RU2172975C2 - Optical logic element and optical logic facility - Google Patents

Optical logic element and optical logic facility Download PDF

Info

Publication number
RU2172975C2
RU2172975C2 RU99100330A RU99100330A RU2172975C2 RU 2172975 C2 RU2172975 C2 RU 2172975C2 RU 99100330 A RU99100330 A RU 99100330A RU 99100330 A RU99100330 A RU 99100330A RU 2172975 C2 RU2172975 C2 RU 2172975C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
optical logic
storage medium
logic element
material storage
Prior art date
Application number
RU99100330A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU99100330A (en
Inventor
Ханс Гуде Гудесен
Гейрр И. Лейстад
Пер-Эрик Нордаль
Original Assignee
Оптиком АСА
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 Оптиком АСА filed Critical Оптиком АСА
Priority to RU99100330A priority Critical patent/RU2172975C2/en
Publication of RU99100330A publication Critical patent/RU99100330A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2172975C2 publication Critical patent/RU2172975C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Optical Recording Or Reproduction (AREA)

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: proposed optical logic element includes optical material memory medium 1 that can transfer from one physical or chemical state to another physical or chemical state. Material memory storage 1 can be presented in or on stratified structure. Activator 2 generates magnetic, electromagnetic or electric field or applies energy to material memory medium 1. Optical detector for detection of optical response of material memory medium caused by physical or chemical state of material memory medium is presented in or close to substantially stratified structure. Thus optical logic element makes up one integrated unit. Optical logic facility incorporates at least one structure S composed of optical logic elements. EFFECT: simplified design and high transfer rate. 31 cl, 27 dwg, 4 tbl

Description

Изобретение касается оптического логического элемента, конкретно оптического логического элемента, имеющего несколько устойчивых состояний, и даже более конкретно непосредственно адресуемого оптического логического элемента, включающего оптический материальный носитель памяти, в котором, под влиянием приложенного магнитного, электромагнитного или электрического поля или подведенной энергии, материальный носитель памяти может переходить из одного физического или химического состояния во второе физическое или химическое состояние, где физическому или химическому состоянию назначено определенное логическое значение и где изменение в физическом или химическом состоянии логического элемента вызывает изменение в логическом значении и производится посредством обращения и адресации логического элемента магнитным способом, электромагнитно, электрически или оптически для записи, чтения, сохранения, стирания и коммутации назначенного логического значения. Изобретение также касается оптического логического устройства, особенно для сохранения данных или выполнения логических и арифметических операций, где устройство включает множество оптических логических элементов, особенно в котором оптические логические элементы являются оптическими логическими элементами, имеющими несколько устойчивых состояний, и даже более особенно - непосредственно адресуемыми оптическими логическими элементами, включающими оптический материальный носитель памяти, в котором, под влиянием приложенного магнитного, электромагнитного или электрического поля или подведенной энергии, материальный носитель памяти может переходить из одного физического или химического состояния во второе физическое или химическое состояние, где физическому или химическому состоянию назначено определенное логическое значение и где изменение в физическом или химическом состоянии логического элемента вызывает изменение в логическом значении и производится путем обращения и адресации логического элемента магнитным способом, электромагнитно, электрически или оптически для записи, чтения, сохранения, стирания и коммутации назначенного логического значения. The invention relates to an optical logic element, specifically an optical logic element having several stable states, and even more specifically directly addressable optical logic element, including an optical material storage medium, in which, under the influence of an applied magnetic, electromagnetic or electric field or energy supplied, a material medium memory can go from one physical or chemical state to a second physical or chemical state e, where a specific logical value is assigned to a physical or chemical state and where a change in the physical or chemical state of a logical element causes a change in a logical value and is performed by reversing and addressing the logical element magnetically, electromagnetically, electrically or optically to write, read, save, erase and switching the assigned logical value. The invention also relates to an optical logic device, especially for storing data or performing logical and arithmetic operations, where the device includes many optical logic elements, especially in which optical logic elements are optical logic elements having several stable states, and even more especially directly addressed optical logical elements, including an optical material storage medium, in which, under the influence of applied magnesium In the case of a certain electromagnetic, electric, or electric field or energy supplied, a material storage medium can transfer from one physical or chemical state to a second physical or chemical state, where a certain logical value is assigned to a physical or chemical state and where a change in the physical or chemical state of a logical element causes a change in logical value and is produced by reversing and addressing the logical element magnetically, electromagnetically, electrically or optically for writing, reading, saving, erasing and switching the assigned logical value.

Вообще изобретение касается нового класса оптикоэлектронных устройств, которые могут сохранять информацию и/или выполнять логические функции посредством оптического материального носителя памяти, который содержится в индивидуально адресуемых ячейках или элементах. Каждый элемент является независимой единицей и может быть объединен с подобными элементами, образуя большие агрегаты, обычно в форме плоских листов или слоев. Из последних могут быть сформированы терциарные структуры, например, при помощи расположения стопкой, для того чтобы сформировать оптические блоки памяти данных и оптические логические устройства с высоким отношением эффективности к объему. In general, the invention relates to a new class of optoelectronic devices that can store information and / or perform logical functions through an optical material storage medium that is contained in individually addressable cells or elements. Each element is an independent unit and can be combined with similar elements to form large aggregates, usually in the form of flat sheets or layers. From the latter, tertiary structures can be formed, for example, by stacking them in order to form optical data memory blocks and optical logic devices with a high efficiency to volume ratio.

Современные цифровые оптические технологии хранения данных были разработаны в ответ на постоянно расширяющиеся потребности в емкостях для хранения данных в компактном формате, и они в высшей степени успешно применялись в решениях, которые объединяют высокую поверхностную плотность данных с заменимостью и/или портативностью. Modern digital optical data storage technologies have been developed in response to the ever-expanding needs for data storage capacities in a compact format, and they have been highly successfully used in solutions that combine high surface density data with interchangeability and / or portability.

Определяющим шагом было использование малых, эффективных полупроводниковых лазеров, испускающих когерентный свет, который может быть сфокусирован почти что на площади, близкой к дифракционному пределу, таким образом обеспечивая, соответственно, высокую четкость и компактное распределение битов информации в среде, несущей данные. В реальных системах стоимость и пространственные ограничения логически привели к проекту, в котором лазерный луч сканирует по поверхности вращающегося диска, принимая последовательный поток битов, следуя оптическому направляющему треку под сервоуправлением. The decisive step was the use of small, efficient semiconductor lasers emitting coherent light, which can be focused almost on an area close to the diffraction limit, thus providing, respectively, high definition and compact distribution of information bits in a medium carrying data. In real systems, cost and spatial limitations have logically led to a project in which a laser beam scans the surface of a rotating disk, taking a consistent stream of bits, following an optical guide track under servo control.

Системы, основанные на этом универсальном проекте теперь были усовершенствованы до слоя, где плотность данных близка к теоретическому пределу, и дальнейшие усовершенствования, для того чтобы удовлетворить будущие запросы, не могут быть выполнены при помощи последовательных усовершенствований, как в прошлом. Systems based on this universal project have now been upgraded to a layer where the data density is close to the theoretical limit, and further enhancements, in order to satisfy future requests, cannot be accomplished with successive enhancements, as in the past.

Одно очевидное ограничение - это использование двумерного формата хранения данных. Даже при том, что поверхностная плотность данных высока, физические позиции битов ограничены плоской поверхностью на жесткой, самоподдерживающейся поверхности высокого механического качества, что ведет к относительно невпечатляющей объемной плотности данных. Недавно были опубликованы технические решения, в которых данные сохраняются в нескольких плоскостях на различной глубине под поверхностью диска. Различение между различными слоями возможно из-за очень малой глубины области, соответствующей точному фокусу, и этот принцип, как ожидается, будет развит, чтобы охватить до десяти плоскостей или слоев (см., например, Е.К. (подпись), "Stacking the decks for optical data storage". Optics and Photonics News, August 1994, p. 39). Оказывается, однако, что выгоды, полученные от использования многих слоев или уровней, частично нейтрализованы проблемами стоимости, также как и техническими компромиссами между числом слоев с одной стороны и достижимой поверхностной плотностью данных в каждом слое с другой стороны. Даже при выполнении в соответствии с требованиями, предъявляемыми далее, такие технологические решения испытывают недостаток потенциала устойчивого долгосрочного развития и усовершенствования. One obvious limitation is the use of a two-dimensional data storage format. Even though the surface density of the data is high, the physical positions of the bits are limited to a flat surface on a rigid, self-supporting surface of high mechanical quality, which leads to a relatively unimpressive bulk density of the data. Recently published technical solutions in which data is stored in several planes at various depths below the surface of the disk. Distinction between different layers is possible due to the very shallow depth of the region corresponding to the exact focus, and this principle is expected to be developed to cover up to ten planes or layers (see, for example, EK (signature), "Stacking the decks for optical data storage ". Optics and Photonics News, August 1994, p. 39). It turns out, however, that the benefits of using many layers or levels are partially offset by cost problems, as well as the technical trade-offs between the number of layers on the one hand and the achievable surface density of the data in each layer on the other. Even when executed in accordance with the requirements set forth below, such technological solutions lack the potential for sustainable long-term development and improvement.

Во многих случаях ограничения на время доступа и скорости передачи данных представляют намного более серьезный недостаток для вращающихся дисковых систем, чем вышеупомянутые ограничения на плотности данных и емкости. In many cases, restrictions on access time and data transfer rates represent a much more serious drawback for rotating disk systems than the aforementioned restrictions on data density and capacity.

В приложениях, где к файлам на диске нужно обращаться быстро в произвольной последовательности, сервомотор, фокусирующий лазер, должен быстро переместить оптический узел радиально из одной позиции на диске к другой. В правильной радиальной позиции движение по треку должно быть продолжено быстро, что включает выравнивания в двух измерениях, регулирование скорости вращения, установку синхронизации и нахождение и идентификацию заголовка файла. Эти электромеханические процедуры включают времена доступа, которые являются длинными, обычно 200 мс или больше. Были сделаны усилия, чтобы уменьшить время доступа, например, увеличивая скорость вращения диска, для того чтобы уменьшить время, принимаемое для вращательного выравнивания, и уменьшить вес управляемых сервомотором узлов для фокусировки и движения по треку. Усовершенствование в одной области, однако, приводит к ухудшениям в другой. Увеличение вращающей скорости усугубляет так называемый эффект "лучковой пилы", то есть быстрое ускорение и замедление скорости вращения, которое требуется, для того чтобы поддержать постоянную скорость сканирования пучка по поверхности диска при чередовании между треками на различных радиусах. Это - доминирующая причина латентного периода в оптических основанных на дисках системах поиска данных. Попытки устранить этот эффект, поддерживая постоянной скорость вращения независимо от радиальной позиции, приводят к уменьшению поверхностной плотности данных или повышению технической сложности. In applications where the files on the disk must be accessed quickly in random order, the servo motor focusing the laser must quickly move the optical node radially from one position on the disk to another. In the correct radial position, movement along the track should continue quickly, which includes alignment in two dimensions, speed control, setting synchronization and finding and identifying the file header. These electromechanical procedures include access times that are long, typically 200 ms or more. Efforts have been made to reduce access time, for example, increasing the speed of the disk, in order to reduce the time taken for rotational alignment, and to reduce the weight of the nodes controlled by the servo motor for focusing and moving along the track. Improvement in one area, however, leads to deterioration in another. An increase in rotational speed aggravates the so-called “beam saw" effect, that is, the fast acceleration and deceleration of the rotation speed, which is required in order to maintain a constant speed of scanning the beam along the surface of the disk when alternating between tracks at different radii. This is the dominant cause of the latency in optical disc-based data retrieval systems. Attempts to eliminate this effect by maintaining a constant rotation speed regardless of the radial position lead to a decrease in the surface density of the data or to an increase in technical complexity.

Не удивительно, что такие точные электромеханические оптические системы будут медленны во временных масштабах, которые являются типичными в чисто электронной области (микросекунды или менее), что, таким образом, препятствует использованию оптических дисковых устройств в качестве блоков памяти с прямым быстрым доступом в широком спектре областей применения, включая блоки памяти с прямым произвольным доступом (DRAM) для компьютеров и т.д. Значительные усилия были сделаны, чтобы устранить ахиллесову пяту таких устройств, а именно потребность в фокусировке и движении по треку без механической инерции. Варианты решения, которые были исследованы, включают оптоэлектронные дефлекторы, волноводы и дифракционные оптические элементы. До сих пор никакой технически и материально жизнеспособной системы этого характера не было продемонстрировано на практике и, кажется, не появится и в отдаленном будущем. Кроме того, проблема латентного периода, связанная с дисковым вращением не решается такими способами. It is not surprising that such precise electromechanical optical systems will be slow in time scales that are typical in a purely electronic field (microseconds or less), which thus prevents the use of optical disk devices as memory blocks with direct quick access in a wide range of areas Applications, including direct random access memory (DRAM) blocks for computers, etc. Significant efforts were made to eliminate the Achilles heel of such devices, namely the need for focusing and moving along the track without mechanical inertia. The solution options that have been investigated include optoelectronic deflectors, waveguides, and diffractive optical elements. So far, no technically and materially viable system of this nature has been demonstrated in practice and does not seem to appear in the distant future. In addition, the latency problem associated with disk rotation is not solved by such methods.

Во вращающихся дисковых системах биты информации читаются последовательно, поскольку лазерный луч сканирует вдоль трека, и скорость передачи данных явно зависит от скорости вращения и линейной плотности данных вдоль трека. В ряде приложений, типа интерактивной мультимедиа, скорость передачи является существенным критическим параметром современных оптических дисковых систем. При наличии почти оптимального кодирования и фокусировки данных, типичных для современных достижений в дисковой технологии, кажется, имеется немного доступных возможностей для увеличения скорости передачи данных. Одна возможность состоит в том, чтобы увеличить скорость вращения. Это было доведено в отдельных коммерческих системах до уровня, на котором стоимость и потребляемая мощность теперь привели к быстро уменьшающемуся доходу от дальнейшего увеличения скорости. Другая стратегия заключается в том, чтобы использовать отдельные лазерные лучи, адресующие отдельные, но параллельные треки на диске. Хотя число параллельных треков увеличивается, однако сложность и стоимость растут очень быстро, и такие схемы, кажется, лучше всего предназначены, чтобы обеспечить улучшения скорости, которых далеко не хватает для проектируемых будущих потребностей. In rotating disk systems, bits of information are read sequentially as the laser beam scans along the track, and the data transfer speed clearly depends on the speed of rotation and the linear density of the data along the track. In a number of applications, such as interactive multimedia, transmission speed is an essential critical parameter of modern optical disk systems. With nearly optimal coding and focusing of data typical of current advances in disk technology, it seems that there are few options available to increase data transfer rates. One possibility is to increase the rotation speed. This has been brought up in individual commercial systems to the point at which cost and power consumption have now led to rapidly decreasing revenue from a further increase in speed. Another strategy is to use separate laser beams addressing separate but parallel tracks on the disc. Although the number of parallel tracks is increasing, complexity and cost are growing very fast, and such schemes seem best designed to provide speed improvements that are far from enough for future design needs.

