EP3891742A1 - Bauelement mit optisch aktiven materialien - Google Patents

Bauelement mit optisch aktiven materialien

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Publication number
EP3891742A1
EP3891742A1 EP19812664.1A EP19812664A EP3891742A1 EP 3891742 A1 EP3891742 A1 EP 3891742A1 EP 19812664 A EP19812664 A EP 19812664A EP 3891742 A1 EP3891742 A1 EP 3891742A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optically active
active material
component according
signal
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19812664.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hilde Hardtdegen
Martin Mikulics
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP3891742A1 publication Critical patent/EP3891742A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F3/00—Optical logic elements; Optical bistable devices
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/04—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using optical elements ; using other beam accessed elements, e.g. electron or ion beam
    • G11C13/06—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using optical elements ; using other beam accessed elements, e.g. electron or ion beam using magneto-optical elements
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/04—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using optical elements ; using other beam accessed elements, e.g. electron or ion beam

Definitions

  • the invention relates to a component with optically active materials and a method for processing and / or storing information in which this component is used.
  • Field effect transistors are controlled by a voltage.
  • the control or amplification of the current flow between drain and source is done by deliberately enlarging and reducing conductive and non-conductive areas of the semiconductor material.
  • the semiconductor material p-doped and n-doped beforehand is either depleted by the applied voltage or the resulting electrical field or enriched with charge carriers.
  • phase state amorphous or crystalline
  • a chalcogenide-containing material typically Ge-Sb-Te or Ag-In-Sb-Te compounds
  • the programming of a cell in the amorphous state (high-resistance) into the crystalline phase (low-resistance) takes place in that an electrical current pulse heats the material above the crystallization temperature by means of Joule heat and thereby allows the material to (partially) crystallize.
  • the memory cell is reset or erased by heating the material by means of a second current pulse above the melting temperature, which is higher than the crystallization temperature, and converting it to the amorphous state by rapid cooling.
  • a disadvantage of these memory components is that high current densities or amounts of heat are necessary both for the write and for the erase process.
  • the component according to the invention which solves the above object, is based on the knowledge that certain materials by external influence, namely by thermal (for example phonons) and / or optical action by photons or by the action of an input power in the form of optical, electrical, evanescent and / or magnetic fields or by mechanical action, in their optical output properties. This property can be used advantageously for processing, storing and reading out information.
  • a component which, as a carrier of information, comprises at least one optically active material which has optically detectable properties which can be changed by external influences.
  • optically active materials are understood to mean materials which, due to external action in the form of, for example, thermal action or optical action of, for example, phonons and / or photons or by the action of an input power in the form of optical, electrical, evanescent and / or magnetic fields or by mechanical action in their optical (output) properties so that they react with a change in their optically detectable properties, in particular with a change in their transmission property and / or reflection property.
  • changes caused by the external action can be accompanied, for example, by a change in the structure, in particular, for example, by a change in the configuration of the molecules and atoms of the optically active material to one another, a change in the composition of the material, the atomic environment and / or a change in the oxidation state of the Material, these changes are preferably reversible, with or without external action.
  • the optically active materials can be present as a solid, gas and / or liquid. They can be both organic and / or inorganic.
  • Suitable optically active materials are, for example, materials that are photo, electro, magneto and / or piezochrome.
  • the following compounds can be mentioned by way of example, but not limited to, as materials which can preferably be changed by optical action, for example by the action of a minimal energy in the form of a single photon:
  • Azo compounds stilbines, azastilbines, spiropyrans, spirooxazines, triarylmethanes, polymethines, pyrroles, hydrazines, sydnones, disulfides, nitroso dimers, and quinones.
  • Chalcogenide based phase change compounds such as in the GeTe-Sb2Te3 material system, Te-Ge-Sb-S material system, Ag-In-Sb-Te material system and the phase change materials Sb (Bi, Au, As), Ge-Sb-Mn-Sn, Ge (ln, Ag, Sn )[1 ]; Oxides of titanium, tungsten, sulfides of alkaline earth metals, and halides of silver and zinc.
  • the optical action in particular by photons, can subsequently also induce a thermal action, for example by converting the photons, in particular, for example, in a signal transmitter, into phonons, in particular heat, and this heat causing the optical properties of the optically active material to change.
  • liquid crystals [2] electro-optical crystals such as LiNb03 and LiTaOs
  • electro-optical crystals such as LiNb03 and LiTaOs
  • Ge-Sb-Mn-Sn Ge (ln, Ag, Sn).
  • the following compounds can be mentioned as examples, but not limited to, as materials which can preferably be changed by magnetic or magneto-optical action:
  • Colloidally dissolved magnetic nanoparticles such as Fe3C> 4, materials that show the magneto-optical Kerr effect (MOKE), e.g. diluted magnetic semiconductors such as CdMnTe [3].
  • MOKE magneto-optical Kerr effect
  • Mechanochromic and especially piezochromic materials such as polyvinyl chloride, fluorite.
  • the term transmission means the permeability of a material to electromagnetic waves (e.g. light). If an electromagnetic wave that moves, for example, in medium A (e.g. air) hits material B of finite thickness, it is partly reflected at the interfaces and depending on the material properties of the material (in particular, for example, the refractive index) B completely or partially absorbed when crossing. The remaining remainder is transmitted through material B and exits again, for example, on the opposite side of material B (Wikipedia).
  • the transmittance T can be a measure of the determination of the transmission.
  • the transmittance 7, a material property, is defined as the quotient between the wave intensity / behind and the intensity Io in front of the obstacle
  • the transmittance 7 " is therefore a measure of" transmitted "intensity and can assume values between 0 and 1 or 100%.
  • the term reflection is understood to mean the retroreflection of light at an interface at which the wave resistance or the refractive index of the propagation medium changes.
  • the measurement of transmission and reflection can be recorded separately.
  • the detection of the transmission of the solution according to the invention preferably serves the task.
  • the reflection can be suppressed, since this can lead to a loss in the efficiency of the component due to the associated loss of intensity.
  • a thermal effect for example in the form of laser radiation, can produce an optically readable change in the transmission, in particular, for example, a change in the absorption coefficient and / or the refractive index of the optically active material.
  • This change can then be carried out by means of a read operation with optical analysis units e.g. be read as ones and zeros and / or intermediate states that the material can occupy.
  • the optically active material as a storage element can, for. B. be in position 1 and 0 and thus contain bits of information. So the optically active material can replace the usual electrically controlled data storage.
  • An advantageous geometric and spatial arrangement of one and / or several different layers of the optically active material in the component can, for example, set up to and including 100% transmission.
  • an optical impact - e.g. also triggered by a photon source, such as a laser - there are anti-reflection layers suitable for the selected wavelength of the laser, which can be used to suppress reflection.
  • the component hereinafter also referred to synonymously as a component, comprises at least one memory area, synonymously also called functional area, containing optically active material, a control arrangement with at least one control signal for changing the optical properties of the optically active material by external action, and means for detection the change in the optical properties of the optically active material, comprising an evaluation input area with at least one evaluation input signal and an evaluation output area with at least one evaluation output signal, the memory area or functional area being arranged between the evaluation input area and the evaluation output area and the control arrangement being adjacent to the memory area or functional area.
  • the memory area or Functional areas also serve, for example, to process, store, transmit and / or forward the information.
  • the evaluation input area and the evaluation output area can comprise signal transmitters.
  • the optically active material of the component can be changed in its optical properties by external action, such as, for example, thermal, optical, electrical, magnetic or mechanical action, at least one means, in particular a control signal of a control arrangement, such that it results in an optically measurable change in the Transmission property comes.
  • This change can preferably be measured with the aid of the transmittance which has changed compared to the initial state.
  • This optically readable change can, for example, be detected and evaluated with the aid of photodetectors (photodiodes) and, for example, converted into an electrical signal via an interface.
  • the change in the transmission property can take place partially or completely. This depends on the set parameters of the control system.
  • the change in transmission can be controlled, for example, via the parameters of the control arrangement. In the case of an optical action, this can be controlled, for example, via the wavelength and the irradiated power Pin, the duration of the irradiated power / action, the diameter of the laser beam, the number of control signals and the geometric arrangement of the control signals.
  • the changes in the transmission properties caused are preferably reversible, with or without external action.
  • this configuration of the component in which the change in the optical properties of the optically active material is irreversible, this configuration of the component can be used, for example, as a non-volatile memory.
  • the change in the optical properties of the optically active material by the control arrangement can be triggered by all possible external influences listed, but for each specific component only one type of external influence from the control arrangement on the optically active one Material is selected and exercised.
  • the at least one control signal therefore always comprises only one type of external action, which acts on the memory area and for change of the optical properties of the optically active material. This one type of external action can be transmitted to the optically active material of the storage area both from at least one control signal but also from a plurality of control signals.
  • the control arrangement with means, in particular at least one control signal, for changing the optical properties of the optically active material can advantageously comprise at least one signal transmitter for transmitting the control signal or signals, which for this purpose has, for example, means for transporting the at least one control signal, these control signals of a respective component each can include a form of external action from the group of, for example, photons, phonons or an input power in the form of optical, evanescent, magnetic or electrical fields or a mechanical action, so that for each component only one of the named forms of external action Action, ie only one type of external action is selected for each component.
  • the evaluation input area and the evaluation output area can each have at least one signal transmitter.
  • These optical conductors of the control arrangement, the evaluation input area and / or the evaluation output area can comprise, for example, glass fibers, waveguides (on chip).
  • the signal of the control arrangement which triggers the transmission change can be applied directly, preferably with the aid of an optical aperture, to the optically active material in the memory area in the event of an optical action. This is preferably done in the near field arrangement.
  • direct evaluation of the evaluation input signal or direct evaluation of the evaluation output signal can also take place in the evaluation input area and evaluation output area without a signal transmitter.
  • the component In general, it is possible for the component to have a control arrangement, an evaluation input area and / or an evaluation output area even without a signal transmitter.
  • the signal transmitters of the control arrangement can trigger the change in the optical properties of the optically active material by forwarding and transmitting the at least one control signal, in the form of, for example, photons, phonons, magnetic and / or electrical fields.
  • the signal transmitters of the evaluation input and output area are used, for example, to record and forward the transmission of the storage area with the optically active material to an analysis unit for the transmission, or only to forward it, for example to serve as a control signal or evaluation input signal for a further component.
