausgebildet ist.
3. Bistabiler optischer Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Jeweils gewünschten Remanenzzustand erzeugende Feld durch Aufbringen von Ladungen, vorzugsweise mittels eines steuerbaren Klektronenstrahls, erzeugt wird.
4. Bistabiler optischer Schalter nach den Ansprüchen 1-3/ dadurch gekennzeichnet, daß die elektrooptische Achse des Gd2 (WoOj+ )■*-Kris ta lies in Richtung des zu beeinflußenden Strahles liegt.
5. Bistabiler Schalter nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des den Polarisationszustand der Kristalle (2) bestinmenden Feldes durch die Strahlspannung des Elektronenstrahls bestimmt wird, derart, daß bei einer niedrigen Strahlspannung durch Anreicherung von Elektronen eine negative Ladung und bei hohen Strahlspannungen durch Auslösen von Sekundär-Elektronen eine positive Ladung an der vom Elektronenstrahl beaufschlagten Fläche erzeugt wird«
6. Aus bistabilen optischen Schaltern nach den Ansprüchen YO 963 0-6 909887/H12 BADORiGINAI.
' - 16 -
1 - 5 bestehender Speicher, Gekennzeichnet durch eine Vielzahl von in Spalten und in Zeilen angeordneten Gd2(MoO2J)-v-Kristallen (2))^rl^irch an der einen Seite dieser Kristalle in Zeilen-und an der gegenüberliegenden Seite in Spaltenrichtung angeordnete streifenförmige durchsichtige Steuerelektroden. .
7· Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur räumlichen Modulation eines Lichtstrahls.
8. Speicher nach den Ansprüchen 1-7* gekennzeichnet durch eine erste Elektronenstrahlanordnung (42) zur Aufbringung der die jeweils gewünschten Kristalle beeinflußenden Ladungen, einen Strahlenteiler (46) zur Ablenkung der das Auslesen bewirkenden Strahlen zu den elektrooptischen Kristallen (2), von wo sie zurückgeworfen und nach Durchtritt durch den Strahlenteiler. die ? A /4-Platte (12) und den .Analysator (14) zudem lichtempfindlichen Schirm einer die örtliche Liohtvertellung abfühlenden Kathodenstrahlröhre (60) gelangen.
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