Вышеупомянутые недостатки были ясно осознаны в течение длительного времени, и были предложены и экспериментально исследованы другие схемы, наиболее значительно странично-ориентированная память и логические системы, основанные на голографической технологии. В дополнение к перспективному объемному хранению данных высокой плотности в трех измерениях, голографические системы могут быть адресованы в постраничном режиме, вследствие этого предлагая преимущества, которые присущи параллельности, такие как высокая скорость передачи. Быстрый произвольный доступ к данным посредством свободного от инерции оптоэлектронного устройства находится в процессе исследования. Кроме того, были исследованы логические операции типа высокоскоростной параллельной обработки для распознавания объектов. Было предсказано, что голографические блоки памяти могут быть стерты и перезаписаны неоднократно, объем данных от гига- до терабайтов может быть сохранен в объеме, сравнимом с кусочком сахара, давая времена произвольного доступа в диапазоне от микро- до наносекунд и скорости передачи данных до сотен Мбайт/с (см., например, D. Psaltis and F. Mok, "Holographic memories". Scientific American, November 1995, pp. 52-58). Подобная потенциальная эффективность была упомянута для других систем, основанных на конфокальных и мультилазерных (нелинейных) принципах адресации (см. , например, "The optical sugar cube", Photonics Spectra, September 1994, p. 50). The aforementioned shortcomings were clearly recognized for a long time, and other schemes, most significantly page-oriented memory and logical systems based on holographic technology were proposed and experimentally investigated. In addition to the prospective bulk storage of high-density data in three dimensions, holographic systems can be addressed page by page, thereby offering advantages that are inherent in parallelism, such as high bit rate. Fast random access to data through an inertia-free optoelectronic device is under investigation. In addition, logical operations such as high-speed parallel processing for object recognition were investigated. It was predicted that holographic memory blocks could be erased and rewritten repeatedly, the amount of data from gigabytes to terabytes could be stored in a volume comparable to a sugar cube, giving random access times ranging from micro- to nanoseconds and data transfer rates up to hundreds of MB / s (see, for example, D. Psaltis and F. Mok, "Holographic memories". Scientific American, November 1995, pp. 52-58). Similar potential efficacy has been mentioned for other systems based on confocal and multilaser (non-linear) addressing principles (see, for example, “The optical sugar cube”, Photonics Spectra, September 1994, p. 50).

Другим примером оптической системы хранения данных, основанной на страницах, который может быть упомянут, является международная патентная заявка N W096/21228 (Birge), озаглавленная "Branched photocycle optical memory device", которая открывает объемную оптическую память, которая сохраняет информацию с высокой плотностью в трех измерениях, избирательно активизируя фотохимическую ответвляющуюся реакцию из временного теплового промежуточного состояния в первичном фотоцикле в чувствительном к свету, основанном на белке, носителе памяти. В этом случае используется так называемый "листающий" лазер, чтобы активизировать плоский слой или страницу среды хранения данных на одной длине волны, и лазеры данных, которые передают на другой длине волны выбранные лучи данных, которые являются ортогональными к выбранному слою или странице. Однако эту технологию не просто осуществить в практических устройствах хранения данных, и она имеет некоторые значительные слабости. Для того чтобы получить высокую объемную плотность данных, листающий свет должен быть чрезвычайно интенсивен и однороден внутри очень узкого пространственного диапазона с резким пределом интенсивности. Это влечет за собой использование лазерного луча и относительно сложной оптики, для того чтобы формировать луч. Во-вторых, требуется очень точно управляемая последовательность освещения, включающая использование трех независимых длин волн. Оптимальное временное управление последовательностями зависит от температуры. В-третьих, скорости записи и чтения ограничены постоянными времени фотоцикла, что приводит к временам доступа в диапазоне миллисекунд. В-четвертых, чтение сохраненных данных уменьшит их контрастность на оптической среде памяти, что, таким образом, требует обновления после определенного количества, например, 1000 операций чтения. Another example of a page-based optical storage system that may be mentioned is the international patent application N W096 / 21228 (Birge), entitled "Branched photocycle optical memory device", which opens up a bulk optical memory that stores high density information in in three dimensions, selectively activating a photochemical branching reaction from a temporary thermal intermediate state in the primary photocycle in a light-sensitive, protein-based, storage medium. In this case, a so-called “flipping” laser is used to activate a flat layer or page of the data storage medium at one wavelength, and data lasers that transmit selected data rays at another wavelength that are orthogonal to the selected layer or page. However, this technology is not easy to implement in practical storage devices, and it has some significant weaknesses. In order to obtain a high bulk density of data, the scrolling light must be extremely intense and uniform within a very narrow spatial range with a sharp limit of intensity. This entails the use of a laser beam and relatively sophisticated optics in order to form a beam. Secondly, a very precisely controlled lighting sequence is required, including the use of three independent wavelengths. Optimal temporal sequence control is temperature dependent. Thirdly, the write and read speeds are limited by the photocyclic time constants, which leads to access times in the millisecond range. Fourth, reading the stored data will reduce its contrast on the optical memory medium, which, therefore, requires updating after a certain amount, for example, 1000 read operations.

В патенте Швеции N 501106 (Toth), озаглавленном "Optical memory", открыта оптическая память типа "запись однажды, чтение много раз", (типа WORM, Write-Once-Read-Many-Times), которая содержит запоминающий элемент с устойчивыми оптическими состояниями. Запоминающий элемент разделен на ряд позиций памяти, причем оптическое состояние в данной позиции памяти способно быть как измененным, так и прочитанным посредством луча света, направленного по направлению к позиции памяти. Память может быть полностью реализована без перемещаемых механических частей и имеет очень малое время адресации, позволяя создать память особенно высокой емкости. Эта память также позволяет осуществлять параллельную запись и чтение многоразрядных слов. Реальная среда памяти может быть представлена отдельными слоями или уровнями. Луч света тогда фокусируется на данной позиции памяти, и при использовании восьми слоев становится возможным сохранить один байт в каждой позиции памяти или x, y позиции. В проекте с 7х7 запоминающими ячейками, каждая по 1 см, может быть сохранено 9.8 Гбайт на восьми слоях, и скорость записи тогда будет 40 Мбайт/с. Считывание выполняется в режиме поглощения, что означает, что индивидуальные уровни должны иметь фиксированные различные толщины, чтобы сделать возможным различение между индивидуальными слоями в последовательности кодов. Это приводит, однако, к уменьшению объемной плотности хранения, так как число слоев увеличивается, и потребности в фокусировке луча света на позиции памяти, также как маневрирование лучом света в x, y направлениях, влекут за собой осложнения, связанные со стоимостью и технические. In Swedish patent N 501106 (Toth), entitled "Optical memory", an optical memory of the type "write once, read many times", (type WORM, Write-Once-Read-Many-Times), which contains a storage element with stable optical states. The storage element is divided into a number of memory positions, the optical state in a given memory position being able to be both changed and read by a beam of light directed towards the memory position. The memory can be fully implemented without moving mechanical parts and has a very short addressing time, allowing you to create memory of particularly high capacity. This memory also allows parallel writing and reading of multi-bit words. The actual memory environment can be represented by separate layers or levels. The light beam then focuses on a given memory position, and when using eight layers, it becomes possible to store one byte in each memory position or x, y position. In a project with 7x7 memory cells, each 1 cm long, 9.8 GB can be stored on eight layers, and the recording speed will then be 40 MB / s. Reading is performed in the absorption mode, which means that individual levels must have fixed different thicknesses in order to make it possible to distinguish between individual layers in a code sequence. This, however, leads to a decrease in bulk storage density, as the number of layers increases, and the need to focus the light beam on the memory position, as well as maneuvering the light beam in x, y directions, entail cost and technical complications.

Даже при том, что предложенные до настоящего времени технические решения могут показаться внушительными, в будущих коммерческих условиях такая эффективность должна оцениваться с точки зрения аппаратной стоимости, сложности системы и полного форм-фактора устройства. Основываясь на текущем современном состоянии, как оно показано в открытой литературе, кажется, что правильным является заключение, что голографические и другие странично-ориентированные системы или многослойные системы не приведут к перевороту в обозримом будущем в торговле, где требование компактности и низкой цены стоит на первом месте. Даже если компоненты и материалы станут доступны по приемлемой цене, фактически предложенные архитектуры, кажется, препятствуют действительно компактным решениям. Even though the technical solutions proposed so far may seem impressive, in future commercial conditions such efficiency should be evaluated in terms of hardware cost, system complexity and the complete form factor of the device. Based on the current current state, as shown in open literature, it seems that the conclusion is correct that holographic and other page-oriented systems or multilayer systems will not lead to a revolution in the foreseeable future in trade, where the requirement of compactness and low price is paramount location. Even if components and materials become available at an affordable price, the architectures actually proposed seem to hamper truly compact solutions.

Объект представленного изобретения должен, следовательно, преодолеть вышеупомянутые недостатки предшествующих методов и предложенных решений и предоставить оптический логический элемент, который может быть использован, для того, чтобы реализовать оптические блоки памяти, оптические логические и арифметические цепи, оптические переключатели и, кроме того, вообще, чтобы выполнить оптическое оборудование обработки данных с низкими стоимостью и технической сложностью, но с чрезвычайно высокой плотностью хранения, коротким временем доступа и очень высокой скоростью передачи. The object of the presented invention is therefore to overcome the above-mentioned disadvantages of the previous methods and proposed solutions and provide an optical logic element that can be used in order to realize optical memory blocks, optical logical and arithmetic circuits, optical switches, and, in addition, in general to perform optical data processing equipment with low cost and technical complexity, but with extremely high storage density, short access time dumb and very high speed transfer.

Другой целью изобретения является получить оптический логический элемент и оптическое логическое устройство, основанное на оптическом логическом элементе, где оптический логический элемент и оптическое логическое устройство являются структурно и функционально интегрированным узлом, причем существенные функции элемента и устройства все в основном реализованы в элементе или устройстве, включая функции такие, как доступ, адресация, активизация, коммутация и детектирование. Another objective of the invention is to obtain an optical logic element and an optical logic device based on an optical logic element, where the optical logic element and the optical logic device are structurally and functionally integrated node, and the essential functions of the element and device are all basically implemented in the element or device, including functions such as access, addressing, activation, switching and detection.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение реализации объемного хранения данных простым способом так, чтобы емкость памяти в основном зависела только от форм-фактора и стала обратно пропорциональна физическим размерам логического элемента. Another objective of the present invention is to provide the implementation of bulk data storage in a simple way so that the memory capacity mainly depends only on the form factor and becomes inversely proportional to the physical dimensions of the logical element.

Вышеупомянутые и другие цели достигнуты при помощи оптического логического элемента, отличительной особенностью которого является то, что материальный носитель памяти предоставляется в или на существенно слоистой структуре, что активатор, который генерирует магнитное, электромагнитное или электрическое поле или прикладывает энергию к материальному носителю памяти, предоставляется в или рядом с существенно слоистой структурой, и что оптический детектор для детектирования оптического ответа материального носителя памяти, обусловленного физическим или химическим состоянием материального носителя памяти, предоставляется в или рядом с существенно слоистой структурой, причем оптический логический элемент, таким образом, составляет интегрированный узел, состоящий из материального носителя памяти, активатора и детектора; наряду с оптическим логическим устройством, отличительной особенностью которого является то, что материальный носитель памяти предоставляется в или на существенно слоистой структуре, что активатор, который генерирует магнитное, электромагнитное или электрическое поле или прикладывает энергию к материальному носителю памяти, предоставляется рядом с существенно слоистой структурой, и что оптический детектор для детектирования оптического ответа материального носителя памяти, обусловленного физическим или химическим состоянием материального носителя памяти, предоставляется в или рядом с существенно слоистой структурой, причем оптический логический элемент, таким образом, составляет интегрированный узел, состоящий из материального носителя памяти, активатора и детектора, что устройство включает по меньшей мере одну структуру, сформированную оптическими логическими элементами, что оптический материальный носитель памяти, активатор и детектор в каждом логическом элементе в структуре объединены и связаны с материальным носителем памяти, активатором и детектором в окружающих логических элементах структуры, причем структура таким образом образует тело с плоской или искривленной поверхностью, причем каждый логический элемент в структуре имеет однозначное соответствие между материальным носителем памяти и активатором и соответствие между материальным носителем памяти и оптическим детектором для однозначного детектирования физического или химического состояния в материальном носителе памяти, таким образом давая возможность обращаться к каждому оптическому логическому элементу и адресовать каждый оптический логический элемент в структуре индивидуально. The above and other objectives are achieved by using an optical logic element, the distinguishing feature of which is that a material storage medium is provided in or on a substantially layered structure, that an activator that generates a magnetic, electromagnetic or electric field or applies energy to the material storage medium is provided in or next to a substantially layered structure, and that an optical detector for detecting an optical response of a material storage medium is caused by Nogo physical or chemical state material memory medium is provided in or adjacent to the substantially layered structure, the optical logic element thus constitutes an integrated unit consisting of the carrier material memory, the activator and the detector; along with an optical logic device, the distinguishing feature of which is that the material storage medium is provided in or on a substantially layered structure, that the activator that generates a magnetic, electromagnetic or electric field or applies energy to the material storage medium is provided next to the substantially layered structure, and that an optical detector for detecting the optical response of a material storage medium due to the physical or chemical state of the mat rial storage medium is provided in or near a substantially layered structure, the optical logic element thus constituting an integrated unit consisting of a material storage medium, activator and detector, that the device includes at least one structure formed by optical logic elements, which the optical material storage medium, activator and detector in each logical element in the structure are combined and connected with the material storage medium, activator and detector in the surrounding logical elements of the structure, the structure thus forming a body with a flat or curved surface, and each logical element in the structure has a unique correspondence between a material storage medium and an activator and a correspondence between a material storage medium and an optical detector for unambiguous detection of a physical or chemical state in material storage medium, thus making it possible to access and address each optical logic element each optical logical element in the structure is individual.