  • the signal at the evaluation output area should also be able to control at least one further component.
  • components or an arrangement of several components can thus be connected in parallel and / or in series, for example, to form a circuit, in particular an optical circuit.
  • these component arrangements can be one-dimensional, two-dimensional and / or three-dimensional and can then be involved in computing or storage operations.
  • arrangements of several components or components, in particular at least two components can be integrated into optical processors, arithmetically logical units, optical switches or optical memories, which can only be operated by photons, for example.
  • the components could also be shaped into arrays or switching matrices.
  • a component could be part of an arrangement and / or part of a computing unit and / or part of processors.
  • the evaluation input area, the evaluation output area and the control arrangement can also change their function on the optically active material within the component.
  • the component can also be used in different directions, for example.
  • Signal transmitters of the control arrangement, as well as of the evaluation input area or evaluation output area, in the form of optical conductors, can irradiate with an angle of incidence, or angle of radiation in the case of the evaluation output area, between> 90 ° to 180 ° onto the surface of the optically active material in the memory area or from the Step out the surface of the optically active material in the case of the evaluation output area.
  • an angle of incidence or beam angle of 90 ° within the scope of the invention, the perpendicular to the surface of optically active material incoming or outgoing signal can be understood.
  • Signal transmitters with an angle of incidence or angle of radiation> 90 ° therefore meet, based on the 90 ° defined perpendicular to the surface -
  • Beam angle / beam angle axis obliquely on the surface of the optically active material or emerge obliquely from the surface. Due to the set angle, e.g. the degree of reflection but also the penetration depth in the material and thus the degree of transmission can be controlled.
  • optical fibers in the form of glass fibers have a high transmission at wavelengths of e.g. 1550 nm, 1300 nm and 850 nm.
  • this material should advantageously have a high transmission (in one of the states that it can assume) at these wavelengths in order to obtain the highest possible transmission signal. The higher the transmission signal, the more clearly and precisely it is possible to detect a change in the transmission signal.
  • the component according to the invention can advantageously comprise at least two different optically active materials in the storage area. It is also possible that the storage area also includes four or more different materials. Different optically active materials absorb different wavelengths and these wavelengths then cause different changes in the material properties. This leads to different and or discrete degrees of transmission. You will also transmit different wavelengths of the evaluation input signal differently.
  • PCM Phase change materials
  • the different optically active materials can, for example, advantageously be arranged in a layer structure of stacked layers arranged one above the other or next to one another. These are preferably not physically separate from one another. As a result, a large number of different optical materials with differently changeable specific optical properties can be arranged in a component, with which a large amount of information (bits) can then also be processed and / or stored.
  • the layer thickness of the optically active material must be set so that the respective transmission can still be measured optically and a change in the transmission due to the action of the means of the control arrangement also remains optically evaluable.
  • the transmission is also dependent on material properties of the optically active material, such as absorption coefficients of the material and on geometric parameters such as the thickness of the material.
  • Layer structure in the memory area can be arranged perpendicular to the beam direction of the control signal and / or parallel to the beam direction of the control signal. With this advantageous arrangement, further signal control of the component can be achieved. Depending on whether the shifts switch earlier or later, it is determined which region and up to which shift is switched. As a result of this advantageous arrangement of the different materials, the component can fulfill its versatile functionality and its logical function.
  • Reflective means can be arranged behind the storage area with the optically active material, which lies opposite the beam direction of the optical conductor of the control arrangement. Reflective materials can also be arranged where the evaluation input area, the evaluation output area and the control arrangement do not touch the optically active material.
  • the reflecting means can be, for example, a metallic mirror, a mirror made of dielectric multi-layers, or an optically active material that has metallic properties. By means of these reflecting means, the signal of the control arrangement to the memory area can suffer fewer losses.
  • the evaluation Anti-reflection means can also be arranged in the input area and the control arrangement touch the memory area. They can be used for more efficient signal coupling into the optically active material.
  • the anti-reflective agents can be, for example, oxides and nitrides of silicon.
  • the control arrangement and / or the evaluation input area can also have at least two signal transmitters in an advantageous embodiment of the component. It is also possible that 4 to as much as technically possible signal transmitters are used. As a result, a signal can be sent from the control arrangement to the memory area at individual points in the memory area, and a stepwise or serial signal irradiation can be carried out on the memory area. The number of signal transmitters depends on the desired function / functionality of the component and the feasibility.
  • the evaluation input area can include signal transmitters for forwarding an optical output signal, which can be, for example, glass fiber cables, waveguides, photon emitters, laser emitters.
  • signal transmitters can also be dispensed with.
  • the evaluation output area can include signal transmitters for detecting the optical output signal.
  • Photodetectors, photodiodes, polarimeters, transmission meters or spectrometers, for example, can be used as the analysis unit in the evaluation output area for detecting the changed optical properties.
  • the measured optical signals can then be converted into an electrical signal, for example via an opto-electrical interface.
  • Other components or components with optically active materials can also record and modulate the signal.
  • a signal transmitter can also be dispensed with here.
  • Figure 1 embodiment of the device according to the invention
  • Figure 2a embodiment of the device according to the invention, with a
  • Phase change material as an optically active agent in state "1"
  • Figure 2b embodiment of the device according to the invention, with a
  • Phase change material as an optically active agent in state "2"
  • Figure 2c embodiment of the device according to the invention, with a
  • Phase change material as an optically active agent in state "3"
  • FIG. 3 Embodiment of the component according to the invention controlled and evaluated by the optical action of photons of the same wavelength
  • FIG. 4 Embodiment of the component according to the invention controlled and evaluated by optical action of photons of different wavelengths
  • Figure 5a embodiment of the device according to the invention with a
  • Figure 5b embodiment of the device according to the invention with a
  • Figure 6 embodiment of the component according to the invention with a means which reflects the control signal
  • Figure 7a embodiment of the device according to the invention with two
  • Control signals and two signal transmitters of the control arrangement and an optically active material
  • Figure 7b embodiment of the device according to the invention with two
  • Figure 8a embodiment of the device according to the invention with two
  • Figure 8b embodiment of the device according to the invention with two
  • Figure 8c embodiment of the device according to the invention with two
  • Figure 8d embodiment of the device according to the invention with two
  • Figure 8e embodiment of the device according to the invention with two
  • Layer arrangement or layer structure made of optically active material 1 to 8e show exemplary embodiments of the component according to the invention in a sectional drawing.
  • the component according to the invention comprises a control arrangement 1 with at least one control signal 1 a for changing the optical properties of the optically active material 4 a and preferably at least one, but not necessarily, signal transmitter 1 b, one to the control arrangement 1, hereinafter also referred to synonymously as control unit 1, adjacent evaluation input area 2 with at least one evaluation input signal 2a and preferably, but not necessarily, at least one signal transmitter 2b, and an evaluation output area 3 comprising an evaluation output signal 3a and preferably, but not necessarily, a signal transmitter 3b, wherein between the evaluation input area 2 and the evaluation output area 3 and adjacent to the control unit 1 with which the control signal 1 a, the storage area 4 with the optically active material 4 a is arranged.
  • an evaluation input signal 2a in the form of a light signal (laser beam, laser pulse, a light-emitting diode, a photon source and also a single photon) is first, but not necessarily, in the evaluation input area 2 by a Signal transmitter 2b, placed on the optically active material 4a in the memory area 4 and in the evaluation output area 3, the evaluation output signal 3a is preferably, but not necessarily, detected via a signal transmitter 3b and sent to an analysis unit, such as, for. B. a spectrometer, a photodiode or a photodetector or forwarded to a further photonic unit and determines the optical output property.
  • an analysis unit such as, for. B. a spectrometer, a photodiode or a photodetector or forwarded to a further photonic unit and determines the optical output property.
  • These process steps can preferably be used to determine the transmittance of the component in the initial state. This transmittance can then be converted into an electrical signal via an interface, for example.
  • a control signal 1a in the form of one of the external influences described above by way of example, preferably, but not necessarily, being given via a signal transmitter 1b to the memory area 4 with the optically active material 4a, thereby changing the changes in the optical properties already described in more detail above of the optically active material 4a.
  • an evaluation input signal 2a is again passed through the evaluation input area 2, preferably, but not necessarily, to the optically active material in the memory area 4 by means of a signal transmitter 2b, and in the evaluation output area 3 the evaluation output signal 3a is preferably, but not necessarily, via one Signal transmitter 3b detected and sent to an analysis unit, such as. B. photodetectors (photodiodes), a polarimeter, transmission meter, or spectrometer.
  • the transmittance of the component which has changed in comparison to the basic signal in the form of the optical output property, is then determined here. This transmittance can then, for example, be converted back into an electrical signal via an interface.
  • the optically active material 4a in the memory area 4 can thus be in states 0 (basic signal) and 1 (optically changed basic signal), for example, and thus contain bits of the information.
  • the information content is contained in the present exemplary embodiment in the form of photons.
  • FIG. 2a shows an exemplary embodiment of the component according to the invention in a sectional drawing, in which the optically active material 4a in the memory area 4 consists of phase change material (PCM).
  • PCM phase change material
  • the PCM is, for example, in state “1” (PCM “1”).
  • the signal associated with state “1”, in the form of the measured basic signal in the form of the (output) transmittance, is first determined, as previously described for FIG. 1.
  • FIG. 2b shows an exemplary embodiment of the component according to the invention with a phase change material (PCM) as optically active material 4a in the memory area 4, the PCM from FIG. 2a now being in state “2” (PCM “2”).
  • PCM phase change material
  • an optical control signal 1 a in the form of radiation of a specific infrared wavelength, preferably, but not necessarily, was passed via the signal transmitter 1 b into the memory area 4, which leads to a change in the optical property of the PCM Materials is coming.
  • the optical control signal 1a does not lead to a complete change of the amorphous state of the PCM material into the crystalline state or vice versa, but only to a partial change of the state of the PCM material.
  • the signal that can be assigned to the PCM material in state “2” can be determined as described previously for FIG. 2a.
  • FIG. 2c shows an exemplary embodiment of the component according to the invention with a phase change material (PCM) as optically active material 4a in the memory area 4, the PCM from FIG. 2a now being in state “3” (PCM “3”) .