В предпочтительном воплощении оптического логического элемента материальный носитель памяти предоставляется в форме первого слоя, активатор предоставляется в форме второго слоя, прилегающего к первому слою, или предоставляется интегрированным в первом слое, и оптический детектор, который детектирует состояние в материальном носителе памяти, предоставляется в форме третьего слоя прилегающего к первому слою, причем оптический логический элемент, таким образом, образует интегрированный узел, состоящий из по меньшей мере трех или двух слоев соответственно. In a preferred embodiment of the optical logic element, the material storage medium is provided in the form of a first layer, the activator is provided in the form of a second layer adjacent to the first layer, or provided integrated in the first layer, and an optical detector that detects a state in the material storage medium is provided in the form of a third a layer adjacent to the first layer, the optical logic element thus forming an integrated node consisting of at least three or two loys respectively.

Кроме того, предпочтительно, чтобы активатор был составлен из одного или более непосредственно или опосредованно испускающих излучение устройств, причем испускающее излучение устройство предоставляется на или внедрено в основной материал второго слоя. Полезно, чтобы обращались в испускающему излучение устройству и адресовали его электрически. Также полезно, чтобы испускающее излучение устройство являлось светоизлучающим диодом, предпочтительно полимерным диодом. In addition, it is preferable that the activator was composed of one or more directly or indirectly emitting devices, and the emitting device is provided on or embedded in the base material of the second layer. It is useful that the device emitting radiation is addressed and addressed electrically. It is also useful that the radiation emitting device is a light emitting diode, preferably a polymer diode.

Кроме того, также предпочтительно, чтобы испускающее излучение устройство было настраиваемым по частоте, причем настройка частоты производилась бы в соединении с электрической адресацией. Кроме того, предпочтительно, чтобы оптический детектор был оптическим детектором с электрическим обращением и адресацией, и чтобы для электрического обращения и адресации как активатора, так и детектора, электроды и электрические проводники предоставлялись интегрированными во втором и третьем слое. Для этой цели предпочтительно, чтобы электроды и электрические проводники были основаны на электропроводящем полимерном материале. In addition, it is also preferable that the emitting device is frequency adjustable, the frequency being adjusted in conjunction with electrical addressing. In addition, it is preferable that the optical detector is an optical detector with electrical circulation and addressing, and that for electrical circulation and addressing of both the activator and the detector, the electrodes and electrical conductors are provided integrated in the second and third layer. For this purpose, it is preferable that the electrodes and electrical conductors be based on an electrically conductive polymer material.

В предпочтительном варианте воплощения оптического логического устройства материальный носитель памяти в каждом логическом элементе в форме первого слоя, активатор предоставляется в форме второго слоя, прилегающего к первому слою или предоставляется интегрированным в первом слое, и оптический детектор, который детектирует состояние в материалом носителе памяти, предоставляется в форме третьего слоя прилегающего к первому слою, причем оптический логический элемент, таким образом, образует интегрированный узел, состоящий из по меньшей мере трех или двух слоев соответственно, и каждый из слоев объединен и связан с соответствующим слоем в окружающих логических элементах структуры, таким образом образуя тело с плоской или искривленной поверхностью из связанных и взаимно прилегающих соответствующих слоев. In a preferred embodiment of the optical logic device, a material storage medium in each logic element in the form of a first layer, an activator is provided in the form of a second layer adjacent to the first layer or provided integrated in the first layer, and an optical detector that detects a state in the material of the storage medium is provided in the form of a third layer adjacent to the first layer, and the optical logic element thus forms an integrated node, consisting of at least at least three or two layers, respectively, and each of the layers is combined and connected with the corresponding layer in the surrounding logical elements of the structure, thus forming a body with a flat or curved surface from connected and mutually adjacent corresponding layers.

Каждая структура в оптическом логическом устройстве предпочтительно имеет форму тонкой гибкой пленки. Each structure in the optical logic device preferably has the form of a thin flexible film.

В особенно предпочтительном варианте воплощения изобретения оптическое логическое устройство включает две или более соединенных структуры, составленных в стопку на верхней части друг друга, причем оптическое логическое устройство, таким образом, образует чип- или диск-подобный узел, интегрированный из множества структур. In a particularly preferred embodiment of the invention, the optical logic device includes two or more connected structures stacked on top of each other, the optical logic device thus forming a chip or disk-like assembly integrated from a plurality of structures.

В варианте оптического логического устройства в соответствии с изобретением структура предпочтительно сконфигурирована полностью или частично как оптическая память, причем каждый оптический логический элемент в памяти составляет элемент памяти, к которому можно обращаться и адресовать его индивидуально. Во втором варианте оптического логического устройства в соответствии с изобретением структура предпочтительно частично сконфигурирована как оптические логические или арифметические цепи или сети таких цепей, причем каждый из оптических логических элементов в цепях составляет элемент коммутации, к которому можно обращаться и адресовать его индивидуально. В третьем варианте оптического логического устройства в соответствии с изобретением группы оптических логических элементов в структуре сконфигурированы как регистры памяти, логические регистры и арифметические регистры соответственно, причем каждый оптический логический элемент (ОЛЭ) в регистре и каждый регистр способен к тому, чтобы к нему обращались и адресовали его индивидуально, и таким способом, которым регистры могут быть совместно сконфигурированы как оптический процессор данных. Наконец, предпочтительно, чтобы в оптическом логическом устройстве обращение и. адресация логических элементов выполнялись через мультиплексные линии связи, выделенные для структуры. In an embodiment of the optical logic device in accordance with the invention, the structure is preferably configured in whole or in part as an optical memory, each optical logic element in the memory constituting a memory element that can be accessed and addressed individually. In the second embodiment of the optical logic device in accordance with the invention, the structure is preferably partially configured as optical logical or arithmetic circuits or networks of such circuits, each of the optical logic elements in the circuits constituting a switching element that can be accessed and addressed individually. In the third embodiment of the optical logic device in accordance with the invention, the groups of optical logic elements in the structure are configured as memory registers, logical registers and arithmetic registers, respectively, with each optical logic element (OLE) in the register and each register being able to be accessed and addressed it individually, and in such a way that the registers can be jointly configured as an optical data processor. Finally, it is preferable that in the optical logic device a reversal of and. Addressing of logical elements was performed through multiplex communication lines allocated for the structure.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения представлены ниже в формуле изобретения. Other features and advantages of the present invention are presented below in the claims.

Изобретение будет теперь объяснено более подробно посредством вариантов воплощений и со ссылками на сопровождающие чертежи. The invention will now be explained in more detail by way of embodiments and with reference to the accompanying drawings.

Фиг. 1а демонстрирует оптический логический элемент в соответствии с настоящим изобретением,
фиг. 1b и 1c демонстрируют функционирование оптического логического элемента как элемента двузначной логики,
фиг. 1d демонстрирует полевой транзистор с целью сравнения,
фиг. 2 демонстрирует предпочтительный вариант воплощения оптического логического элемента,
фиг. 3 демонстрирует второй предпочтительный вариант воплощения оптического логического элемента.
FIG. 1a shows an optical logic element in accordance with the present invention,
FIG. 1b and 1c demonstrate the operation of an optical logic element as a two-valued logic element,
FIG. 1d shows a field effect transistor for comparison purposes,
FIG. 2 shows a preferred embodiment of an optical logic element,
FIG. 3 shows a second preferred embodiment of an optical logic element.

фиг. 4 демонстрирует принцип работы материального носителя памяти в форме материала, захватывающего электроны,
фиг. 5a-d демонстрирует принцип работы материального носителя в форме чувствительного к свету конформационно-реагирующего материала, в этом случае бактериородопсина,
фиг. 6, 7 демонстрируют дальнейшие предпочтительные варианты воплощения оптического логического элемента на фиг. 1,
фиг. 8 демонстрирует особенно предпочтительный вариант воплощения оптического логического элемента на фиг. 1,
фиг. 9 демонстрирует спектральные свойства светоизлучающих полимерных диодов,
фиг. 10 является схематической иллюстрацией светоизлучающего полимерного диода,
фиг. 11 демонстрирует первый проект оптического логического устройства в соответствии с изобретением,
фиг. 12 демонстрирует второй проект оптического логического устройства в соответствии с изобретением,
фиг. 13 демонстрирует вариант оптического логического устройства на фиг. 11,
фиг. 14 демонстрирует второй вариант оптического логического устройства на фиг. 11,
фиг. 15 является схематической иллюстрацией проекта оптического логического устройства в разобранном виде на фиг. 14,
фиг. 16 демонстрирует развитие проекта оптического логического устройства в соответствии с изобретением, основанное на варианте на фиг. 14,
фиг. 17 является схематической иллюстрацией схемы адресации оптического логического устройства в соответствии с изобретением,
фиг. 18 демонстрирует шестнадцать булевых функций двух двоичных переменных, сгенерированных оптическим логическим устройством в соответствии с изобретением, и
фиг. 19 является схематической иллюстрацией параллельного алгоритма для четырехразрядного двоичного полного сложения для реализации на оптическом логическом устройстве в соответствии с изобретением.
FIG. 4 shows the principle of operation of a material storage medium in the form of a material capturing electrons,
FIG. 5a-d shows the principle of operation of a material carrier in the form of a light-sensitive conformationally reactive material, in this case bacteriorhodopsin,
FIG. 6, 7 show further preferred embodiments of the optical logic element in FIG. 1,
FIG. 8 shows a particularly preferred embodiment of the optical logic element in FIG. 1,
FIG. 9 shows the spectral properties of light emitting polymer diodes,
FIG. 10 is a schematic illustration of a light emitting polymer diode,
FIG. 11 shows a first design of an optical logic device in accordance with the invention,
FIG. 12 shows a second design of an optical logic device in accordance with the invention,
FIG. 13 shows an embodiment of the optical logic device of FIG. eleven,
FIG. 14 shows a second embodiment of the optical logic device of FIG. eleven,
FIG. 15 is a schematic illustration of a disassembled optical logic device design in FIG. 14,
FIG. 16 shows a development of a design of an optical logic device in accordance with the invention, based on the embodiment of FIG. 14,
FIG. 17 is a schematic illustration of an addressing scheme of an optical logic device in accordance with the invention,
FIG. 18 shows sixteen Boolean functions of two binary variables generated by an optical logic device in accordance with the invention, and
FIG. 19 is a schematic illustration of a parallel algorithm for four-bit binary complete addition for implementation on an optical logic device in accordance with the invention.

Фиг. 1а является схематическим рисунком предпочтительного варианта воплощения оптического логического элемента в соответствии с настоящим изобретением. Материальный носитель памяти 1 представляется в первом слое Л1, активатор 2, который может генерировать магнитное, электромагнитное или электрическое поле или поставлять энергию материальному носителю памяти 1, предоставляется в слое Л2 на одной стороне слоя Л1, в то время как детектор 3 предоставляется в слое Л3 на противоположной стороне слоя Л1. Слои Л1, Л2, Л3 могут полностью включать материальный носитель памяти 1, активатор 2 и детектор 3 соответственно, но можно также допустить, что слои Л1, Л2, Л3 могут быть сформированы из основного материала и что материальный носитель памяти 1, активатор 2 и детектор 3 соответственно встроены в него или предоставляются на нем.FIG. 1a is a schematic drawing of a preferred embodiment of an optical logic element in accordance with the present invention. The material storage medium 1 is represented in the first layer L 1 , the activator 2, which can generate a magnetic, electromagnetic or electric field or supply energy to the material storage medium 1, is provided in the layer L 2 on one side of the layer L 1 , while the detector 3 is provided in the layer L 3 on the opposite side of the layer L 1 . Layers L 1 , L 2 , L 3 can completely include the material storage medium 1, activator 2 and detector 3, respectively, but it can also be assumed that the layers L 1 , L 2 , L 3 can be formed from the main material and that the material storage medium 1, activator 2 and detector 3, respectively, are built into it or provided on it.

Фиг. 1b символически представляет функционирование оптического логического элемента ОЛЭ в соответствии с изобретением во время записи, чтения и детектирования логического состояния 0. В этом случае энергия прикладывается к материальному носителю памяти 1 в форме света первой длины волны α1, в то время как чтение выполняется поглощением света второй длины волны α2. Детектируемый свет, который указывает на логическое состояние 0, обозначен более коротким символом фотона, для того чтобы указать на уменьшение интенсивности из-за поглощения. Фиг. 1с является подобной схематической иллюстрацией режима работы оптического логического элемента ОЛЭ во время детектирования логического состояния 1, то есть когда никакого поглощения не происходит в материальном носителе памяти 1 в слое Л1. Фиг. 1d является схематическим рисунком n-канального мощного транзистора, для того чтобы указать на аналогию между оптическим логическим элементом в соответствии с настоящим изобретением и электронным коммутационным устройством. Поглощение света чтения для логических состояний 0 и 1 соответствует напряжению стока полевого транзистора Vd.FIG. 1b symbolically represents the operation of the optical logic element OLE according to the invention during recording, reading and detection of the logical state 0. In this case, energy is applied to the material storage medium 1 in the form of light of the first wavelength α 1 , while reading is performed by absorption of light second wavelength α 2 . Detected light, which indicates a logical state of 0, is indicated by a shorter photon symbol in order to indicate a decrease in intensity due to absorption. FIG. 1c is a similar schematic illustration of the operation mode of the optical logic element OLE during the detection of logical state 1, that is, when no absorption occurs in the material storage medium 1 in the layer L 1 . FIG. 1d is a schematic drawing of an n-channel high-power transistor in order to indicate an analogy between the optical logic element in accordance with the present invention and the electronic switching device. The absorption of read light for logical states 0 and 1 corresponds to the drain voltage of the field effect transistor Vd.

Фиг. 2 демонстрирует вариант воплощения, в котором в активатор 2 включены одно или более непосредственно или опосредованно испускающих излучение устройств 21,...,2n, которые представляются в слое Л2. На фиг. 2 испускающие излучение устройства 21,... предоставляются встроенными в материал слоя Л2, но они могли бы также предоставляться на слое Л2. В предпочтительном варианте воплощения слои Л1 и Л2 могут быть объединены, чтобы формировать общий слой Лс. Этот уровень будет тогда включать и материальный носитель памяти 1 и активатор 2 с испускающими излучение устройствами 21,.... Этот вариант может быть полезен, если активатор разрушается в течение записи в логический элемент ОЛЭ, и это может быть важно, если он должен образовать часть запоминающего устройства типов ROM или WORM и, следовательно, не предназначается для того, чтобы быть стертым и/или перезаписанным.FIG. 2 shows an embodiment in which one or more directly or indirectly emitting radiation devices 2 1 , ..., 2 n , which are represented in layer L 2 , are included in the activator 2 . In FIG. 2 radiation-emitting devices 2 1 , ... are provided embedded in the material of layer L 2 , but they could also be provided on layer L 2 . In a preferred embodiment, the layers L 1 and L 2 can be combined to form a common layer L c . This level will then include both the material storage medium 1 and the activator 2 with radiation-emitting devices 2 1 , .... This option can be useful if the activator is destroyed during writing to the OLE logical element, and this can be important if it should form part of a ROM or WORM type memory device and therefore is not intended to be erased and / or rewritten.

Оптический материальный носитель памяти 1 должен быть чувствительным к свету и быть способным существовать в двух или больше различных физических состояниях, как обозначено на фиг. 1b и 1с. Должно быть возможным определять эти материальные состояния посредством отклика состояний на падающий пробный свет или читающий свет. Логическое состояние можно определить, возбуждая активатор по-другому, например в соответствии с определенным протоколом чтения, в соответствии с чем материальный носитель памяти 1 отвечает на падающий свет зависящим от логического состояния оптическим пропусканием или излучением света. The optical material storage medium 1 must be light sensitive and able to exist in two or more different physical states, as indicated in FIG. 1b and 1s. It should be possible to determine these material states through the response of states to incident probe light or reading light. The logical state can be determined by exciting the activator differently, for example, in accordance with a specific reading protocol, whereby the material storage medium 1 responds to incident light by optical transmission or light emission depending on the logical state.

Основные свойства оптического логического элемента ОЛЭ явно зависят от характеристик записи/чтения материального носителя памяти. Изменения в материальном носителе памяти во время процесса записи могут быть необратимы, что приводит к оптическому логическому элементу, который реализует функции памяти типов ROM и WORM. Однако описание ниже будет сосредоточено на материальных носителях памяти, которые сохраняют информацию при выключении электропитания, но являются обратимыми, то есть они остаются в сгенерированном логическом состоянии пока на них не подействует записывающий, читающий или стирающий свет. Они могут, однако, быть стерты, уничтожены и перезаписаны много раз посредством облучения светом. Другая важная характеристика материального носителя памяти - может ли оно содержать многоуровневую информацию, то есть информацию, которая кодируется по серой шкале, или оно отвечает на протокол чтения двоичного характера, то есть или логическим состоянием 0 или 1. The main properties of the optical logic element OLE clearly depend on the characteristics of the recording / reading of the material storage medium. Changes in the physical storage medium during the recording process may be irreversible, which leads to an optical logic element that implements the memory functions of types ROM and WORM. However, the description below will focus on material storage media that retain information when the power is turned off, but are reversible, that is, they remain in the generated logical state until they are affected by recording, reading or erasing light. They can, however, be erased, destroyed and overwritten many times by exposure to light. Another important characteristic of a material storage medium is whether it can contain multilevel information, that is, information that is encoded on a gray scale, or whether it responds to a binary reading protocol, that is, either a logical state of 0 or 1.

Даже при том, что материальный носитель памяти 1, как описано выше, переводится из одного физического/химического состояния в другое под действием света, это не исключает использование в соответствии с изобретением других форм энергии, для того чтобы влиять на состояние материального носителя памяти. Может использоваться магнетизм, электромагнетизм или электронные поля или приложение энергии в форме высокой температуры. Это может оказаться уместным, если требуется проводить темновые реакции на стадиях процесса между логическими состояниями в материальном носителе памяти, например, применение высокой температуры для стирания информации или для генерации условий, благодаря которым падающий свет имеет эффект, например, применение электрического поля, чтобы сдвинуть полосу поглощения, если материальный носитель памяти является чувствительным к свету материалом, который поглощает на определенных длинах волн. Even though the material storage medium 1, as described above, is transferred from one physical / chemical state to another under the influence of light, this does not exclude the use of other forms of energy in accordance with the invention in order to influence the state of the material storage medium. Magnetism, electromagnetism or electron fields or the application of energy in the form of heat can be used. This may be appropriate if it is necessary to carry out dark reactions at the process stages between logical states in a material storage medium, for example, using high temperature to erase information or to generate conditions due to which incident light has an effect, for example, applying an electric field to shift the strip absorption, if the material storage medium is a light-sensitive material that absorbs at certain wavelengths.

Из обстоятельств, изложенных выше, становится очевидным, что оптический логический элемент в соответствии с изобретением получает основные свойства от материального носителя памяти. Два типа материальных носителей памяти будут теперь описаны, оба из которых обратимы, то есть они могут проходить более чем один раз через свои логические состояния, используя подходящие протоколы для записи, чтения и стирания. From the circumstances described above, it becomes apparent that the optical logic element in accordance with the invention receives the basic properties from a material storage medium. Two types of material storage media will now be described, both of which are reversible, that is, they can go through their logical states more than once, using suitable protocols for writing, reading and erasing.

Захватывающие электроны материалы обычно входят в число органических полупроводниковых материалов, которые легируются ионами редкоземельных элементов. Захватывающие электроны материалы могут быть использованы для сохранения данных с высокой плотностью и обеспечивают высокие передачу данных и скорости восстановления. Здесь можно сослаться на статью J. Lindmayer, "A new erasable optical memory". Solid State Technology, August 1988. Electron-capture materials are typically organic semiconductor materials that are doped with rare-earth ions. Electron capture materials can be used to store high density data and provide high data transfer and recovery rates. Reference may be made to an article by J. Lindmayer, "A new erasable optical memory". Solid State Technology, August 1988.

Общая иллюстрация режима работы захватывающих электроны материалов приведена на фиг. 4. Запись выполняется при помощи захвата, происходящего в энергетических уровнях E и T. Когда записывающий свет возбуждает атомы двух редкоземельных металлов, примененных как легирующие примеси, их электроны переходят на энергетический уровень E, который существует в обоих типах атомов, и впоследствии захватываются на уровне T, который существует только в одном из атомов. Воздействие света в ближней инфракрасной области спектра на уровень T переводит электроны в связывающую энергетическую зону, из которой они переходят в основное состояние, что приводит к стиранию данных. A general illustration of the mode of operation of electron-capture materials is shown in FIG. 4. Recording is performed using capture taking place at the energy levels E and T. When the recording light excites atoms of two rare-earth metals used as dopants, their electrons transfer to the energy level E, which exists in both types of atoms, and subsequently are captured at the level T, which exists in only one of the atoms. The influence of light in the near infrared region of the spectrum on the T level transfers electrons to the binding energy zone, from which they transfer to the ground state, which leads to data erasure.

Захватывающие электроны материалы могут иметь кристаллическую решетку основного вещества в форме щелочноземельных сульфидов, таких как CaS, SrS, MgS, или их смеси. Когда в качестве легирующих примесей использованы редкоземельные элементы европий и самарий, материальный носитель памяти поглощает входящий свет на 450-550 нм, благодаря чему ионы европия поглощают энергию фотона и передают часть ее ионам самария. Последние таким образом возбуждены до состояний захвата, называемых так потому, что эти состояния устойчивы, то есть ионы самария будут стабильны в течение очень долгого периода, пока не будут освобождены из захвата посредством поглощения соответствующих квантов энергии. Последнее будет иметь место, когда материальный носитель памяти будет облучен светом с длиной волны 850-1200 нм, таким образом стимулируя ионы самария в состоянии захвата, и высвобожденные электроны испускают свет с длиной волны 600-700 нм после возврата в основное состояние. Таким образом, в этом случае запись выполняется посредством облучения светом с длиной волны 450-550 нм, в то время как чтение выполняется облучением светом с длиной волны 850-1200 нм с одновременным детектированием флюоресценции на длинах волн 600-700 нм. Electron capture materials may have a crystalline lattice of the basic substance in the form of alkaline earth sulfides, such as CaS, SrS, MgS, or mixtures thereof. When the rare-earth elements europium and samarium are used as doping impurities, the material storage medium absorbs incoming light at 450-550 nm, due to which europium ions absorb the photon energy and transfer part of it to samarium ions. The latter are thus excited to capture states, so called because these states are stable, that is, samarium ions will be stable for a very long period, until they are released from capture by absorption of the corresponding energy quanta. The latter will take place when the material storage medium is irradiated with light with a wavelength of 850-1200 nm, thus stimulating samarium ions in the capture state, and the released electrons emit light with a wavelength of 600-700 nm after returning to the ground state. Thus, in this case, recording is performed by irradiation with light with a wavelength of 450-550 nm, while reading is performed by irradiation with light with a wavelength of 850-1200 nm with simultaneous detection of fluorescence at wavelengths of 600-700 nm.

Вместо захватывающего электроны материала, материальный носитель памяти мог бы быть конформационно-реагирующим материалом, особенно чувствительным к свету конформационно-реагирующим материалом, который может проходить через фотоцикл. Примерами таких материалов являются некоторые типы окрашенных белков. Белком этого вида, который был относительно хорошо изучен, является бактериородопсин, который встречается в мембране микроорганизма Halobacterium sallnarium. Для более подробного обсуждения свойств бактериородопсина с точки зрения оптического хранения данных следует сослаться на норвежскую патентную заявку N 972574, от которой настоящая заявка наследует дату приоритета и которая передана настоящему заявителю. Instead of electron-trapping material, a material storage medium could be a conformational-reactive material, especially a light-sensitive conformational-reactive material that can pass through a photocycle. Examples of such materials are some types of colored proteins. A protein of this species, which has been relatively well studied, is bacteriorhodopsin, which is found in the membrane of the microorganism Halobacterium sallnarium. For a more detailed discussion of the properties of bacteriorhodopsin from the point of view of optical data storage, reference should be made to Norwegian patent application N 972574, from which the present application inherits the priority date and which is transmitted to the present applicant.

Когда бактериородопсин поглощает свет, он проходит через фотоцикл, который генерирует промежуточные состояния с максимумами поглощения во всем видимом диапазоне электромагнитного спектра. Это иллюстрируется схематично на фиг. 1а, которая представляет фотоцикл бактериородопсина и указывает последовательность структурных изменений, которые вызываются светом. Индуцированные светом переходы или переходы возбуждения обозначены заштрихованными стрелками, в то время как не заштрихованные стрелки указывают переходы из-за тепловой релаксации. Зеленый свет преобразовывает основное состояние бактериородопсина bR в промежуточное состояние K, которое впоследствии релаксирует, образуя состояние М и затем состояние O. Время жизни состояния М зависит, помимо всего прочего, как от температуры, так и от использованного мутанта бактериородопсина. Если бактериородопсин в состоянии O подвергается воздействию красного света, происходит так называемая ответвляющаяся реакция. Состояние O переходит к состоянию P, которое быстро релаксирует в состояние Q, форму бактериородопсина, которая, как показано, является устойчивой в течение очень длительного периода. В различных мутантах бактериородопсина, которые включают остатки аспарагиновой кислоты 85 и 96, время жизни состояния Q может достигать нескольких лет. Если аспарагиновая кислота 85 заменена неполярной аминокислотой, такой как аспарагин, то образование устойчивого состояния М невозможно и первичный фотоцикл очень быстро образует состояние О (или промежуточное состояние, очень близкое к состоянию О) (R.R. Birge, Ann. Rev. Phys. Chem., 41, pp. 683-733 (1990)). Если, однако, бактериородопсин осветить в состоянии Q синим светом, он вернется в основное состояние bR. Если состояние О не освещено красным светом, в короткое время оно релаксирует обратно в основное состояние bR. Любым двум состояниям с длинным временем жизни можно теперь присвоить значения бинарной логики 0 или 1, таким образом позволяя сохранять информацию в молекулах бактериородопсина, которые находятся в одном или другом из этих состояний. When bacteriorhodopsin absorbs light, it passes through a photocycle that generates intermediate states with absorption maxima in the entire visible range of the electromagnetic spectrum. This is illustrated schematically in FIG. 1a, which represents a bacteriorhodopsin photocycle and indicates the sequence of structural changes that are caused by light. Light-induced or excitation transitions are indicated by shaded arrows, while unshaded arrows indicate transitions due to thermal relaxation. Green light converts the ground state of bacteriorhodopsin bR to an intermediate state K, which subsequently relaxes, forming state M and then state O. The lifetime of state M depends, among other things, both on temperature and on the bacteriorhodopsin mutant used. If bacteriorhodopsin in state O is exposed to red light, a so-called branching reaction occurs. State O transfers to state P, which quickly relaxes into state Q, a form of bacteriorhodopsin, which, as shown, is stable for a very long period. In various bacteriorhodopsin mutants, which include aspartic acid residues 85 and 96, the Q state can last for several years. If aspartic acid 85 is replaced by a non-polar amino acid, such as asparagine, then the formation of a stable state M is impossible and the primary photocycle very quickly forms an O state (or an intermediate state very close to O state) (RR Birge, Ann. Rev. Phys. Chem., 41, pp. 683-733 (1990)). If, however, the bacteriorhodopsin is illuminated in state Q with blue light, it will return to the ground state bR. If state O is not illuminated by red light, in a short time it relaxes back to the ground state bR. Binary logic values 0 or 1 can now be assigned to any two states with a long lifetime, thus allowing information to be stored in the bacteriorhodopsin molecules that are in one or the other of these states.

Фиг. 5b является диаграммой первичного фотоцикла бактериородопсина. Основные фотохимические преобразования, которые существенны для использования в оптическом логическом элементе в соответствии с настоящим изобретением, в основном обозначены в диаграмме последовательно, в направлении обхода диаграммы по часовой стрелке. bR обозначает основное состояние бактериородопсина, а большие буквы указывают на различные состояния в фотоцикле. Числа в скобках обозначают средние длины волн полос поглощения для различных состояний или разновидностей бактериородопсина в нанометрах. Переходы, которые произведены с помощью фотоиндуцированного возбуждения, обозначены hv и, по возможности, постоянными времени τv, в то время как переходы, которые происходят из-за тепловых реакций, обозначены постоянными времени τp для времени релаксации первого порядка при приблизительно комнатной температуре.FIG. 5b is a diagram of a primary bacteriorhodopsin photocycle. The basic photochemical transformations that are essential for use in the optical logic element in accordance with the present invention are generally indicated in the diagram sequentially, in the clockwise direction of the diagram. bR denotes the ground state of bacteriorhodopsin, and capital letters indicate different states in the photocycle. The numbers in parentheses indicate the average wavelengths of the absorption bands for different states or varieties of bacteriorhodopsin in nanometers. The transitions that are produced by photo-induced excitation are indicated by hv and, if possible, the time constants τ v , while the transitions that occur due to thermal reactions are indicated by the time constants τ p for the first-order relaxation time at approximately room temperature.