  • PCM phase change material
  • an optical control signal 1 a in the form of irradiation of a specific infrared wavelength, was passed into the memory area 4, preferably, but not necessarily, again via the signal transmitter 1 b of the control unit 1, causing a further partial change in the optical property of the PCM material is coming.
  • the signal that can be assigned to the PCM material in state “3” can be determined, as already described for FIG. 2a.
  • the control of the change in the optically active material 4a can be achieved here, for example, by a different power input of the wavelength, a different pulse duration or a different penetration depth.
  • phase change material as optically active material 4a is in the initial state, not fixed to a specific phase of this material, but can be chosen as desired.
  • phase change materials can be used in which the control signal 1 a causes an amorphization of the crystalline state by means of a short pulse with high energy or a long pulse with low energy causes the material to crystallize.
  • a phase change material is used which behaves in exactly the opposite way.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the component according to the invention, in which the optically active material 4a in the memory area 4 is changed by the optical action of photons of a wavelength l1, triggered by the control signal 1a of the control unit 1, and the evaluation of the signal with the same wavelength l1 is evaluated .
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the component according to the invention, in which the optically active material in the memory area 4 is changed by external optical action of the control signal 1 a in the form of photons of a wavelength l2 and the evaluation of the signal is evaluated with a different wavelength l1.
  • the control signal 1 a in the form of photons of a wavelength l2
  • the evaluation of the signal is evaluated with a different wavelength l1.
  • several different wavelengths l2 can also be used, and the signals can then also be evaluated with several different wavelengths l1.
  • FIG. 5a shows an exemplary embodiment of the component according to the invention, in which the memory area 4 comprises a multiplicity 1 to n different optically active materials OAM-1 to OAM-n, which are arranged in layers arranged one above the other to form a layer structure 6, the individual layers in each case perpendicular are aligned with the beam direction of the control signal 1 a of the control arrangement 1.
  • FIG. 5b shows an exemplary embodiment of the component according to the invention, in which the memory area 4 comprises a multiplicity 1 to n different optically active materials OAM-1 to OAM-n, which are arranged in layers arranged next to one another in a layer structure 6, the individual layers in each case parallel are aligned with the beam direction of the control signal 1 a of the control arrangement 1.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of the component according to the invention, in which a layer 5 is arranged behind the storage area 4 with the optically active material 4a, which the control signal 1 a, which is from the control unit 1, preferably, but not necessarily, with the aid of the signal transmitter 1 b through the optically active material 4a of the memory area 4 and exits from it, is reflected by the layer 5 and can cause signal amplification.
  • This layer 5 can store the control signal 1 a in the memory range 4 reflect back with the optically active material 4a external action, in the form of, for example, photons, phonons or other previously mentioned external actions, so that the control signal 1a preferably without losses to change the optical properties, for example to change the phase, in the optically active material 4a leads.
  • Metals such as Ag, Au, Al, Cu or even mirrors made of dielectric multi-layers (e.g.
  • Bragg_Spiegel are used, which are suitable for the signal wavelength.
  • the reflecting surface can, for example, be placed wherever no signal transmitters touch the optically active material 4a.
  • FIG. 7a shows an embodiment of the component according to the invention with two control signals 1a and two signal transmitters 1b, which can cause a gradual or discrete change in the optical properties of the optically active material 4a in the memory area 4.
  • phase change materials can be mentioned which can assume intermediate states between the crystalline and amorphous states.
  • the memory area 4 can comprise, for example, two different, optically active materials, OAM-1 and OAM-2.
  • these are two different PCMs, PCM1 and PCM2. These can react differently to the control signals 1 a emitted by the control unit 1, so that different, independent switching of the individual materials is possible.
  • This configuration enables, for example, a logical combination of information to be stored and connected.
  • FIG. 8a shows an exemplary embodiment of the component according to the invention, in which the evaluation signal unit 2 comprises two evaluation input signals 2a with two signal transmitters 2b, so that the memory area 4 can be supplied with two different evaluation input signals 2a, so that the signal in the memory area 4 can be evaluated with different signals.
  • This configuration enables, for example, a logical combination of information to be stored and connected.
  • 8b shows, in comparison to FIG. 8a, in addition to the two evaluation input signals 2a with two signal transmitters 2b, two control signals 1a with corresponding signal transmitters 1b, so that the optically active material 4a can be evaluated not only with two different evaluation input signals 2a, but also with two different control signals 1a can be changed.
  • This configuration enables, for example, a logical combination of information to be stored and connected
  • FIG. 8c shows a further possible embodiment of the component or component according to the invention, in which, compared to the embodiment shown in FIG. 8b, the optically active material 4a in the memory area 4 is also composed of two different optically active materials, OAM-1 and OAM-2 . These two different materials are in a layer arrangement or
  • Layer structure 6 arranged, wherein the two respective layers are aligned perpendicular to the beam direction of the control signals 1 a of the control unit 1.
  • FIG. 8d shows an embodiment of the component or component according to the invention which is essentially similar to that of FIG. 8c, in which case, in contrast to the embodiment according to FIG. 8c, the two respective layers of the different optically active materials 4a made of the two different optically active materials, OAM-1 and OAM-2 in the memory area 4 are aligned parallel to the beam direction of the control signals 1 a of the control unit 1.
  • FIG. 8e shows a further variant of the component or component according to the invention compared to the embodiments according to FIGS. 8c and 8d, in which, in contrast to the configurations in FIGS. 8c and 8d, the memory area 4 different optical materials 4a, OAM-1, OAM-2, OAM -3 and OAM-4. These are arranged in a layer arrangement or layer structure 6 such that two different materials, OAM-1 and OAM-3 as well as OAM-2 and OAM-4, arranged one above the other, are aligned perpendicular to the beam direction of the control signals 1 a of the control unit 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement, umfassend wenigstens einen Speicherbereich enthaltend optisch aktives Material, eine Steuerungsanordnung mit wenigstens einem Steuerungssignal zur Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials, sowie Mittel zur Erfassung der Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials, umfassend einen Auswerteeingangsbereich umfassend wenigstens ein Auswerteeingangssignal und einen Auswerteausgangsbereich umfassend ein Auswerteausgangssignal, wobei der Speicherbereich zwischen Auswerteeingangsbereich und Auswerteausgangsbereich angeordnet ist und die Steuerungsanordnung an den Speicherbereich angrenzt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Verarbeitung und/oder Speicherung von Informationen bei dem das erfindungsgemäße Bauelement verwendet wird.

Description

B e s c h r e i b u n g Bauelement mit optisch aktiven Materialien
Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit optisch aktiven Materialien sowie ein Ver fahren zur Verarbeitung und/oder Speicherung von Informationen bei dem dieses Bauelement verwendet wird.
Stand der Technik Konventionelle elektronische Bauelemente zur Verarbeitung und/oder Speicherung von Informationen, wie beispielsweise Transistoren, logische Schaltkreise oder Prozessoren, basieren überwiegend auf einem Transport und einer Steuerung von Ladungsträgern. Ein Beispiel eines bekannten Transistors ist der Feldeffekttransistor.
Er verfügt über drei Anschlüsse: · Source (englisch für„Quelle“,„Zufluss“)
• Gate (englisch für„Tor“,„Gatter“) - der Steuerelektrode
• Drain (englisch für„Senke“,„Abfluss“)
Feldeffekttransistoren werden durch eine Spannung gesteuert. Die Steuerung bzw. Verstärkung des Stromflusses zwischen Drain und Source geschieht durch gezieltes Vergrößern und Verkleinern leitender und nichtleitender Gebiete des Halbleitermate rials.
Das im Vorfeld p- und n-dotierte Halbleitermaterial wird dabei durch die angelegte Spannung bzw. das dadurch entstehende elektrische Feld entweder verarmt oder mit Ladungsträgern angereichert. (Wikipedia: de.wikipedia.org/wiki/Feldeffekttransistor; Stand: 18. Dezember 2017 um 14:43 Uhr)
Die nach dem Stand der Technik bisher bekannten Bauelemente verwenden überwiegend physikalisch technische Material-Lösungen, die auf dem Transport von Ladungsträgern basieren. Es ist allgemein bekannt, dass solche Bauelemente während des Betriebes Wärme entwickeln. Hier besteht häufig der Nachteil, dass es zu einer Degradation der Eigenschaften kommt, die zu einer Ineffizienz der Bauelemente und zu Verlusten führt.
Nach dem Stand der Technik sind auch Speicherbauelemente mit Speicherzellen auf der Basis einer in ihrem Phasenzustand änderbaren Schicht eines aktiven Materials bekannt (PCRAMs), bei dem das aktive Material seinen Phasenzustand von einem amorphen in einen kristallinen Zustand durch einen elektrischen Stromimpuls ändert. Bei diesem Typ Speicherzellen (DE 10 2004 041 893 A1 ) wird der Phasenzustand (amorph oder kristallin) eines chalkogenid-haltigen Materials (typischerweise Ge-Sb- Te- oder Ag-In-Sb-Te-Verbindungen) verwendet, um ein Datenbit zu speichern. Für das Auslesen der Information wird ausgenutzt, dass sich die amorphe und die kristalline Phase dieser Verbindungen in ihrer elektrischen Leitfähigkeit deutlich unterscheiden. Das Programmieren einer sich im amorphen Zustand (hochohmig) befindlichen Zelle in die kristalline Phase (niederohmig) findet statt, indem ein elektrischer Stromimpuls das Material mittels Joule'scher Wärme über die Kristallisationstemperatur aufheizt und dabei das Material (partiell) kristallisieren lässt. Das Zurücksetzen bzw. Löschen der Speicherzelle wird dadurch realisiert, dass das Material mittels eines zweiten Stromimpulses über die Schmelztemperatur, die höher ist als die Kristallisationstemperatur, aufgeheizt und durch ein schnelles Abkühlen in den amorphen Zustand überführt wird. Nachteilig bei diesen Speicherbauelementen ist es, dass sowohl für den Schreib- als auch für den Löschvorgang hohe Stromdichten bzw. Wärmemengen notwendig sind.
Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Bauelement zur Verfügung zu stellen, das ein verbessertes, schnelleres und energiesparsameres Verarbeiten und/oder Speichern von Informationen gegenüber konventionellen Bauelementen ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Verarbeitung und/oder Speicherung von Informationen bereitzustellen, bei dem dieses Bauelement verwendet wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bauelement gemäß Hauptanspruch sowie durch Verfahren gemäß Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen. Dem erfindungsgemäßen, die obige Aufgabe lösenden Bauelement liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bestimmte Materialien durch äußere Einwirkung und zwar durch thermische (durch beispielsweise Phononen) und/oder optische Einwirkung von Photonen oder durch die Einwirkung einer Eingangsleistung in Form von opti schen, elektrischen, evaneszenten und/oder magnetischen Feldern oder durch mechanische Einwirkung, in ihren optischen Ausgangseigenschaften verändert werden. Diese Eigenschaft kann vorteilhaft für das Verarbeiten, Speichern und Auslesen von Informationen genutzt werden.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde daher ein Bauelement entwickelt, das als Träger von Informationen wenigstens ein optisch aktives Material umfasst, welches optisch erfassbare Eigenschaften aufweist, die durch äußere Einwirkung veränderbar sind.
Unter optisch aktiven Materialien werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Materialien verstanden, welche auf Grund äußerer Einwirkung in Form von beispielsweise thermischer Einwirkung oder optischer Einwirkung von beispielsweise Phononen und/oder Photonen oder durch die Einwirkung einer Eingangsleistung in Form von optischen, elektrischen, evaneszenten und/oder magnetischen Feldern oder auch durch mechanische Einwirkung in ihren optischen (Ausgangs) Eigenschaf ten so veränderbar sind, dass sie mit einer Veränderung ihrer optisch erfassbaren Eigenschaften, insbesondere mit einer Veränderung ihrer Transmissionseigenschaft und/oder Reflexionseigenschaft reagieren. Diese durch die äußere Einwirkung verursachten Veränderungen können beispielsweise einhergehen mit einer Veränderung der Struktur, insbesondere mit beispielsweise einer Veränderung der Konfiguration der Moleküle und Atome des optisch aktiven Materials zueinander, einer Veränderung der Zusammensetzung des Materials, der Atomumgebung und/oder einer Veränderung der Oxidationsstufe des Materials, wobei diese Veränderungen vorzugsweise, mit oder ohne äußere Einwirkung, reversibel sind.
Die optisch aktiven Materialien können sowohl als Feststoff, Gas und/oder Flüssigkeit vorliegen. Sie können sowohl organisch und/oder auch anorganisch sein.
Als optisch aktive Materialien eignen sich beispielswiese Materialien, die photo-, elektro-, magneto- und/oder piezochrom sind. Als Materialien, die vorzugsweise durch optische Einwirkung, beispielsweise durch Einwirkung einer minimalen Energie in Form eines einzelnen Photons, verändert werden können, können beispielhaft, jedoch nicht darauf begrenzt, folgende Verbindungen genannt werden:
Azo-Verbindungen, Stilbine, Azastilbine, Spiropyrane, Spirooxazine, Triarylmethane, Polymethine, Pyrrole, Hydrazine, Sydnones, Disulfide, Nitroso Dimere, und Quinone. Chalcogenid basierte Phasenwechselverbindungen: wie z.B. im GeTe-Sb2Te3 Materialsystem, Te-Ge-Sb-S Materialsystem, Ag-In-Sb-Te Materialsystem sowie die Phasenwechselmaterialien Sb(Bi,Au,As), Ge-Sb-Mn-Sn, Ge(ln, Ag, Sn)[1 ]; Oxide des Titan, Wolfram, Sulfide der Erdalkalimetalle, und Halogenide des Silber und Zink.
Die optische Einwirkung, insbesondere durch Photonen, kann nachfolgend auch eine thermische Einwirkung induzieren, indem sich beispielsweise die Photonen, insbesondere zum Beispiel in einem Signalübermittler, in Phononen, insbesondere Wärme, umwandeln und diese Wärme die Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials bewirkt.
Als Materialien, die vorzugsweise durch elektrische Einwirkung verändert werden können, können beispielhaft, jedoch nicht darauf beschränkt, folgende Verbindungen genannt werden:
Oxide des Wolfram, Iridium, Molybdän, Nickel, Vanadium, Cer, Chrom, Kobalt, Kupfer, Eisen, Mangan, Niob, Palladium, Praseodym, Rhodium, Ruthenium, konjugierte leitfähige Polymere, Metal-Polymere, i.e. Materialien mit zwei oder mehr Redox Zuständen und mit eindeutigen elektronischen Absorptionsspektren; Chalcogenid basierte Phasenwechselverbindungen: z.B. im GeTe-Sb2Te3 Materialsystem, und im Ag-In-Sb-Te Materialsystem; Materialien, die den elektro-optischen Kerr-Effekt zeigen und/oder die durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes die optischen Eigenschaften verändern. Materialien, die in der nichtlinearen Optik verwendet werden und/oder, die doppelbrechend sind : DAST Kristalle
(http://www.rainbowphotonics.com/prod dast.php), Flüssigkristalle [2], elektrooptische Kristalle wie LiNb03 und LiTaOs; Ge-Sb-Mn-Sn, Ge(ln, Ag, Sn). Als Materialien, die vorzugsweise durch magnetische oder magneto-optische Einwirkung verändert werden können, können bespielhaft, jedoch nicht darauf beschränkt, folgende Verbindungen genannt werden:
Kolloidal gelöste magnetische Nanopartikel wie Fe3C>4, Materialien, die den magnetooptischen Kerr-Effekt (MOKE) zeigen, wie z.B. verdünnte magnetische Halbleiter wie beispielsweise CdMnTe [3].
Als Materialien, die vorzugsweise durch mechanische Einwirkung (verwendet im Feld der Spannungsoptik) verändert werden können, können beispielhaft, jedoch nicht darauf beschränkt, folgende Verbindungen genannt werden:
Mechanochrome und speziell piezochrome Materialien wie Polyvinylchlorid, Fluorite.
Unter der Bezeichnung Transmission wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die Durchlässigkeit eines Materials für elektromagnetische Wellen (z.B. Licht) verstanden. Trifft eine elektromagnetische Welle, die sich beispielsweise im Medium A (z. B. Luft) bewegt, auf das Material B endlicher Dicke, so wird sie je nach den Stoffeigenschaften des Materials (insbesondere beispielsweise der Brechungsindex) B zum Teil an den Grenzflächen reflektiert und beim Durchqueren ganz oder teilweise absorbiert. Der verbleibende Rest wird durch das Material B transmittiert und tritt beispielsweise an der gegenüberliegenden Seite des Materials B wieder aus (Wi- kipedia). Ein Maß für die Bestimmung der Transmission kann der Transmissionsgrad T sein.
Der Transmissionsgrad 7, eine Materialeigenschaft, ist definiert als der Quotient zwischen der Wellenintensität / hinter und der Intensität Io vor dem Hindernis
[https://de.wikipedia.org/wiki/Transmission_(Physik)#cite_note-1]:
Der Transmissionsgrad 7" ist somit ein Maß für„durchgelassene“ Intensität und kann Werte zwischen 0 und 1 bzw. 100% annehmen.
Unter der Bezeichnung Reflexion wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Rückstrahlung von Licht an einer Grenzfläche, an der sich der Wellenwiderstand oder der Brechungsindex des Ausbreitungsmediums ändert, verstanden. Die Messung von Transmission und Reflexion kann getrennt erfasst werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dient aber vorzugsweise die Erfassung der Transmission der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe. Die Reflexion kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Bauelements unterdrückt werden, da diese wegen der damit verbundenen Verluste von Intensität zu einem Verlust der Effizienz des Bauelements führen kann.
So kann beispielsweise eine thermische Einwirkung, zum Beispiel in Form einer Lasereinstrahlung, eine optisch lesbare Änderung der Transmission, insbesondere beispielsweise eine Änderung des Absorptionskoeffizienten und/oder des Brechungsindex des optisch aktiven Materials erzeugen. Diese Änderung kann dann mit Hilfe einer Leseoperation mit optischen Analyseeinheiten z.B. als Einsen und Nullen und/oder Zwischenzuständen, die das Material einehmen kann, gelesen werden. Das optisch aktive Material als Speicherelement kann so z. B. in Position 1 und 0 sein und damit Bits der Informationen enthalten. So kann das optisch aktive Material die üblichen elektrisch gesteuerten Datenspeicher ersetzen. Durch eine vorteilhafte geometrische und räumliche Anordnung von einer und/oder von mehreren unterschiedlichen Schichten des optisch aktiven Materials im Bauelement kann beispielsweise eine bis zu einschließlich 100%ige Transmission eingestellt werden. Bei einer optischen Einwirkung - z.B. auch ausgelöst durch eine Photonenquelle, wie beispielsweise einen Laser - gibt es passend zur ausgewählten Wellenlänge des Lasers, Anti-Reflexionsschichten, die eingesetzt werden können, um eine Reflexion zu unterdrücken.
Erfindungsgemäß umfasst das Bauelement, im Folgenden synonym auch als Bauteil bezeichnet, mindestens einen Speicherbereich, synonym auch Funktionsbereich genannt, enthaltend optisch aktives Material, eine Steuerungsanordnung mit wenigstens einem Steuerungssignal zur Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials durch äußere Einwirkung, sowie Mittel zur Erfassung der Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials, umfassend einen Auswerteeingangsbereich mit wenigstens einem Auswerteeingangssignal und einen Auswerteausgangsbereich mit wenigstens einem Auswerteausgangssignal, wobei der Speicherbereich oder Funktionsbereich zwischen Auswerteeingangsbereich und Auswerteausgangsbereich angeordnet ist und die Steuerungsanordnung an den Speicherbereich oder Funktionsbereich angrenzt. Der Speicherbereich oder auch Funktionsbereich dienen beispielsweise dem Verarbeiten, Speichern, Übermitteln und/oder Weiterleiten der Informationen. Der Auswerteeingangsbereich und der Auswerteausgangsbereich können in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Bauele ments Signalübermittler umfassen. Das optisch aktive Material des Bauelements kann durch äußere Einwirkung, wie beispielsweise thermische, optische, elektrische, magnetische oder mechanische Einwirkung, wenigstens eines Mittels, insbesondere eines Steuerungssignals einer Steuerungsanordnung, in seinen optischen Eigenschaften so verändert werden, dass es zu einer optisch messbaren Veränderung der Transmissionseigenschaft kommt. Diese Veränderung kann vorzugsweise mit Hilfe des gegenüber dem Ausgangszustand veränderten Transmissionsgrads gemessen werden. Diese optisch lesbare Veränderung kann beispielsweise mit Hilfe von Photodetektoren, (Photodioden), erfasst und ausgewertet werden und beispielsweise über ein Interface in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
Die Veränderung der Transmissionseigenschaft kann dabei partiell oder komplett erfolgen. Dies ist abhängig von den eingestellten Parametern der Steuerungsanordnung. Eine Steuerung der Veränderung der Transmission kann zum Beispiel über die Parameter der Steuerungsanordnung erfolgen. Dies kann bei einer optischen Einwirkung beispielsweise über die Wellenlänge und die eingestrahlte Leistung Pin , die Dauer der eingestrahlten Leistung/Einwirkung, den Durchmesser des Laserstrahles, die Anzahl der Steuerungssignale und die geometrische Anordnung der Steuerungssignale gesteuert werden. Die verursachten Veränderungen der Transmissionseigenschaften sind vorzugsweise, mit oder ohne äußere Einwirkung, reversibel. Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Bauelements, bei der die Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials irreversibel ist, kann diese Ausgestaltung des Bauelements beispielsweise als nicht-flüchtiger Speicher verwendet werden.