Освещение молекул бактериородопсина в основном состоянии или состоянии покоя bR светом с длиной волны около 570 нм производит возбужденное состояние K, которое имеет очень короткое время жизни. Как можно заметить, состояние K имеет полосу поглощения с центром на 600 нм, что означает, что, если эффективная ширина полосы простирается до более чем 600 нм при возбуждении из состояния bR, молекулы в состоянии K будут возвращаться к основному состоянию bR. Предполагается, однако, что этот переход имеет низкий квантовый выход, и так как состояние K неустойчиво и очень быстро переходит в состояние L, большинство молекул в состоянии K будет принуждены к участию в фотоцикле, даже при том, что некоторые молекулы будут возвращаться обратно в основное состояние bR. Промежуточное состояние М, которое имеет полосу поглощения с центром на 410 нм, будет в ходе короткого периода, приблизительно 1-3 мс, термально релаксировать к промежуточному состоянию N, которое в свою очередь термально релаксирует к промежуточному состоянию О. Как установлено, в различных вариантах бактериородопсина состояние М может иметь относительно длинное время жизни, до нескольких минут и, следовательно, могло бы, возможно, быть использовано, чтобы представлять одно из логических состояний O или 1, если архивное хранение в течение очень длительных периодов не существенно. В этом месте может быть упомянуто, что состояние М фактически состоит из двух состояний М1 и М2, которые имеют по существу идентичные спектры поглощения. Кроме того, во время предыдущих попыток при голографическом хранении данных в бактериородопсине посредством состояния М наблюдались постепенные потери чувствительности и контрастности, которые, как было впоследствии доказано, были обусловлены уменьшением числа активных молекул в течение ответвляющейся реакции, в связи с их переходом в состояние P и Q (R. R. Birge, частное сообщение, 1996). На диаграмме можно заметить, что состояние М возвращается в основное состояние, когда освещено светом с длиной волны около средней длины волны поглощения состояния М 410 нм. Свет с длиной волны около средней длины волны поглощения основного состояния bR, то есть 570 нм, однако, конечно не будет вынуждать переходы из состояния М обратно в состояние bR. Состояние О имеет среднюю длину волны поглощения 640 нм, и будет, следовательно, если его осветить светом с эффективной шириной полосы, с центром на этой длине волны, таким образом вызывая ответвляющуюся реакцию в фотоцикле, переходить в промежуточное состояние P, которое имеет относительно долгое время жизни, до нескольких минут. Состояние P будет термально релаксировать в наиболее устойчивое из промежуточных состояний фотоцикла, то есть в состояние Q, которое имеет время жизни, которое, вероятно, достигает нескольких лет. Состояние Q может следовательно быть использовано для представления логических состояний, которые должны поддерживаться в течение лет. Следовательно, помимо устойчивого основного состояния bR, состояние Q является состоянием, которое лучше всего подходит для того, чтобы бактериородопсин представлял собой носитель памяти в тех случаях, в которых оптический логический элемента в соответствии с изобретением должен использоваться в оптическом устройстве хранения данных, которое пригодно для архивного хранения. Illumination of the bacteriorhodopsin molecules in the ground or quiescent state of bR with light with a wavelength of about 570 nm produces an excited state K, which has a very short lifetime. As you can see, the K state has an absorption band centered at 600 nm, which means that if the effective bandwidth extends to more than 600 nm when excited from the bR state, the molecules in the K state will return to the ground state of bR. It is assumed, however, that this transition has a low quantum yield, and since the state K is unstable and very quickly transfers to state L, most of the molecules in state K will be forced to participate in the photocycle, even though some molecules will return back to the ground state bR. The intermediate state M, which has an absorption band centered at 410 nm, will thermally relax to the intermediate state N during a short period of about 1-3 ms, which in turn thermally relaxes to the intermediate state O. It has been established that in various cases bacteriorhodopsin state M can have a relatively long lifetime, up to several minutes and, therefore, could possibly be used to represent one of the logical states O or 1, if archival storage for hours Hb long periods is not essential. At this point, it can be mentioned that the state M actually consists of two states M1 and M2, which have essentially identical absorption spectra. In addition, during previous attempts at holographic storage of data in bacteriorhodopsin through state M, gradual loss of sensitivity and contrast were observed, which, as was subsequently proved, were caused by a decrease in the number of active molecules during the branching reaction, due to their transition to state P and Q (RR Birge, private communication, 1996). On the diagram you can see that the state M returns to the ground state when it is illuminated with light with a wavelength near the average absorption wavelength of the state M 410 nm. Light with a wavelength near the average absorption wavelength of the ground state bR, i.e., 570 nm, however, of course, will not force transitions from state M back to state bR. State O has an average absorption wavelength of 640 nm, and therefore, if it is illuminated with light with an effective bandwidth centered at this wavelength, thus causing a branching reaction in the photocycle, it will transition to the intermediate state P, which has a relatively long time life, up to a few minutes. State P will thermally relax to the most stable of the intermediate states of the photocycle, that is, to state Q, which has a lifetime that probably reaches several years. State Q can therefore be used to represent logical states that must be maintained over the years. Therefore, in addition to the stable ground state bR, state Q is the state that is best suited for bacteriorhodopsin to be a storage medium in those cases in which the optical logic element in accordance with the invention should be used in an optical data storage device that is suitable for archive storage.

Если состояние Q осветить синим светом с эффективной шириной диапазона, с центром на средней длине волны поглощения состояния Q 380 нм, состояние Q проходит в основное состояние bR, в то время как указание времени " > 1 года" указывает, что состояние Q также будет термально релаксировать в основное состояние bR, но с постоянной времени, которая в этом случае измеряется многими годами. Посредством поглощения света с эффективной шириной диапазона с центром около средней частоты поглощения состояния P 490 нм состояние P может возвратиться в состояние О. Кроме того, в нормальном фотоцикле состояние О термально релаксирует обратно в основное состояние bR с постоянной времени приблизительно 4 мс при комнатной температуре. If the Q state is illuminated with blue light with an effective bandwidth centered on the average absorption wavelength of the Q state of 380 nm, the Q state passes to the ground state bR, while the indication of the time "> 1 year" indicates that the Q state will also be thermal relax to the ground state bR, but with a time constant, which in this case is measured over many years. By absorbing light with an effective bandwidth centered around the average absorption frequency of the state P 490 nm, state P can return to state O. In addition, in a normal photocycle, state O thermally relaxes back to the ground state bR with a time constant of approximately 4 ms at room temperature.

Для дальнейшей визуализации фотоцикла бактериородопсина оно иллюстрируется графически на фиг. 5с. Внешний круг представляет ход фотоцикла в направлении по часовой стрелке, из одного состояния bR и далее через промежуточные состояния К, L, М, N и О обратно в основное состояние bR. Ответвляющаяся реакция фотоцикла представляется внутренней дугой окружности с состоянием P и Q, которые достигнуты из состояния О. Мета-стабильные состояния с относительно длинным временем жизни, то есть М, P и Q, показывается заштрихованными. Сектор круга представляет часть фотоцикла, которая включает состояния Q и bR, которые для целей изобретения должны рассматриваться как устойчивые. Фотоиндуцированные переходы в фотоцикле, которые имеют значение для представленного изобретения, обозначены пронумерованными стрелками. На диаграмме, кроме того, очень кратковременные промежуточные состояния, которые не имеют никакого значения для изобретения, опущены. То же самое используется в тех случаях, когда промежуточное состояние фактически составлено из отдельных состояний с приблизительно идентичными спектрами поглощения. For further visualization of the bacteriorhodopsin photocycle, it is illustrated graphically in FIG. 5s The outer circle represents the clock cycle of the photocycle, from one state bR and then through intermediate states K, L, M, N and O back to the ground state bR. The branching reaction of the photocycle is represented by an internal circular arc with the state P and Q, which are reached from state O. Meta-stable states with a relatively long lifetime, that is, M, P and Q, appear to be shaded. The circle sector represents a part of the photocycle that includes the Q and bR states, which for the purposes of the invention should be considered stable. Photoinduced transitions in the photocycle that are relevant to the present invention are indicated by numbered arrows. In the diagram, in addition, very short-term intermediate states that are not relevant to the invention are omitted. The same is used when the intermediate state is actually composed of separate states with approximately identical absorption spectra.

Спектры поглощения различных разновидностей или состояний бактериородопсина иллюстрированы на фиг. 5d, которая также указывает подходящие эффективные ширины диапазонов для
освещения разновидностей, для того чтобы произвести возбуждение в другое состояние. Можно заметить, например, что использование эффективной ширины диапазона с центром около приблизительно 600 нм будет воздействовать на состояния N, bR, К и О, но последствием такого освещения будет то, что по меньшей мере значительное количество молекул будет вынуждено перейти из bR в относительно стабильное состояние Q. Конечно возможно достигнуть того же самого результата, освещая основное состояние bR непрерывно импульсом света с центром на 570 нм, таким образом вынуждая состояние bR перейти к состоянию О, в то же время одновременно также длительно освещая бактериородопсин светом с центром на 640 нм, возможно после интервала в несколько миллисекунд, таким образом вынуждая состояние О переходить в состояние P. Применения этого способа будут обсуждены более подробно в следующем разделе. Из фиг. 5d можно также видеть, что возможно действительно возбудить состояние Q в основное состояние bR, освещая молекулы в состоянии Q светом около 380 нм или, например, с эффективной шириной диапазона 360-400 нм.
The absorption spectra of various varieties or conditions of bacteriorhodopsin are illustrated in FIG. 5d, which also indicates suitable effective range widths for
illumination of varieties in order to produce excitation in a different state. It can be noted, for example, that using an effective bandwidth centered around 600 nm will affect the N, bR, K, and O states, but the consequence of this illumination will be that at least a significant number of molecules will be forced to transition from bR to a relatively stable state Q. Of course, it is possible to achieve the same result by illuminating the ground state bR continuously with a light pulse centered at 570 nm, thus forcing the state bR to go to state O, while at the same time also By illuminating bacterioriorhodopsin with light centered at 640 nm, it is possible after an interval of several milliseconds, thus forcing state O to transition to state P. Applications of this method will be discussed in more detail in the next section. From FIG. 5d, it can also be seen that it is possible to actually excite the Q state to the ground state bR by illuminating the molecules in the Q state with light of about 380 nm or, for example, with an effective bandwidth of 360-400 nm.

Материальный носитель памяти 1 может также быть флуоресцентным, то есть будучи возбужден активатором 2, материальный носитель памяти 1 испускает флуоресцентный свет, который детектируется детектором 3. Другими словами детектирование происходит при излучении. Использование флуоресцентных веществ для сохранения данных известно специалистам в данной области, в дополнение к тому, что оно продемонстрировано в патентной литературе, и следовательно любое дальнейшее описание будет избыточным. The material storage medium 1 may also be fluorescent, that is, when excited by the activator 2, the material storage medium 1 emits a fluorescent light that is detected by the detector 3. In other words, the detection occurs upon emission. The use of fluorescent substances for storing data is known to those skilled in the art, in addition to being demonstrated in the patent literature, and therefore any further description will be redundant.

Различные предпочтительные воплощения оптического логического элемента в соответствии с изобретением будут теперь обсуждены более подробно. Various preferred embodiments of the optical logic element in accordance with the invention will now be discussed in more detail.

Фиг. 6 иллюстрирует оптический логический элемент ОЛЭ, снабженный электродами 4,4' или электрическими проводниками 5,5' для электрического обращения и адресации активатора 2 и оптического детектора 3 соответственно. Для этой цели электроды 4,4' или электрические проводники 5,5' предоставляются интегрированными во втором и третьем слоях Л2, Л3 соответственно. Как электроды 4,4', так и электрические проводники 5,5' могут предпочтительно быть основаны на электрически проводящем полимерном материале. Если электрические проводники 5,5' размещены во взаимно ортогональном положении на каждой стороне слоев Л1, Л3 соответственно, то становится возможным реализовать электроды 4,4' как точки пересечения соответствующих ортогонально размещенных электрических проводников 5,5'. Кроме того, можно предоставить еще один слой, прилежащий к первому слою Л1 или интегрированный в нем, как показано на фиг. 7, для генерации электрического поля. Это может быть достигнуто, если слой Л4 сделан из ферроэлектрических, оптоэлектрических или подобных материалов, причем сгенерированное электрическое поле затем используется, чтобы влиять на отклик оптического материального носителя памяти 1 в интервале времени, интервале частоты или интервале напряженности. В качестве примера этого можно сослаться на вышеупомянутый патент Швеции N 501106, где фотопроводящий уровень с опторезестивными свойствами предоставляется между материальным носителем памяти и матрицей электродов соответственно на одной стороне материального носителя памяти. Это позволяет, например, избирательно приложить электрическое поле к оптическому логическому элементу, если активатор является испускающим излучение устройством, при помощи одновременного приложения электрического управляющего напряжения между слоем Л1 и электродом 4.FIG. 6 illustrates an optical logic element OLE equipped with 4.4 'electrodes or 5.5' electrical conductors for electrical circulation and addressing of activator 2 and optical detector 3, respectively. For this purpose, 4.4 'electrodes or 5.5' electrical conductors are provided integrated in the second and third layers L 2 , L 3, respectively. Both the 4.4 'electrodes and the 5.5' electrical conductors may preferably be based on an electrically conductive polymer material. If the electrical conductors 5.5 'are arranged in a mutually orthogonal position on each side of the layers L 1 , L 3, respectively, it becomes possible to realize the electrodes 4.4' as the intersection points of the corresponding orthogonally placed electrical conductors 5.5 '. In addition, it is possible to provide another layer adjacent to or integrated into the first layer L 1 , as shown in FIG. 7, to generate an electric field. This can be achieved if the layer L 4 is made of ferroelectric, optoelectric or similar materials, and the generated electric field is then used to influence the response of the optical material storage medium 1 in a time interval, frequency interval or tension interval. As an example of this, reference can be made to the aforementioned Swedish patent N 501106, where a photoconductive level with optically resistive properties is provided between the material storage medium and the electrode array respectively on one side of the material storage medium. This allows, for example, to selectively apply an electric field to the optical logic element, if the activator is a radiation-emitting device, by simultaneously applying an electrical control voltage between the layer L 1 and the electrode 4.

Испускающее излучение устройство 2 может также быть полупроводниковым лазером, в форме, например, диодного лазера в слое Л2 между электродами 4,4'. Может быть предоставлено множество испускающих излучение устройств 21, . . . , 2n, как показано на фиг. 2, причем в этом случае они могут быть размещены так, чтобы испускать на различных заранее выбранных частотах, например, с помощью диодных лазеров с определенными характеристиками излучения.The radiation emitting device 2 may also be a semiconductor laser, in the form of, for example, a diode laser in the layer L 2 between the electrodes 4,4 '. Many radiation emitting devices 2 1 , can be provided. . . , 2 n , as shown in FIG. 2, and in this case, they can be placed so as to emit at various pre-selected frequencies, for example, using diode lasers with certain radiation characteristics.

Испускающее излучение устройство 2 может также быть опосредовано испускающим излучение устройством, причем в этом случае оно должно быть способно к активации внешним источником излучения 2', который не показывается более подробно. Внешний источник излучения этого вида нужно предоставлять снаружи оптического логического элемента ОЛЭ, и если оптические логические элементы объединены, образуя двумерную матрицу, составляющую оптическое логическое устройство ОЛУ, это можно сделать, поместив источник излучения на крае матрицы и снаружи ее, причем в этом случае слой Л1 должен быть способен действовать как волновод, который проводит свет через прозрачный материал слоя Л1 к опосредовано испускающему излучение устройству. Такой, имеющий форму слоя, оптический волновод Л2 может быть реализован по аналогии с полосковыми несимметричными линиями передачи или оптоволоконными волноводами и, следовательно, не будет здесь далее обсуждаться.The radiation emitting device 2 can also be mediated by the radiation emitting device, in which case it should be capable of being activated by an external radiation source 2 ', which is not shown in more detail. An external source of radiation of this kind must be provided outside the optical logic element of the OLE, and if the optical logic elements are combined to form a two-dimensional matrix constituting the optical logic device of the OLU, this can be done by placing the radiation source on the edge of the matrix and outside it, and in this case, layer Л 1 must be able to act as a waveguide that conducts light through the transparent material of layer L 1 to an indirectly emitting device. Such a layer-shaped optical waveguide L 2 can be implemented by analogy with strip asymmetric transmission lines or fiber optic waveguides and, therefore, will not be further discussed here.

Желание обеспечить непосредственно адресуемое логическое устройство, основанное на непосредственно адресуемых логических элементах, однако, делает в общем случае предпочтительным использование непосредственно испускающего излучение устройства 2, предоставленного в слое Л2.The desire to provide a directly addressable logic device based on directly addressable logic elements, however, makes it generally preferred to use the directly emitting device 2 provided in layer L 2 .

В этом случае испускающее излучение устройство 2 может быть светоизлучающим диодом, и особенно предпочтительными для этой цели являются органические светоизлучающие диоды, основанные на сопряженных полимерах. Такие светоизлучающие полимерные диоды описаны в международной патентной заявке N W0 95/31515, озаглавленной "Colour source and method for its fabrication", на которую настоящий заявитель приобрел права и которая таким образом включена в качестве ссылки. Светоизлучающие полимерные диоды этого типа могут испускать свет на нескольких длинах волн посредством изменения рабочего напряжения диода. Диоды могут испускать свет на различных длинах волн, например в основном красный при низком рабочем напряжении и синий при более высоком рабочем напряжении, в то время как при промежуточных напряжениях может быть получена остановка излучения как красного, так и синего, при изменении интенсивностей. Диоды могут быть изготовлены в виде тонкой полимерной пленки с областями сопряженных полимеров с толщиной несколько десятков нанометров, причем размер отдельных диодов не намного больше. Интегрированные в качестве испускающего излучения устройства в оптический логический элемент, следовательно, они будут совместимы с оптическими логическими элементами ОЛЭ подобного размера. In this case, the radiation emitting device 2 may be a light emitting diode, and organic light emitting diodes based on conjugated polymers are particularly preferred for this purpose. Such light emitting polymer diodes are described in international patent application N W0 95/31515, entitled "Color source and method for its fabrication", to which the present applicant has acquired rights and which is hereby incorporated by reference. Light emitting polymer diodes of this type can emit light at several wavelengths by changing the operating voltage of the diode. Diodes can emit light at different wavelengths, for example, mainly red at a low operating voltage and blue at a higher operating voltage, while at intermediate voltages, a stop of emission of both red and blue can be obtained when the intensities change. Diodes can be made in the form of a thin polymer film with regions of conjugated polymers with a thickness of several tens of nanometers, and the size of individual diodes is not much larger. Integrated as an emitting device into an optical logic element, therefore, they will be compatible with optical logic elements of an OLE of a similar size.

Фиг. 8 демонстрирует оптический логический элемент в соответствии с изобретением, реализованный как непосредственно адресуемый оптический логический элемент. Материальный носитель памяти 1, который в этом случае может, например, быть конформационно-реагирующим, чувствительным к свету материалом, таким как бактериородопсин, образует уровень Л1.FIG. 8 illustrates an optical logic element in accordance with the invention, implemented as a directly addressable optical logic element. The material storage medium 1, which in this case, for example, can be a conformationally responsive, light-sensitive material, such as bacteriorhodopsin, forms the level L 1 .

Поблизости к чувствительному к свету материалу 1 или структуре Л1, в слое Л2 предоставляются эмиттеры или источники света 2, предпочтительно в форме светоизлучающих полимерных диодов. Светоизлучающий полимерный диод 2 снабжается рабочим напряжением VE с помощью двух электродов 4,4', которые связаны с источником питания 6. Светоизлучающий полимерный диод 2 предоставляется прилегающим к чувствительному к свету материалу 1, то есть бактериородопсину, который должен проходить через фотоцикл. Это означает, что электрод 4' должен быть прозрачным. Кроме того, светоизлучающий диод 2, служащий для запуска фотоцикла бактериородопсина 1, должен обеспечить излучение, настраиваемое по длине волны, что подразумевает, что в этом случае уместно будет выполнить светоизлучающий диод в форме полимерных диодов, настраиваемых по напряжению, например, типа тех, которые описаны в вышеупомянутой международной патентной заявке W095/31515, в связи с которой это обсуждается более подробно. Напротив светоизлучающего полимерного диода 2 и так же прилегая к слою бактериородопсина Л1, предоставляется фотогальванический или фотопроводящий детектор 3, также в форме слоя Л3, который также снабжен электродами 4,4', которые передают напряжение сигнала VD, создаваемое детектором при детектировании света на операционный усилитель 7. Очевидно, в этом случае электрод детектора 4, который обращен к слою бактериородопсина K1, также должен быть прозрачным.In the vicinity of the light-sensitive material 1 or structure L 1 , emitters or light sources 2, preferably in the form of light emitting polymer diodes, are provided in layer L 2 . The light emitting polymer diode 2 is supplied with an operating voltage V E using two electrodes 4.4 ', which are connected to the power source 6. The light emitting polymer diode 2 is provided adjacent to the light-sensitive material 1, that is, bacteriorhodopsin, which must pass through the photocycle. This means that the electrode 4 'must be transparent. In addition, the light emitting diode 2, which serves to start the bacteriorhodopsin 1 photocycle, must provide wavelength-adjustable radiation, which implies that in this case it would be appropriate to produce a light-emitting diode in the form of voltage-regulated polymer diodes, for example, such as described in the aforementioned international patent application W095 / 31515, in connection with which this is discussed in more detail. Opposite the light emitting polymer diode 2 and also adjacent to the bacteriorhodopsin layer L 1 , a photovoltaic or photoconductive detector 3 is also provided, also in the form of a layer L 3 , which is also equipped with 4.4 'electrodes that transmit the signal voltage V D generated by the detector when light is detected to the operational amplifier 7. Obviously, in this case, the electrode of the detector 4, which is facing the layer of bacteriorhodopsin K 1 , must also be transparent.

Как упомянуто, настраиваемые по напряжению источники цветного света в форме светоизлучающих полимерных диодов уже были обсуждены со ссылкой на вышеупомянутую международную патентную заявку W095/31515 и, кроме того, также более подробно описаны M.Bergen & al. Nature 372, pp. 444-446 (1994). Изменяя рабочее напряжение VE, приложенное посредством электродов, такие светоизлучающие полимерные диоды можно заставить испускать свет на различных длинах волн. Рисунки, иллюстрирующие светоизлучающие полимерные диоды этого вида, относительно распространены, и спектральная характеристика испускаемого луча света может управляться в широких пределах посредством соответствующего выбора светоиспускающих материалов. Относительно представленного описания, где требуется спектральная адаптация к светопоглощающим свойствам бактериородопсина в различных состояниях, следует предположить, что светоизлучающий полимерный диод испускает желтый свет при низком напряжении VE, и излучение синего света увеличивается при увеличении напряжения. Это иллюстрируется более подробно на фиг. 9а-с, где фиг. 9а иллюстрирует спектральную характеристику и интенсивность приложенного напряжения VE 5 В. Излучение происходит в основном в форме красного света с вершиной спектра приблизительно 630 нм. В этом случае коэффициент полезного действия - 100%. На фиг. 9b напряжение увеличивается до 16 В, и коэффициент полезного действия уменьшается до 50%. Можно заметить, что светоизлучающий полимерный диод все еще сохраняет пик излучения приблизительно на 630 нм, но в то же самое время имеет увеличивающееся излучение синего света приблизительно на 400 нм. При приложенном напряжении 21 В с коэффициентом полезного действия 20% излучение на длинах волн приблизительно 530 нм относительно сокращается, и в основном получается пик излучения синего света высокой интенсивности и с центром приблизительно на 430 нм, как показано на фиг. 9с. Управляемый напряжением эмиттер, то есть светоизлучающий полимерный диод, как описано в вышеупомянутой международной патентной заявке W095/31515, содержит ряд физически разделенных светоизлучающих областей 9,9', как показано на фиг. 8 и фиг. 10, который может быть расценен как схематический срез через слой эмиттера 12. Области 9,9' включены в прозрачный материал 8, который может, например, сам быть полимером, и каждая область 9,9' содержит только один тип светоизлучающего полимера, то есть или с узкой запрещенной зоной, который испускает главным образом желтый или красный свет (например, 9) или с широкой запрещенной зоной, который испускает синий свет (например, 9'). Если бы области 9,9' были большими и были бы размещены на относительно большом расстоянии друг от друга, то это могло бы вызывать проблемы из-за непредсказуемого и неравномерного излучения света из светоиспускающего диода, и в случае некоторых оптических лучевых конфигураций дало бы недостаточное пространственное перекрывание между красным и синим светом, который достигает заданной центральной точки в структуре бактериородопсина. Эксперименты, взятые из вышеупомянутой заявки W095/31515, показывают, что в настоящее время по меньшей мере возможно достигнуть типичных размеров и расстояний между областями в диапазоне от нескольких десятков нм до нескольких сотен нм, так что в итоге масштабный коэффициент для толщины слоя полимера или материала 8 соответствует поперечному сечению области, так как области должны соприкасаться с электродами 4,4' на поверхностях материала. Эффекты, которые из-за пространственно разделенного излучения света будут, следовательно, значимыми только для очень малых светоизлучающих полимерных диодов, обычно размером в несколько нанометров. С другой стороны, имеются также указания на то, что размер светоизлучающих полимерных диодов 2 может быть значительно уменьшен посредством уменьшения размеров областей 9,9', таким образом избегая любых неблагоприятных пространственных эффектов даже со светоизлучающими диодами приблизительно 10 нм или приблизительно такого размера. Тогда толщина эмиттерного слоя Л2 будет сравнимой, так что в результате, по меньшей мере в теории, окажется возможным реализовать оптические логические элементы в соответствии с настоящим изобретением размером самое большее несколько нм и соответствующей толщины.As mentioned, voltage-tunable color light sources in the form of light emitting polymer diodes have already been discussed with reference to the aforementioned international patent application W095 / 31515 and are further described in more detail by M. Bergen & al. Nature 372, pp. 444-446 (1994). By varying the operating voltage V E applied by means of electrodes, such light emitting polymer diodes can be made to emit light at different wavelengths. Drawings illustrating light emitting polymer diodes of this kind are relatively common, and the spectral characteristic of the emitted light beam can be controlled over a wide range by appropriate selection of light emitting materials. Regarding the presented description, where spectral adaptation to the light-absorbing properties of bacteriorhodopsin in different states is required, it should be assumed that the light-emitting polymer diode emits yellow light at a low voltage V E , and blue light emission increases with increasing voltage. This is illustrated in more detail in FIG. 9a-c, where FIG. 9a illustrates the spectral response and intensity of the applied voltage V E 5 V. Radiation occurs mainly in the form of red light with a peak at about 630 nm. In this case, the efficiency is 100%. In FIG. 9b, the voltage increases to 16 V, and the efficiency decreases to 50%. It can be noted that the light emitting polymer diode still maintains a radiation peak at about 630 nm, but at the same time has an increasing blue light emission at about 400 nm. At an applied voltage of 21 V with an efficiency of 20%, the emission at wavelengths of approximately 530 nm is relatively reduced, and basically a peak of emission of blue light of high intensity and centered at approximately 430 nm is obtained, as shown in FIG. 9s A voltage-controlled emitter, i.e., a light emitting polymer diode, as described in the aforementioned international patent application W095 / 31515, contains a series of physically separated light emitting regions 9.9 ', as shown in FIG. 8 and FIG. 10, which can be regarded as a schematic section through the emitter layer 1 2 . The 9.9 'regions are included in the transparent material 8, which may, for example, be a polymer itself, and each 9.9' region contains only one type of light emitting polymer, that is, either with a narrow forbidden zone that emits mainly yellow or red light (e.g. 9) or with a wide forbidden zone that emits blue light (e.g. 9 '). If the 9.9 'regions were large and placed at a relatively large distance from each other, this could cause problems due to the unpredictable and uneven emission of light from the light emitting diode, and in the case of some optical beam configurations would give insufficient spatial the overlap between red and blue light, which reaches a given central point in the structure of bacteriorhodopsin. Experiments taken from the aforementioned application W095 / 31515 show that it is now at least possible to achieve typical sizes and distances between regions in the range from several tens of nanometers to several hundred nanometers, so that as a result a scale factor for the thickness of the polymer or material layer 8 corresponds to the cross section of the region, since the region must be in contact with the electrodes 4.4 'on the surfaces of the material. Effects that, due to spatially separated light emission, will therefore be significant only for very small light-emitting polymer diodes, usually several nanometers in size. On the other hand, there are also indications that the size of the light emitting polymer diodes 2 can be significantly reduced by reducing the size of the 9.9 'regions, thus avoiding any adverse spatial effects even with light emitting diodes of about 10 nm or about that size. Then the thickness of the emitter layer L 2 will be comparable, so that, as a result, at least in theory, it will be possible to realize optical logic elements in accordance with the present invention with a size of at most several nm and the corresponding thickness.