Die Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials durch die Steuerungsanordnung, mit wenigstens einem Steuerungssignal, kann durch alle im Rahmen der aufgeführten möglichen äußeren Einwirkungen ausgelöst werden, wobei aber für jedes spezifische Bauteil jeweils immer nur eine äußere Einwirkungsart von der Steuerungsanordnung auf das optisch aktive Material ausgewählt und ausgeübt wird. Das wenigstens eine Steuerungssignal umfasst daher immer nur eine äußere Einwirkungsart, die auf den Speicherbereich einwirkt und zur Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials führt. Diese eine äußere Einwirkungsart kann dabei sowohl von wenigstens einem Steuerungssignal aber auch von mehreren Steuerungssignalen auf das optisch aktive Material des Spei cherbereichs übertragen sein. Die Steuerungsanordnung mit Mitteln, insbesondere wenigstens einem Steuerungssignal, zur Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials kann vorteilhaft wenigstens einen Signalübermittler zur Übermittlung des oder der Steuerungssignale umfassen, der dafür beispielsweise Mittel zum Transport des wenigstens einen Steuerungssignals aufweist, wobei diese Steuerungssignale eines jeweiligen Bauelements jeweils eine Form der äußeren Einwirkung aus der Gruppe von beispielsweise Photonen, Phononen oder jeweils eine Eingangsleistung in Form von optischen, evaneszenten, magnetischen oder elektrischen Feldern oder eine mechanische Einwirkung umfassen können, so dass für ein Bauelement jeweils immer nur eine der genannten Formen der äußeren Einwirkung, d.h. jeweils immer nur eine äußere Einwirkungsart für jeweils ein Bauele ment ausgewählt ist.
Dies kann bei der optischen Einwirkung beispielsweise ein optischer Leiter sein. Der Auswerteingangsbereich und der Auswerteausgangsbereich können dabei jeweils auch wenigstens einen Signalübermittler aufweisen. Diese optischen Leiter der Steuerungsanordnung, des Auswerteeingangsbereichs und/oder des Auswerteausgangsbereichs können beispielsweise Glasfasern, Wellenleiter (on chip) umfassen. Es ist jedoch auch möglich, dass bei einer optischen Einwirkung das die T ransmissi- onsveränderung auslösende Signal der Steuerungsanordnung direkt, vorzugsweise mit Hilfe einer optischen Apertur, auf das optisch aktive Material im Speicherbereich aufgebracht wird. Dies erfolgt bevorzugt in der Nah-Feld Anordnung. Aber auch im Auswerteeingangsbereich und Auswerteausgangsbereich kann eine direkte Einstrah lung des Auswerteeingangssignals bzw. direkte Auswertung des Auswerteausgangssignals ohne Signalübermittler erfolgen.
Im Allgemeinen ist es möglich, dass das Bauelement eine Steuerungsanordnung, einen Auswerteeingangsbereich und/oder einen Auswerteausgangsbereich auch ohne Signalübermittler aufweisen kann.
Bei einer mechanischen Einwirkung kann beispielsweise, mit oder ohne geeignete Signalübermittler der Steuerungsanordnung, ein Druck oder eine Verspannung auf das optisch aktive Material aufgegeben werden. Die Signalübermittler der Steuerungsanordnung können durch Weiterleiten und Übermitteln des wenigstens einen Steuerungssignals, in Form von beispielsweise Photonen, Phononen, magnetischen und/oder elektrischen Feldern, die Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials auslösen. Die Signalübermittler des Auswerteeingangs- und Ausgangsbereichs dienen z.B. dazu, die Transmission des Speicherbereichs mit dem optisch aktiven Material an eine Analyseeinheit für die Transmission zu erfassen und weiterzuleiten oder auch nur weiterzuleiten, um beispielsweise als Steuerungssignal oder Auswerteeingangssignal für ein weiteres Bauelement zu dienen. Das Signal am Auswerteausgangsbereich soll auch wenigstens ein weiteres Bauelement steuern können. Mehrere Bauelemente oder eine Anordnung aus mehreren Bauelementen können so beispielsweise parallel und/oder in Serie geschaltet, zu einem Schaltkreis, insbesondere optischen Schaltkreis, integriert werden. Diese Bauelement-Anordnungen können, hinsichtlich ihrer geometrischen Anordnung, eindimensional, zweidimensional und/oder dreidimensional sein und können dann an Rechen- oder Speicheroperationen beteiligt werden. Letzten Endes können Anordnungen von mehreren Bauteilen oder Bauelementen, insbesondere wenigstens zwei Bauelementen, zu optischen Prozessoren, arithmetisch logischen Einheiten, optischen Schaltern oder zu optischen Speichern, integriert werden, die beispielsweise nur von Photonen betrieben werden können.
Grundsätzlich könnten die Bauelemente auch zu Arrays oder Schaltmatrizen geformt sein. Ein Bauelement könnte ein Teil einer Anordnung sein und/oder ein Teil einer Recheneinheit und/oder ein Teil von Prozessoren.
Der Auswerteeingangsbereich, der Auswerteausgangsbereich und die Steuerungs anordnung können auch innerhalb des Bauelements ihre Funktion am optisch aktiven Material wechseln. Dadurch kann beispielsweise das Bauelement auch in verschiedenen Richtungen verwendet werden.
Signalübermittler der Steuerungsanordnung, sowie des Auswerteeingangsbereichs oder Auswerteausgangsbereichs, in Form von optischen Leitern, können mit einem Einstrahlwinkel, bzw. Ausstrahlwinkel im Falle des Auswerteausgangsbereichs, zwischen > 90° bis 180° auf die Oberfläche des optisch aktiven Materials im Speicherbereich einstrahlen bzw. aus der Oberfläche des optisch aktiven Materials im Falle des Auswerteausgangsbereichs heraustreten. Unter einem Einstrahlwinkel bzw. Aus strahlwinkel von 90° soll im Rahmen der Erfindung das senkrecht zur Oberfläche des optisch aktiven Materials eintretende bzw. austretende Signal verstanden werden. Signalübermittler mit einem Einstrahlwinkel bzw. Ausstrahlwinkel > 90° treffen daher, bezogen auf die senkrecht zur Oberfläche definierte 90°-
Einstrahlwinkel/Ausstrahlwinkel-Achse, schräg auf die Oberfläche des optisch aktiven Materials auf bzw. treten schräg aus der Oberfläche heraus. Durch den eingestellten Winkel, kann z.B. der Grad an Reflexion aber auch die Eindringtiefe im Material und damit der Grad der Transmission gesteuert werden.
Bei der Auswahl der geeigneten optisch aktiven Materialien und der Auswahl der dazu geeigneten Signalübermittler im Auswerteeingangsbereich zur Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials spielt das Transmissions spektrum des jeweiligen optisch aktiven Materials eine wesentliche Rolle. So weisen optische Leiter in Form von Glasfasern beispielswiese eine hohe Transmission bei Wellenlängen von z.B.1550 nm, 1300 nm und 850 nm auf. Bei der Auswahl von Glasfasern als Signalübermittler und der Auswahl eines dazu passenden optisch aktiven Materials sollte dieses Material vorteilhaft eine hohe Transmission (bei einem der Zustände, die es einnehmen kann) bei diesen genannten Wellenlängen aufweisen, um ein möglichst hohes Transmissionssignal zu erhalten. Je höher das Transmissionssignal ist, desto deutlicher und genauer ist es möglich, eine Veränderung des Transmissionssignals zu detektieren.
Das erfindungsgemäße Bauelement kann vorteilhaft wenigstens zwei unterschiedliche optisch aktive Materialien im Speicherbereich umfassen. Es ist weiterhin auch möglich, dass der Speicherbereich auch vier und mehr unterschiedliche Materialien umfasst. Unterschiedliche optisch aktive Materialien absorbieren unterschiedliche Wellenlängen und diese Wellenlängen bewirken dann unterschiedliche Änderungen in den Materialeigenschaften. Dies führt zu unterschiedlichen und oder diskreten Graden an Transmission. Sie werden auch unterschiedliche Wellenlängen des Auswerteeingangssignals unterschiedlich transmittieren. Für integrierte optische Schaltkreise werden vorteilhaft mehrere verschiedene Materialien eingesetzt. Diese können logisch miteinander verknüpft werden, unterschiedliche Funktionen darstellen und zu den gewünschten Algorithmen führen. Die unterschiedlichen Materialien sollten sich dabei in der Auswirkung der Eingangsleistung auf die optischen Eigenschaften, die den Grad der Transmission verändern, (z.B. unterschiedliche Absorptionskoeffizienten, Dicke und oder Phasenwechselpunkt) unterscheiden. So können beispielsweise Phasenwechsel Materialien (= PCM) eingesetzt werden, die bei unterschiedlicher Eingangsleistung des Steuerungssignals der Steuerungsanordnung unterschiedlich schnell schalten.
Die unterschiedlichen optisch aktiven Materialien können dabei beispielsweise vorteilhaft in einer Schichtstruktur aus übereinander oder nebeneinander angeordneten Stapelschichten angeordnet sein. Diese sind vorzugsweise nicht physisch voneinander getrennt. Dadurch können in einem Bauelement eine Vielzahl von unterschiedlichen optischen Materialien mit unterschiedlich veränderbaren spezifischen optischen Eigenschaften angeordnet werden, mit denen dann auch eine Vielzahl an Informationen (Bits) verarbeitet und/oder gespeichert werden kann. Die Schichtdicke des optisch aktiven Materials muss dabei so eingestellt werden, dass die jeweilige Transmission noch optisch messbar ist und auch eine Veränderung der Transmission durch Einwirkung der Mittel der Steuerungsanordnung noch optisch auswertbar bleibt. Die Transmission ist dabei auch abhängig von Materialeigenschaften des optisch aktiven Materials, wie beispielsweise Absorptionskoeffizienten des Materials und von geometrischen Parametern wie der Dicke des Materials.
Die jeweiligen Schichten der unterschiedlichen optischen Materialien in der
Schichtstruktur im Speicherbereich können senkrecht zur Strahlrichtung des Steuerungssignals angeordnet sein und/oder parallel zur Strahlrichtung des Steuerungssignals. Mit dieser vorteilhaften Anordnung kann eine weitere Signalsteuerung des Bauelements erreicht werden. Je nachdem, ob die Schichten früher oder später schalten, wird bestimmt, welche Region und bis zu welcher Schicht geschaltet wird. Durch diese vorteilhafte Anordnung der unterschiedlichen Materialien kann das Bauelement seine vielseitige Funktionalität und seine logische Funktion erfüllen.
Hinter dem Speicherbereich mit dem optisch aktiven Material, der der Strahlrichtung des optischen Leiters der Steuerungsanordnung gegenüber liegt, können reflektierende Mittel angeordnet sein. Auch dort können reflektierende Materialien angeordnet sein, wo der Auswerteeingangsbereich, der Auswerteausgangsbereich und die Steuerungsanordnung das optisch aktive Material nicht berühren. Die reflektierenden Mittel können beispielsweise ein metallischer Spiegel, Spiegel aus di-elektrischen Multi-Schichten, oder auch ein optisch aktives Material, das metallische Eigenschaften hat, sein. Durch diese reflektierenden Mittel kann das Signal der Steuerungsanordnung auf den Speicherbereich weniger Verluste erleiden. Da, wo der Auswer- teeingangsbereich und die Steuerungsanordnung den Speicherbereich berühren, können auch Anti-Reflexionsmittel angeordnet sein. Sie können zur effizienteren Signaleinkopplung in das optisch aktive Material dienen. Die anti-reflektierenden Mittel können beispielsweise Oxide und Nitride des Silizium sein. Die Steuerungsan ordnung und/oder der Auswerteeingangsbereich können in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Bauelements auch wenigstens zwei Signalübermittler aufweisen. Es ist auch möglich, dass 4 bis so viel wie technisch möglich Signalübermittler einge setzt werden. Hierdurch kann sowohl an einzelnen Stellen des Speicherbereichs ein Signal von der Steuerungsanordnung auf den Speicherbereich gegeben werden, als auch eine stufenweise oder serielle Signaleinstrahlung auf den Speicherbereich ausgeführt werden. Die Anzahl der Signalübermittler ist dabei abhängig von der erwünschten Funktion / Funktionalität des Bauelements und der Machbarkeit.
Der Auswerteeingangsbereich kann Signalübermittler zum Weiterleiten eines optischen Ausgangssignals umfassen, die beispielsweise Glasfaserkabel, Wellenleiter, Photonenstrahler, Laserstrahler sein können.
Im Nah-Feld Bereich kann jedoch auch auf Signalübermittler verzichtet werden.
Der Auswerteausgangsbereich kann Signalübermittler zur Detektion des optischen Ausgangssignals umfassen. Als Analyseeinheit im Auswerteausgangsbereich zur Detektion der veränderten optischen Eigenschaften können beispielsweise Photodetektoren, Photodioden, Polarimeter, Transmissionsmesser oder auch Spektrometer eingesetzt werden. Die gemessenen optischen Signale können dann beispielsweise über ein opto-elektrisches Interface in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Es können auch weitere Bauelemente oder Bauteile mit optisch aktiven Materialien das Signal aufnehmen und modulieren. Im Nah-Feld Bereich kann jedoch auch hier auf einen Signalübermittler verzichtet werden.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung an Hand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
Figur 1 : Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements
Figur 2a: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements, mit einem
Phasenwechselmaterial (PCM) als optisch aktives Mittel in Zustand„1“ Figur 2b: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements, mit einem
Phasenwechselmaterial (PCM) als optisch aktives Mittel in Zustand„2“
Figur 2c: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements, mit einem
Phasenwechselmaterial (PCM) als optisch aktives Mittel in Zustand„3“
Figur 3: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements gesteuert und ausgewertet durch optische Einwirkung von Photonen derselben Wellenlänge
Figur 4: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements gesteuert und ausgewertet durch optische Einwirkung von Photonen unterschiedlicher Wellenlänge
Figur 5a: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit einer
Schichtanordnung/Schichtstruktur unterschiedlicher optischer Materialien, die senkrecht zur Strahlrichtung der Steuerungsanordnung ausgerichtet ist
Figur 5b: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit einer
Schichtanordnung/Schichtstruktur unterschiedlicher optischer Materialien, die parallel zur Strahlrichtung der Steuerungsanordnung ausgerichtet ist
Figur 6: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit einem Mittel, welches das Steuerungssignal reflektiert
Figur 7a: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit zwei
Steuerungssignalen und zwei Signalübermittlern der Steuerungsanordnung und einem optisch aktiven Material
Figur 7b: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit zwei
Steuerungssignalen und zwei Signalübermittlern der Steuerungsanordnung und zwei unterschiedlichen optisch aktiven Materialien
Figur 8a: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit zwei
Auswerteeingangssignalen und zwei Signalübermittlern im Auswerteeingangsbereich
Figur 8b: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit zwei
Steuerungssignalen und zwei Signalübermittlern der Steuerungsanordnung und zwei Auswerteeingangssignalen und zwei Signalübermittlern im Auswerteeingangsbereich
Figur 8c: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit zwei
Steuerungssignalen und zwei Signalübermittlern der Steuerungsanordnung und zwei Auswerteeingangssignalen und zwei Signalübermittlern im Auswer- teeingangsbereich und einer Schichtanordnung/Schichtstruktur aus zwei unterschiedlichen optisch aktiven Materialien, deren Schichten jeweils senkrecht zur Strahlrichtung der Steuerungsanordnung ausgerichtet sind
Figur 8d: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit zwei
Steuerungssignalen und zwei Signalübermittlern der Steuerungsanordnung und zwei Auswerteeingangssignalen und zwei Signalübermittlern im Auswer teeingangsbereich und einer Schichtanordnung/Schichtstruktur aus zwei un terschiedlichen optisch aktiven Materialien, deren Schichten jeweils parallel zur Strahlrichtung der Steuerungsanordnung ausgerichtet sind
Figur 8e: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit zwei
Steuerungssignalen und zwei Signalübermittlern der Steuerungsanordnung und zwei Auswerteeingangssignalen und zwei Signalübermittlern im Auswerteeingangsbereich und einer Schichtanordnung/Schichtstruktur aus vier unterschiedlichen optisch aktiven Materialien
Bezugszeichenliste:
1 Steuerungsanordnung oder Steuerungseinheit
1 a Steuerungssignal zur Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials 4a
1 b Signalübermittler der Steuerungsanordnung 1
2 Auswerteeingangsbereich
2a Auswerteeingangssignal
2b Signalübermittler Auswerteeingangsbereich
3 Auswerteausgangsbereich
3a Auswerteausgangssignal
3b Signalübermittler des Auswerteausgangsbereichs
4 Speicherbereich
4a optisch aktives Material
5 reflektierende Mittel
6 Schichtanordnung oder Schichtstruktur aus optisch aktivem Material Figur 1 bis 8e zeigen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Bauelements in Schnittzeichnung.
Allen Figuren 1 bis 8e ist gemeinsam, dass das erfindungsgemäße Bauelement eine Steuerungsanordnung 1 umfasst, mit wenigstens einem Steuerungssignal 1 a zur Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials 4a sowie vorzugsweise wenigstens einen, jedoch nicht zwingend, Signalübermittler 1 b, einen an die Steuerungsanordnung 1 , im Folgenden synonym auch als Steuerungseinheit 1 bezeichnet, angrenzenden Auswerteeingangsbereich 2 mit wenigstens einem Auswerteeingangssignal 2a und vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, wenigstens einem Signalübermittler 2b, sowie einen Auswerteausgangsbereich 3 umfassend ein Auswerteausgangssignal 3a und vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, einen Signalübermittler 3b, wobei zwischen Auswerteeingangsbereich 2 und Auswerteausgangsbereich 3 sowie angrenzend an die Steuerungseinheit 1 mit dem das Steuerungssignal 1 a, der Speicherbereich 4 mit dem optisch aktiven Material 4a angeordnet ist.
Die grundsätzliche Funktionsweise des Bauelements soll wie folgt mit Hilfe von Figur 1 beschrieben werden. Zur Ermittlung der optischen Ausgangs-Eigenschaften bzw. des Grundsignals des Bauelements, wird im Auswerteeingangsbereich 2 zunächst ein Auswerteeingangssignal 2a in Form eines Lichtsignals (Laserstrahl, Laserpuls, eine Leuchtdiode, eine Photonenquelle auch eines einzelnen Photons), vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, durch einen Signalübermittler 2b, auf das optisch aktive Material 4a im Speicherbereich 4 gegeben und im Auswerteausgangsbereich 3, wird das Auswerteausgangssignal 3a vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, über einen Signalübermittler 3b erfasst und an eine Analyseeinheit, wie z. B. ein Spektrometer, eine Photodiode oder einen Photodetektor oder an eine weitere photonische Einheit weitergeleitet und die optische Ausgangs-Eigenschaft bestimmt.
Durch diese Verfahrensschritte kann vorzugsweise der Transmissionsgrad des Bauelements im Ausgangszustand bestimmt werden. Dieser Transmissionsgrad kann dann beispielsweise über ein Interface in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
Um die optische Eigenschaft des optisch aktiven Materials 4a im Speicherbereich 4 zu verändern und damit eine Information in den Speicherbereich 4 einzugeben, wird ein Steuerungssignal 1a, in Form einer der zuvor beispielhaft beschriebenen äußeren Einwirkungen, vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, über einen Signalübermittler 1 b auf den Speicherbereich 4 mit dem optisch aktiven Material 4a gegeben, wodurch es zur Veränderung der bereits zuvor näher beschriebenen Veränderungen der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials 4a kommt.