Фотогальванический или фотопроводящий детектор 3 подобен по конструкции эмиттеру 2 или источнику цветного света, то есть используются полимерные диоды, подобные тем, которые показаны на фиг. 8, но теперь с областями, поглощающими свет, так что в результате, в зависимости от спектра, детектируемое изменение в интенсивности света генерирует сигнальное напряжение или выходное напряжение детектора VD на электродах 4,4'. Таким же образом детектор 3 в этом случае должен быть настроен на спектральные свойства эмиттера 2. Для детектора 3 применяются также те же самые масштабные коэффициенты, что и для светоизлучающего полимерного диода 2, причем размеры областей 9,9' определяют толщину слоя. Очевидно, толщина слоя должна быть совместима с поперечным сечением области, таким образом допуская контакт с электродами 5,5'.The photovoltaic or photoconductive detector 3 is similar in design to the emitter 2 or the color light source, i.e., polymer diodes similar to those shown in FIG. 8, but now with areas absorbing light, so that, depending on the spectrum, the detected change in the light intensity generates a signal voltage or the output voltage of the detector V D on the electrodes 4.4 '. In the same way, the detector 3 in this case must be tuned to the spectral properties of the emitter 2. For the detector 3, the same scaling factors are used as for the light-emitting polymer diode 2, and the sizes of the regions 9.9 'determine the layer thickness. Obviously, the layer thickness should be compatible with the cross section of the region, thus allowing contact with the 5.5 'electrodes.

Можно заметить, что оптический логический элемент ОЛЭ, который описан со ссылкой на использование чувствительного к свету органического вещества, то есть бактериородопсина, и светоизлучающих полимерных диодов, разработан, чтобы быть непосредственно адресуемым, таким образом избегая ограничений на масштабные коэффициенты, которые существовали бы, если бы свет проходил к чувствительному к свету органическому веществу через оптически активные структуры в виде преломляющих или дифракционных элементов, предоставленных снаружи структуры бактериородопсина и между ним и эмиттером. В том случае размер оптического логического элемента будет ограничен длиной волны использованного излучения света. You may notice that the optical logic element OLE, which is described with reference to the use of light-sensitive organic matter, i.e. bacteriorhodopsin, and light-emitting polymer diodes, is designed to be directly addressable, thus avoiding the restrictions on scale factors that would exist if light would pass to light-sensitive organic matter through optically active structures in the form of refractive or diffractive elements provided outside the structure bacteriorhodopsin and between it and the emitter. In this case, the size of the optical logic element will be limited by the wavelength of the used light emission.

Оптическое логическое устройство ОЛУ в соответствии с изобретением будет теперь обсуждено со ссылкой на фиг. 11-17. An optical OLU logic device in accordance with the invention will now be discussed with reference to FIG. 11-17.

Фиг. 11 демонстрирует проект, где оптическое логическое устройство имеет форму двумерного массива или структуры S оптических логических элементов ОЛЭ и демонстрирует разрез через строку таких оптических логических элементов, причем здесь служат примером оптические логические элементы ОЛЭII и ОЛЭIn в m•n массиве, и в этом случае m=n=5. Фиг. 12 показывает оптическое логическое устройство в соответствии с изобретением, где двумерные массивы или структуры S1, . ..,Sx оптических логических элементов ОЛЭ образуют стопку в слоях, причем двумерный массив оптических логических элементов образует, таким образом, поверхность структуры S в объемном оптическом логическом устройстве ОЛУ. Оптическое логическое устройство ОЛУ, таким образом, реализовано как трехмерный массив, например с m•n•x логическими элементами, где x является числом помещенных в стопку структур S. На фиг. 12, которая схематично иллюстрирует срез через связанные строки помещенных в стопку массивов, которые образуют структуры S, например, строку m=1 в m•n массиве, причем два оптических логических элемента ОЛЭ в структуре S1 обозначены ОЛЭII и ОЛЭIn соответственно. Как показано на фиг. 12, оптическое логическое устройство ОЛУ включает пять таких структур S так, что x=5, и фиг. 12 можно вследствие этого рассматривать как иллюстрацию объемного оптического логического устройства с 5•5•5= 125 оптических логических элементов ОЛЭ. Между каждой из структур предоставляется оптически, термально и/или электрически изолирующий слой Л5.FIG. 11 shows a project where the optical logic device is in the form of a two-dimensional array or structure S of optical logic elements OLE and shows a section through a string of such optical logic elements, here we can see an example of optical logic elements OLE II and OLE In in m • n array, and in this case m = n = 5. FIG. 12 shows an optical logic device in accordance with the invention, where two-dimensional arrays or structures S 1 ,. .., S x of the optical logic elements OLE form a stack in layers, and the two-dimensional array of optical logical elements thus forms the surface of the structure S in the volumetric optical logic device OLU. The OLU optical logic device is thus implemented as a three-dimensional array, for example, with m • n • x logic elements, where x is the number of structures S placed in the stack. FIG. 12, which schematically illustrates a slice through connected lines of stacked arrays that form structures S, for example, a line m = 1 in an m • n array, with two optical logic elements in the SLE structure S 1 denoted by OLE II and OLE In respectively. As shown in FIG. 12, the OLU optical logic device includes five such structures S such that x = 5, and FIG. 12 can therefore be regarded as an illustration of a volumetric optical logic device with 5 • 5 • 5 = 125 optical logic elements OLE. An optically, thermally and / or electrically insulating layer L 5 is provided between each of the structures.

В варианте оптического логического устройства ОЛУ группы оптических логических элементов ОЛЭ, например, в форме строк, столбцов или подмассивов массивов m•n, могут быть назначены к общему оптическому детектору 3, который охватывает все логические элементы в группе, как иллюстрируется на фиг. 13. In a variant of the OLU optical logic device, groups of optical logic elements OLE, for example, in the form of rows, columns, or subarrays of m • n arrays, can be assigned to a common optical detector 3, which covers all the logic elements in the group, as illustrated in FIG. thirteen.

Как иллюстрируется на фиг. 14, каждая структура S может включать один или большее количество слоев Л6, который включает интегрированные электроды 4,4' и электрические проводники 5,5', назначенные к оптическим логическим элементам ОЛЭ, которые образуют часть структуры S и используются для обращения и адресации оптического логического устройства ОЛУ. Как иллюстрируется на фиг. 14, проводники 5,5' могут быть ортогональны друг другу, тогда будет возможно реализовать электроды 4,4' в точке пересечения проводников 5,5' в каждом оптическом логическом элементе ОЛЭ, формируя, например, диодную структуру в слоях Л2 и Л3 между точками пересечения проводников 5,5'.As illustrated in FIG. 14, each structure S may include one or more layers L 6 , which includes integrated electrodes 4.4 'and electrical conductors 5.5' assigned to the optical logic elements of the OLE, which form part of the structure S and are used to address and address the optical logical device OLU. As illustrated in FIG. 14, 5.5 'conductors can be orthogonal to each other, then it will be possible to implement 4.4' electrodes at the intersection point of 5.5 'conductors in each optical logic element of the OLE, forming, for example, a diode structure in layers L 2 and L 3 between the points of intersection of the conductors 5.5 '.

Расположение непосредственно адресуемых оптических логических элементов ОЛЭ в массиве показано в перспективе на фиг. 15, где отдельные слои массива, то есть слой активатора Л2, слой материального носителя памяти Л2 и слой детектора Л3, которые формируют оптические логические элементы ОЛЭ, иллюстрируется в разобранном виде. Массив состоит из m•n логических элементов ОЛЭ и иллюстрируется на фиг. 15 фактически как 5•5 массив. Слой активатора 12 снабжен проводниками 5,5', см. фиг. 14, с электродами 4,4', помещенными в каждую из точек пересечения проводников 5,5', благодаря чему прикладывается напряжение. Если активатор 2 является светоизлучающим диодом, он теперь испустит свет, который влияет на материальный носитель памяти в форме чувствительного к свету органического вещества, такого как бактериородопсин, в слое Л1. Детектирование происходит в слое детектора Л3, где в этом случае при освещении в каждой точке пересечения предоставленных проводников 5,5', поглощающий свет диод детектора 3 установлен таким же образом. Оптический логический элемент, таким образом образованный, иллюстрируется как ОЛЭ13, и в этом случае ради простоты, каждый из слоев Л1, Л2, Л3 или матриц иллюстрируется как 5•5 матрица.The location of the directly addressed optical logic elements of the OLE in the array is shown in perspective in FIG. 15, where the individual layers of the array, that is, the activator layer L 2 , the material storage medium layer L 2, and the detector layer L 3 , which form the optical logic elements of the OLE, are illustrated in a disassembled form. The array consists of m • n logical elements of the OLE and is illustrated in FIG. 15 is actually like a 5 • 5 array. The activator layer 12 is provided with 5.5 'conductors, see FIG. 14, with 4.4 'electrodes placed at each of the 5.5' conductor intersection points, whereby voltage is applied. If activator 2 is a light emitting diode, it will now emit light, which affects the material storage medium in the form of a light-sensitive organic substance, such as bacteriorhodopsin, in layer L 1 . Detection occurs in the layer of detector L 3 , where in this case, when illuminated at each intersection point of the provided conductors 5.5 ', the light-absorbing diode of detector 3 is set in the same way. The optical logic element thus formed is illustrated as OLE 13 , and in this case, for the sake of simplicity, each of the layers L 1 , L 2 , L 3 or matrices is illustrated as a 5 • 5 matrix.

Оптическое логическое устройство, которое иллюстрируется на фиг. 15, может теперь использоваться, чтобы формировать объемное оптическое логическое устройство, состоящее из структур S в форме ряда слоев или матриц S1,...,Sx. Такое оптическое логическое устройство ОЛУ иллюстрируется в сечении на фиг. 16, и в каждом индивидуальном слое S предоставляется уровень активатора K2, уровень материального носителя памяти Л1 и уровень детектора Л3. Как и на фиг. 15, здесь предоставляются проводники 5,5', изображенные здесь интегрированными в слой Л6, и электроды в оптическом логическом элементе ОЛЭ располагаются между точками пересечения проводников 5,5'. Между каждой из структур S и, возможно, также сверху и снизу устройства ОЛУ может предоставляться оптически, термально и/или электрически изолирующий слой Л5. Ради простоты устройство, как оно иллюстрируется на фиг. 16, показано в форме куба с 5•5•5 оптическими логическими элементами, то есть всего 125. Иллюстрируется размер оптического логического элемента ОЛЭ13 внутри структуры S1, и он может соответствовать оптическому логическому элементу ОЛЭ13, как иллюстрируется на фиг. 15.The optical logic device, which is illustrated in FIG. 15 can now be used to form a volumetric optical logic device consisting of structures S in the form of a series of layers or matrices S 1 , ..., S x . Such an optical OLU logic device is illustrated in cross section in FIG. 16, and in each individual layer S, an activator level K 2 , a level of material storage medium L 1, and a detector level L 3 are provided. As in FIG. 15, 5.5 'conductors are provided here, shown here integrated into the L 6 layer, and the electrodes in the optical logic element OLE are located between the intersection points of the 5.5' conductors. Between each of the structures S and, possibly also above and below the OLU device, an optically, thermally and / or electrically insulating layer A 5 can be provided. For simplicity's sake, the device as illustrated in FIG. 16 is shown in the form of a cube with 5 • 5 • 5 optical logic elements, that is, a total of 125. The size of the optical logic element OLE 13 within the structure S 1 is illustrated, and it can correspond to the optical logic element OLE 13 , as illustrated in FIG. fifteen.

Поскольку каждый из оптических логических элементов ОЛЭ является непосредственно адресованным, то есть как эмиттер, так и детектор размещены прилегающими к чувствительному к свету органическому веществу и расположены внутри устройства, число элементов, которое может включать m•n массив, и число структур S, которые могут быть составлены в стопку на верхней части друг друга, являются просто практическими вопросами. Since each of the optical logic elements of the OLE is directly addressed, that is, both the emitter and the detector are placed adjacent to light-sensitive organic matter and are located inside the device, the number of elements, which can include an m • n array, and the number of structures S, which can to be stacked on top of each other are simply practical issues.

В оптическом логическом устройстве ОЛУ, основанном на использовании непосредственно адресуемых оптических логических элементов ОЛЭ в соответствии с настоящим изобретением, как иллюстрируется на фиг. 11-12, единственным ограничением на масштабный коэффициент, по меньшей мере в теории, являются размеры молекул материального носителя памяти 1, если используется чувствительный к свету конформационно-реагирующий материал, наряду с наименьшим осуществимым размером соответствующего активатора 2 и детектора 3. Практически эксперименты указывают на то, что при использовании светоизлучающих полимерных диодов оптические логические элементы могут быть в настоящее время реализованы в размере нескольких десятков нанометров, и соответственно малые проводящие структуры для электродов для эмиттеров и детекторов, так что в итоге реальная площадь оптического логического элемента может составлять от 2500 нм2 до 10000 нм2. В самом плохом случае это составляет 1010 оптических логических элементов на cм2, и при реализации объемно с соответствующей толщиной слоя становится возможным достигнуть в оптическом логическом устройстве в соответствии с изобретением значения 1015 непосредственно адресуемых оптических логических элементов в 1 см3. Предполагается возможным достигнуть улучшения линейных размеров на один порядок, таким образом позволяя реализовать 1018 оптических логических элементов в соответствии с настоящим изобретением в 1 см3. Для того чтобы дать представление о емкости памяти такого оптического логического устройства, реализованного в качестве оптической памяти, следует упомянуть, что это значение соответствует сохранению 1014 обычных книжных страниц, что может быть достаточно для большинства типов архивного хранения.In an optical optical logic device based on the use of directly addressable optical logic elements OLE in accordance with the present invention, as illustrated in FIG. 11-12, the only restriction on the scale factor, at least in theory, is the size of the molecules of the material storage medium 1 if light-sensitive conformationally reactive material is used, along with the smallest feasible size of the corresponding activator 2 and detector 3. In practice, experiments indicate the fact that when using light-emitting polymer diodes, optical logic elements can now be implemented in the amount of several tens of nanometers, and accordingly These are the conductive structures for the electrodes for emitters and detectors, so that, as a result, the real area of the optical logic element can be from 2500 nm 2 to 10000 nm 2 . In the worst case, this amounts to 10 10 optical logic elements per cm 2 , and when implemented volumetrically with the appropriate layer thickness, it becomes possible to achieve 10 15 directly addressed optical logic elements in 1 cm 3 in the optical logic device in accordance with the invention. It is believed possible to achieve an improvement in linear dimensions by one order of magnitude, thereby allowing the implementation of 10 18 optical logic elements in accordance with the present invention in 1 cm 3 . In order to give an idea of the memory capacity of such an optical logical device, implemented as optical memory, it should be mentioned that this value corresponds to the storage of 10 14 ordinary book pages, which may be sufficient for most types of archival storage.