Zur Auswertung dieser veränderten optischen Eigenschaft bzw. der Veränderung z.B. des Transmissionsgrads, wird nun wieder ein Auswerteeingangssignal 2a durch den Auswerteeingangsbereich 2, vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, mittels eines Signalübermittlers 2b, auf das optisch aktive Material im Speicherbereich 4 gegeben und im Auswerteausgangsbereich 3 wird das Auswerteiausgangssignal 3a vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, über einen Signalübermittler 3b erfasst und an eine Analyseeinheit, wie z. B. Photodetektoren (Photodioden), ein Polarimeter, Transmissionsmesser, oder auch Spektrometer weitergeleitet. Hier wird dann der gegenüber dem Grundsignal in Form der optischen Ausgangs-Eigenschaft veränderte Transmissionsgrad des Bauelements bestimmt. Dieser Transmissionsgrad kann dann beispielsweise wieder über ein Interface in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
Das optisch aktive Material 4a im Speicherbereich 4 kann so beispielsweise in Zustand 0 (Grundsignal) und 1 (optisch verändertes Grundsignal) sein und damit Bits der Informationen enthalten. Der Informationsgehalt ist im hier vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form von Photonen enthalten. Figur 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements in Schnittzeichnung, bei dem das optisch aktive Material 4a im Speicherbereich 4 aus Phasenwechselmaterial (PCM) besteht.
In Figur 2a befindet sich das PCM beispielhaft in Zustand„1“ (PCM„1“). Das zu Zustand„1“ zugehörige Signal, in Form des gemessenen Grundsignals in Form des (Ausgangs-)Transmissionsgrads, wird zunächst, wie zu Figur 1 zuvor beschrieben, ermittelt.
Figur 2b zeigt als Fortsetzung zu Figur 2a ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit einem Phasenwechselmaterial (PCM) als optisch aktives Material 4a im Speicherbereich 4, wobei sich das PCM aus Figur 2a nunmehr in Zustand„2“ (PCM„2“) befindet. Hier wurde beispielsweise ein optisches Steuerungssignal 1 a, in Form von Einstrahlung einer bestimmten Infrarot-Wellenlänge, vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, über den Signalübermittler 1 b, in den Speicherbereich 4 geleitet, wodurch es zu einer Änderung der optischen Eigenschaft des PCM- Materials kommt. Das optische Steuerungssignal 1a führt in diesem Ausführungsbeispiel nicht zu einem kompletten Wechsel des amorphen Zustands des PCM Materials in den kristallinen Zustand oder umgekehrt, sondern nur zu einem partiellen Wechsel des Zustands des PCM Materials. Das Signal, das dem PCM Material in Zustand„2“ zugeordnet werden kann, kann wie schon zuvor für Figur 2a beschrieben ermittelt werden.
Figur 2c zeigt als Fortsetzung zu Figur 2a und 2b ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit einem Phasenwechselmaterial (PCM) als optisch aktives Material 4a im Speicherbereich 4, wobei sich das PCM aus Figur 2a nunmehr in Zustand„3“ (PCM„3“) befindet. Hier wurde beispielsweise ein optisches Steuerungssignal 1a, in Form von Einstrahlung einer bestimmten Infrarot-Wellenlänge in den Speicherbereich 4 geleitet, vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, wieder über den Signalübermittler 1 b der Steuerungseinheit 1 , wodurch es zu einer weiteren partiellen Änderung der optischen Eigenschaft des PCM-Materials kommt. Das Signal, das dem PCM Material in Zustand„3“ zugeordnet werden kann, kann, wie schon zuvor für Figur 2a beschrieben, ermittelt werden. Die Steuerung der Veränderung des optisch aktiven Materials 4a kann hier beispielsweise durch einen unterschiedli chen Leistungseintrag der Wellenlänge, eine unterschiedliche Pulsdauer oder auch eine unterschiedliche Eindringtiefe erreicht werden.
Die Ausgestaltung eines Bauelements umfassend Phasenwechselmaterial als optisch aktives Material 4a ist dabei im Ausgangszustand, nicht auf eine bestimmte Phase dieses Materials festgelegt, sondern kann beliebig gewählt werden.
Es können zum einen Phasenwechselmaterialien eingesetzt sein, bei denen das Steuerungssignal 1 a durch einen kurzen Puls mit hoher Energie eine Amorphisierung des kristallinen Zustands bewirkt oder ein langer Puls mit geringer Energie eine Kristallisation des Materials bewirkt. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, dass ein Phasenwechselmaterial eingesetzt ist, das sich genau umgekehrt verhält.
So wäre es beispielsweise möglich, dass in einem Fall ein kurzer Puls mit hoher Energie bei einem Material zu einer Amorphisierung und Zunahme der Transparenz (hohe Transmission nahe an 100%) führt und in einem anderen Fall ein kurzer Puls mit hoher Energie bei einem anderen Material zu einer Kristallisation und damit Abnahme der T ransparenz führt. Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem das optisch aktive Material 4a im Speicherbereich 4 durch optische Einwirkung von Photonen einer Wellenlänge l1 , ausgelöst vom Steuerungssignal 1 a der Steuerungseinheit 1 , verändert wird und die Auswertung des Signals mit derselben Wellenlänge l1 ausgewertet wird.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem das optisch aktive Material im Speicherbereich 4 durch äußere optische Einwirkung des Steuerungssignals 1 a in Form von Photonen einer Wellenlänge l2 verändert wird und die Auswertung des Signals mit einer unterschiedlichen Wellenlänge l1 ausgewertet wird. In einer komplexeren Anordnung von mehreren, wenigstens zwei, Bauelementen können auch mehrere unterschiedliche Wellenlängen l2 eingesetzt werden, wobei die Auswertung der Signale dann auch mit mehreren unterschiedlichen Wellenlängen l1 erfolgen kann.
Figur 5a zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem der Speicherbereich 4 eine Vielzahl 1 bis n unterschiedliche optisch aktive Materialien OAM-1 bis OAM-n umfasst, die in übereinander angeordneten Schichten zu einer Schichtstruktur 6 angeordnet sind, wobei die einzelnen Schichten jeweils senkrecht zur Strahlrichtung des Steuerungssignals 1 a der Steuerungsanordnung 1 ausgerichtet sind.
Figur 5b zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem der Speicherbereich 4 eine Vielzahl 1 bis n unterschiedliche optisch aktive Materialien OAM-1 bis OAM-n umfasst, die in nebeneinander angeordneten Schichten in einer Schichtstruktur 6 angeordnet sind, wobei die einzelnen Schichten jeweils parallel zur Strahlrichtung des Steuerungssignals 1a der Steuerungsanordnung 1 ausgerichtet sind.
Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem hinter dem Speicherbereich 4 mit dem optisch aktiven Material 4a eine Schicht 5 angeordnet ist, die das Steuerungssignal 1a, welches von der Steuerungseinheit 1 , vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, mit Hilfe des Signalübermittlers 1 b durch das optisch aktive Material 4a des Speicherbereichs 4 hineingeleitet und aus diesem wieder austritt, durch die Schicht 5 reflektiert wird und eine Signalverstärkung verursachen kann. Diese Schicht 5 kann die vom Steuerungssignal 1 a in den Speicherbe- reich 4 mit dem optisch aktiven Material 4a eingebrachte äußere Einwirkung, in Form von beispielsweise Photonen, Phononen oder anderen zuvor genannten äußeren Einwirkungen, zurück reflektieren, damit das Steuerungssignal 1a vorzugsweise ohne Verluste zur Veränderung der optischen Eigenschaften, z.B. zum Phasenwechsel, im optisch aktivem Material 4a führt. Als reflektierende Schicht 5 können Metalle wie Ag, Au, AI, Cu oder auch Spiegel aus di-elektrischen Multi-Schichten (z. B.
Bragg_Spiegel) eingesetzt werden, die passend zur Signal-Wellenlänge sind. Die reflektierende Fläche kann beispielsweise überall dort platziert sein, wo keine Signalübermittler das optisch aktive Material 4a berühren.
Figur 7a zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit zwei Steuerungssignalen 1a und zwei Signalübermittlern 1 b, die eine stufenweise oder diskrete Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials 4a im Speicherbereich 4 verursachen können. Als Beispiel für eine stufenweise oder diskrete Veränderung der optischen Eigenschaften eines optisch aktiven Materials können Phasenwechselmaterialien genannt werden, die Zwischenzustände zwischen kristallinem und amorphem Zustand annehmen können.
Gemäß Figur 7b kann im Vergleich zur Ausführung gemäß Figur 7a der Speicherbe reich 4 beispielsweise zwei unterschiedliche, optisch aktive Materialien, OAM-1 und OAM-2, umfassen. Dies sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel, zwei unterschiedliche PCMs, PCM1 und PCM2. Diese können unterschiedlich auf die von der Steuerungseinheit 1 abgegebenen Steuerungssignale 1a reagieren, sodass eine unterschiedliche, voneinander unabhängige Schaltung der einzelnen Materialien möglich wird. Durch diese Ausgestaltung kann beispielsweise eine logische Verknüpfung von Informationen gespeichert und verschaltet werden.
Figur 8a zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem die Auswertesignaleinheit 2 zwei Auswerteeingangssignale 2a mit zwei Signal übermittlern 2b umfasst, sodass der Speicherbereich 4 mit zwei unterschiedlichen Auswerteeingangssignalen 2a beaufschlagt werden kann, sodass das Signal im Speicherbereich 4 mit unterschiedlichen Signalen ausgewertet werden kann. Durch diese Ausgestaltung kann beispielsweise eine logische Verknüpfung von Informationen gespeichert und verschaltet werden. Figur 8b zeigt im Vergleich zur Figur 8a neben den zwei Auswerteeingangssignalen 2a mit zwei Signalübermittlern 2b, zwei Steuerungssignale 1a mit entsprechenden Signalübermittlern 1b, sodass das optisch aktive Material 4a nicht nur mit zwei unterschiedlichen Auswerteeingangssignalen 2a ausgewertet werden kann, sondern auch mit zwei unterschiedlichen Steuerungssignalen 1a verändert werden kann. Durch diese Ausgestaltung kann beispielsweise eine logische Verknüpfung von Informationen gespeichert und verschaltet werden
Figur 8c zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils oder Bauelements, bei dem gegenüber der in Figur 8b gezeigten Ausführung zusätzlich auch das optisch aktive Material 4a im Speicherbereich 4, aus zwei unterschiedlichen optisch aktiven Materialien, OAM-1 und OAM-2, zusammengesetzt ist. Diese beiden unterschiedlichen Materialien sind in einer Schichtanordnung oder
Schichtstruktur 6 angeordnet, wobei die beiden jeweiligen Schichten senkrecht zur Strahlrichtung der Steuerungssignale 1 a der Steuerungseinheit 1 ausgerichtet sind.
Figur 8d zeigt eine im Wesentlichen der Figur 8c ähnlich ausgestaltete Ausführung des erfindungsgemäßen Bauteils oder Bauelements, wobei hier im Unterschied zu Ausgestaltung nach Figur 8c, die beiden jeweiligen Schichten der unterschiedlichen optisch aktiven Materialien 4a aus den zwei unterschiedlichen optisch aktiven Materialien, OAM-1 und OAM-2 im Speicherbereich 4, parallel zur Strahlrichtung der Steuerungssignale 1a der Steuerungseinheit 1 ausgerichtet sind.
Figur 8e zeigt eine gegenüber den Ausführungen gemäß Figur 8c und 8d weitere Variante des erfindungsgemäßen Bauteils oder Bauelements, bei der im Unterschied zu den Ausgestaltungen in Figur 8c und 8d der Speicherbereich 4 unterschiedliche optisch aktive Materialien 4a, OAM-1 , OAM-2, OAM-3 und OAM-4, umfasst. Diese sind in einer Schichtanordnung oder Schichtstruktur 6 so angeordnet, dass jeweils zwei übereinander angeordnete unterschiedliche Materialien, OAM-1 und OAM-3 sowie OAM-2 und OAM-4, senkrecht zur Strahlrichtung der Steuerungssignale 1a der Steuerungseinheit 1 ausgerichtet sind.
Auch wenn die zuvor dargestellten Ausführungsbeispiele vorwiegend die Verände rung des optisch aktiven Materials 4a in Form von optischer äußerer Einwirkung beschreiben, so kann das optisch aktive Material 4a des Bauelements je nach Auswahl des optisch aktiven Materials 4a selbstverständlich auch mit allen anderen zuvor im Text genannten Möglichkeiten der äußeren Einwirkung in seinen optischen Eigenschaften verändert werden und das Bauelement auch mit Hilfe dieser äußeren Einwirkungen zum Verarbeiten und/oder Speichern von Informationen verwendet werden. Literatur:
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Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Bauelement, umfassend wenigstens
einen Speicherbereich (4) enthaltend optisch aktives Material (4a), eine Steuerungsanordnung (1 ) mit wenigstens einem Steuerungssignal (1 a) zur Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials (4a), sowie Mittel zur Erfassung der Veränderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials (4a), umfassend einen Auswerteeingangsbereich (2) umfassend wenigstens ein Auswerteeingangssignal (2a) und einen Auswerteausgangsbereich (3) umfassend ein Auswerteausgangssignal (3a), wobei der Speicherbereich (4) zwischen Auswerteeingangsbereich (2) und Auswerteausgangsbereich (3) ange ordnet ist und die Steuerungsanordnung (1) an den Speicherbereich (4) angrenzt.
2. Bauelement nach vorhergehendem Anspruch,
umfassend optisch aktives Material (4a), bei dem die Änderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials (4a) als Veränderung des Transmissionsgrads des optisch aktiven Materials (4a) optisch lesbar ist.
3. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Änderung der optischen Eigenschaften des optisch aktiven Materials (4a) reversibel ist.
4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das optisch aktive Material (4a) Material umfasst, welches photo-, elektro-, mag- neto- oder piezochrom ist.
5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das optisch aktive Material (4a) als Feststoff, Gas und/oder Flüssigkeit vorliegt.
6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend optisch aktives Material (4a), das durch äußere Einwirkung in Form von thermischer Einwirkung, optischer Einwirkung in Form von Phononen oder Photonen, durch Einwirkung einer Eingangsleistung in Form von optischen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder durch mechanische Einwirkung, in seinen optischen Eigenschaften veränderbar ist.
7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend optisch aktives Material (4a), das vorzugsweise durch optische Einwirkung in seinen optischen Eigenschaften veränderbar ist, enthaltend mindestens eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus Azo-Verbindungen, Stilbine, Azastilbine, Spiropyrane, Spirooxazine, Triarylmethane, Polymethine, Pyrrole, Hydrazine, Sydnones, Disulfide, Nitroso Dimere, Quinone, Chalcogenid basierte Phasenwechselverbindungen, insbesondere im GeTe-Sb2Te3 Materialsystem, Te- Ge-Sb-S Materialsystem oder Ag-In-Sb-Te Materialsystem, sowie Phasenwech selmaterialien, insbesondere Sb(Bi,Au,As), Ge-Sb-Mn-Sn, Ge(ln, Ag, Sn), sowie Oxide des Titan oder Wolfram, Sulfide oder Erdalkalimetalle, und Halogenide des Silber und Zink.
8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend optisch aktives Material (4a), das vorzugsweise durch elektrische Einwirkung in seinen optischen Eigenschaften veränderbar ist, enthaltend mindestens eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus Oxiden des Wolfram, Iridium, Molybdän, Nickel, Vanadium, Cer, Chrom, Kobalt, Kupfer, Eisen, Man- gan, Niob, Palladium, Praseodym, Rhodium, Ruthenium, der konjugierten leitfähigen Polymere, der Metal-Polymere, insbesondere Materialien mit zwei oder mehr Redox Zuständen und mit eindeutigen elektronischen Absorptionsspektren, der Chalcogenid basierten Phasenwechselverbindungen, insbesondere im GeTe- Sb2Te3 Materialsystem und im Ag-In-Sb-Te Materialsystem, der Materialien, die den elektro-optischen Kerr-Effekt zeigen und/oder die durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes die optischen Eigenschaften verändern, der Materialien, die in der nichtlinearen Optik verwendet werden und/oder, die doppelbrechend sind, insbesondere Dast-Kristalle, der Flüssigkristalle, der elektro-optischen Kristalle, wie insbesondere LiNb03 und LiTa03, Ge-Sb-Mn-Sn, und Ge(ln, Ag, Sn).
9. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend optisch aktives Material (4a), das vorzugsweise durch magnetische oder magneto-optische Einwirkung in seinen optischen Eigenschaften veränderbar ist, enthaltend mindestens eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus kolloidal gelösten magnetischen Nanopartikeln, wie beispielsweise Fe3Ü4 oder der Materialien, die den magneto-optischen Kerr-Effekt (MOKE) zeigen, wie beispielsweise verdünnte magnetische Halbleiter, insbesondere CdMnTe.
10. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend optisch aktives Material (4a), das vorzugsweise durch mechanische Einwirkung in seinen optischen Eigenschaften veränderbar ist, enthaltend mindestens eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus Mechanochromen, insbesondere Piezochromen, insbesondere Polyvinylchloride und Fluorite.
1 1. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Steuerungssignal (1a), das Auswerteeingangssignal (2a) und/oder das Aus werteausgangssignal (3a) direkt, vorzugsweise mit einer optischen Apertur, auf den Speicherbereich (4) einwirkt und/oder direkt aus dem Speicherbereich (4) aufgenommen ist.
12. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerungsanordnung (1 ) mit wenigstens einem Steuerungssignal (1a), wenigstens einen Signalübermittler (1 b) umfasst.
13. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Auswerteeingangsbereich (2) mit wenigstens einem Auswerteeingangssignal (2a), wenigstens einen Signalübermittler (2b) umfasst.
14. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerungsanordnung (1 ) und/oder der Auswerteeingangsbereich (2) jeweils wenigstens zwei Signalübermittler (1 b, 2b) umfasst.
15. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Auswerteausgangsbereich (3) mit wenigstens einem Auswerteausgangssignal (3a), wenigstens einen Signalübermittler (3b) umfasst.
16. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das der Signalübermittler (1 b, 2b, 3b) der Steuerungsanordnung (1), des Auswerteeingangsbereichs (2) und/oder des Auswerteausgangsbereichs (3) optische Lei- ter umfasst.
17. Bauelement nach vorhergehendem Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Signalübermittler (1b) der Steuerungsanordnung (1) mit einem Einstrahlwinkel zwischen > 90° bis 180° auf das optisch aktive Material (4a) des Speicherbereichs (4) auftrifft.
18. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sie im Auswerteausgangsbereich (3) als Analyseeinheit zur Detektion der verän derten optischen Eigenschaften Photodetektoren, Photodioden, Polarimeter, T ransmissionsmesser und/oder Spektrometer umfasst.
19. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend ein Interface, welches
das detektierte Signal im Auswerteausgangsbereich (3) in ein elektrisches Signal umwandelt.
20. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Signal des Auswerteausgangsbereichs (3) ein wenigstens ein weiteres Bauelement steuert.
21. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend wenigstens zwei unterschiedliche optisch aktive Materialien (4a).
22. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens zwei unterschiedlich optisch aktiven Materialien (4a) in einer Schichtstruktur (6) angeordnet sind.
23. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schichtstruktur (6) eine Vielzahl von Schichten unterschiedlicher optisch aktiver Materialien (4a) umfasst, die übereinander oder nebeneinander angeordnet sind.
24. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweiligen Schichten der Schichtstruktur (6) des optisch aktiven Materials (4a) senkrecht zur Strahlrichtung des Steuerungssignals (1 a) angeordnet sind oder parallel zur Strahlrichtung Steuerungssignals (1 a) angeordnet sind.
25. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
hinter dem Speicherbereich (4) mit dem optisch aktiven Material (4a), der dem Steuerungssignal (1 a) der Steuerungsanordnung (1 ) gegenüber liegt, und/oder hinter dem Auswerteeingangsbereich (2) und/oder dem Auswerteausgangsbereich (3) reflektierende Mittel (5) angeordnet sind.
26. Verfahren zur Verarbeitung und/oder Speicherung von Informationen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche eingesetzt wird.
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