Фиг. 17 схематически иллюстрирует схему адресации одиночной структуры S1 в оптическом логическом устройстве ОЛУ в соответствии с изобретением. Ради простоты фиг. 17 иллюстрирует структуру S1 в форме 5•5 массива, то есть с 25 логическими элементами. Для каждой строки или столбца массива предоставляются электрические проводники 5,5' в ортогональном расположении, таким образом позволяя обращаться и адресовать оптический логический элемент в точках пересечения проводников 5,5'. С такой схемой также возможно адресовать и активизировать все оптические логические элементы ОЛЭ. Проводники 5,5' присоединены к соответствующим цепям формирователя 10, 11, которые связаны через интерфейс 12 с основной шиной 13, которая иллюстрируется в сечении на фиг. 17 и простирается вертикально до плоскости рисунка таким образом, что она связана со всеми структурами S, которые образуют часть оптического логического устройства ОЛУ. Это может быть целесообразно для адресации, которую нужно выполнить в иерархической структуре, которая может однозначно адресовать оптическое логическое устройство ОЛУ, например, на структурном уровне, или функционально кооперированные группы оптических логических элементов ОЛЭ в каждой структуре S или одиночном оптическом логическом элементе ОЛЭ в структуре S. Специалисты в данной области понимают, что имеется ряд вариантов реализации непосредственного доступа и адресации объемного оптического логического устройства, и что также возможно выполнить параллельное обращение и адресацию, используя мультиплексные линии связи. Порядок обращения и адресации, однако, не является частью настоящего изобретения и поэтому не будет обсуждаться здесь подробнее.FIG. 17 schematically illustrates an addressing scheme of a single structure S 1 in an optical logic device OLU in accordance with the invention. For the sake of simplicity, FIG. 17 illustrates the structure of S 1 in the form of a 5 • 5 array, that is, with 25 logic elements. For each row or column of the array, 5.5 'electrical conductors are provided in an orthogonal arrangement, thereby allowing access and addressing of the optical logic element at the 5.5' intersection points. With such a scheme, it is also possible to address and activate all optical logic elements of the OLE. Conductors 5.5 'are connected to the corresponding shaper circuits 10, 11, which are connected via an interface 12 to the main bus 13, which is illustrated in section in FIG. 17 and extends vertically to the plane of the figure so that it is connected with all structures S that form part of the optical logic device of the OLU. This may be appropriate for the addressing that needs to be done in a hierarchical structure that can uniquely address the OLU optical logic device, for example, at the structural level, or functionally cooperated groups of optical logic elements of the OLE in each structure S or a single optical logical element of the OLE in the structure S Specialists in this field understand that there are a number of options for implementing direct access and addressing of a surround optical logical device, and that also It is possible to perform parallel access and addressing using multiplexed communication lines. The order of reference and addressing, however, is not part of the present invention and therefore will not be discussed here in more detail.

Оптическое логическое устройство ОЛУ в соответствии с изобретением подходит не только для хранения данных, но может также быть реализовано как устройство для обработки данных. В этом случае обработку данных следует понимать в том смысле, что оптические логические элементы объединены в оптические логические сети, для того чтобы выполнять логические операции или посредством оптических логических элементов и цепей оптических логических элементов, которые выполняют эти функции, или в арифметических цепях, для того чтобы выполнять двоичные арифметические операции, реализованные посредством арифметических регистров, основанных на двузначной логике. Будет таким образом возможно конфигурировать группы логических элементов ОЛЭ в структуре S как регистры памяти, логические регистры и арифметические регистры, поскольку к каждому логическому элементу ОЛЭ в регистре и каждому регистру можно обращаться и адресовать его независимо. Регистры могут быть конфигурированы совместно, чтобы образовать собой оптический процессор данных. Эта оптическая технология данных аналогична стандартной технологии данных, основанной на полупроводниковых составляющих и знакома специалистам в данной области. В этой связи можно сослаться, например, на работы Alastair D. McAulay, "Optical Computer Architectures. The Application of Optical Concepts to Next Generation Computers", John Wiley & Sons 91991), especially "Part II: Subsystems for Optical Computing", стр. 127-342. The optical logic device OLU in accordance with the invention is suitable not only for storing data, but can also be implemented as a device for processing data. In this case, data processing should be understood in the sense that optical logic elements are combined into optical logical networks in order to perform logical operations either by means of optical logic elements and chains of optical logic elements that perform these functions, or in arithmetic chains in order to to perform binary arithmetic operations implemented through arithmetic registers based on two-valued logic. It will thus be possible to configure the groups of logical elements of the OLE in structure S as memory registers, logical registers, and arithmetic registers, since each logical element of the OLE in the register and each register can be accessed and addressed independently. The registers can be configured together to form an optical data processor. This optical data technology is similar to standard data technology based on semiconductor components and is familiar to those skilled in the art. In this regard, reference may be made, for example, to the work of Alastair D. McAulay, "Optical Computer Architectures. The Application of Optical Concepts to Next Generation Computers", John Wiley & Sons 91991), especially "Part II: Subsystems for Optical Computing", p. . 127-342.

Оптические логические элементы ОЛЭ в соответствии с изобретением могут быть объединены в оптическое логическое устройство ОЛУ, которое должно использоваться для обработки данных, образуя логические цепи, которые, например, могут выполнять все возможные шестнадцать булевых логических функций двух двоичных переменных, использован ли в качестве материального носителя памяти захватывающий электроны материал или чувствительный к свету конформационно-реагирующий материал, такой как бактериородопсин. Комбинация четырех оптических логических элементов ОЛЭ, которые реализуют эти шестнадцать булевых функций, иллюстрируется на фиг. 18, выполненная в виде массива 2•2, причем логический 0 заштрихован и логическая 1 не заштрихована. Эти шестнадцать булевых функций двух двоичных переменных иллюстрируются в таблице I, тогда как таблица II показывает, как булевы функции генерируются комбинацией логических операций. The optical logic elements of the OLE in accordance with the invention can be combined into an optical logic device of the OLU, which should be used to process data, forming logical circuits that, for example, can fulfill all sixteen possible Boolean logical functions of two binary variables, is used as a material medium memory electron-trapping material or a light-sensitive conformationally reactive material such as bacteriorhodopsin. The combination of four optical logic elements OLE that implement these sixteen Boolean functions is illustrated in FIG. 18, made in the form of an array of 2 • 2, moreover, logical 0 is hatched and logical 1 is not hatched. These sixteen Boolean functions of two binary variables are illustrated in Table I, while Table II shows how Boolean functions are generated by a combination of logical operations.

Со ссылкой на таблицу III теперь будет показано, как некоторые булевы логические функции двух двоичных переменных реализуются посредством оптических логических элементов ОЛЭ, где материальный носитель памяти 1 является захватывающим электроны материалом. В этом случае захватывающий электроны материал приводится к основному состоянию посредством освещения синим светом. Последующее освещение красным светом высвобождает захваченные электроны, причем испускается оранжевый свет. В этом случае активатор 2 должен быть разработан в виде двух разделенных адресуемых испускающих излучение устройств, например, в виде настраиваемого по напряжению светоизлучающего диода. Полосовой фильтр может использоваться на этом этапе, который может быть выполнен в форме слоя между материальным носителем памяти 1, то есть захватывающим электроны материалом, и детектором 3, таким образом блокируя синий и красный свет. Вследствие этого только вынужденный оранжевый флуоресцентный свет будет обнаружен. With reference to Table III, it will now be shown how some Boolean logical functions of two binary variables are realized through optical logic elements OLE, where the material storage medium 1 is an electron-capture material. In this case, the electron-trapping material is brought to the ground state by illumination with blue light. Subsequent illumination with red light releases captured electrons, and orange light is emitted. In this case, the activator 2 should be designed in the form of two separate addressable radiation-emitting devices, for example, in the form of a voltage-adjustable light emitting diode. A band-pass filter can be used at this stage, which can be made in the form of a layer between a material storage medium 1, that is, an electronically exciting material, and a detector 3, thereby blocking blue and red light. Because of this, only forced orange fluorescent light will be detected.

Если как материальный носитель памяти использован бактериородопсин, в этом случае материальный носитель памяти проявит различные логические состояния изменениями в оптической проницаемости, детектирование, таким образом, производится в режиме поглощения, а не в режиме излучения, как имеет место при флюоресценции. Пример реализации некоторых булевых логических функций двух переменных иллюстрируется в таблице IV, где принимается, что использован фотоцикл для бактериородопсина, где молекулы переходят между основным состоянием bR и метастабильным состоянием М. Освещение состояния bR желтым светом приводит к переходу в состояние М, которое поглощает синий свет, в то время как освещение синим светом в состоянии М возвращает молекулы бактериородопсина в основное состояние bR. Состояние молекулы может контролироваться при помощи измерения поглощения синего света посредством слабого синего пробного луча. В схеме, иллюстрируемой в таблице IV, где использован синий свет, как для стадии предварительной обработки, так и для входного сигнала, также как для выходного сигнала, будет необходимо выполнить разделение с помощью упорядочивания времени. Фотоцикл, который включает состояние М, частично выполняется термально с постоянными времени τp которые могут составлять несколько миллисекунд. Чтобы достигнуть высоких скоростей полной обработки необходимо адресовать параллельно оптические логические элементы ОЛЭ в оптические логические элементы ОЛЭ в оптическом логическом устройстве ОЛУ или в группах таких оптических логических элементов ОЛЭ. Использование бактериородопсина как материального носителя памяти 1, однако, предлагает отдельные возможности реализации логических схем, основанных на использовании оптического логического элемента ОЛЭ в соответствии с настоящим изобретением. Может быть упомянуто, что как обработка состояния bR посредством желтого света, так и обработка состояния М посредством синего света, являются фотохимическими реакциями, то есть они производятся фотонами, и что в каждом случае скорость коммутации главным образом зависит от интенсивности использованного светового излучения. Также возможно использовать коммутацию между, например, основным состоянием bR и состоянием K, причем этот переход происходит очень быстро τv 10 пс). После поглощения синего света в bR состоянии молекула переходит в состояние K через промежуточное состояние J в течение нескольких пикосекунд. Состояние К поглощает на длине волны, которая сдвинута по сравнению с длиной волны поглощения состояния bR, то есть на длине волны 590 нм, и может возвращаться в состояние bR посредством очень быстрого фотоиндуцированного процесса, который длится самое большее несколько наносекунд. При использовании бактериородопсина как материального носителя памяти может также быть привлекательным использовать долгоживущее устойчивое состояние Q, которое образует часть из вышеупомянутой ответвляющейся реакции фотоцикла бактериородопсина. Использование основного состояния bR и состояния Q соответственно даст высокую спектральную изоляцию между входным светом (записывающим светом) и пробным светом (читающим светом), также как простую и непосредственную реализацию логических схем, которые реализуют булевы функции. Один из возможных недостатков - это относительно низкая скорость цикла между состояниями, но, снова реализуя оптическое логическое устройство в соответствии с изобретением с возможностью сплошной параллельности в адресации, будет возможно достигнуть очень высоких скоростей передачи данных.If bacteriorhodopsin is used as the material storage medium, in this case the material storage medium will exhibit various logical states by changes in the optical permeability, detection is thus performed in the absorption mode, and not in the radiation mode, as is the case with fluorescence. An example of the implementation of some Boolean logical functions of two variables is illustrated in Table IV, where it is assumed that a photocycle for bacteriorhodopsin is used, where the molecules transition between the ground state of bR and the metastable state of M. Illumination of the state of bR with yellow light leads to a transition to state M, which absorbs blue light while blue light illumination in state M returns the bacteriorhodopsin molecules to the ground state bR. The state of the molecule can be monitored by measuring the absorption of blue light through a weak blue probe beam. In the circuit illustrated in Table IV, where blue light is used, both for the pre-processing stage and for the input signal, as well as for the output signal, it will be necessary to perform the separation by arranging time. A photocycle that includes state M is partially performed thermally with time constants τ p which can be several milliseconds. In order to achieve high speeds of full processing, it is necessary to address in parallel the optical logic elements of the OLE in the optical logical elements of the OLE in the optical logic device of the OLU or in groups of such optical logical elements of the OLE. The use of bacteriorhodopsin as a material storage medium of memory 1, however, offers individual possibilities for the implementation of logic circuits based on the use of the optical logic element OLE in accordance with the present invention. It may be mentioned that both the processing of the bR state by yellow light and the processing of the M state by blue light are photochemical reactions, that is, they are produced by photons, and that in each case the switching speed mainly depends on the intensity of the used light radiation. It is also possible to use switching between, for example, the ground state bR and state K, and this transition occurs very quickly τ v 10 ps). After the absorption of blue light in the bR state, the molecule passes to the state K through the intermediate state J for several picoseconds. State K absorbs at a wavelength that is shifted compared to the absorption wavelength of state bR, that is, at a wavelength of 590 nm, and can return to state bR through a very fast photoinduced process that lasts at most several nanoseconds. When using bacteriorhodopsin as a material storage medium, it may also be attractive to use the long-lived stable state Q, which forms part of the aforementioned branching reaction of the bacteriorhodopsin photocycle. Using the ground state bR and state Q, respectively, will provide high spectral isolation between the input light (recording light) and the probe light (reading light), as well as a simple and direct implementation of logic circuits that implement Boolean functions. One of the possible disadvantages is the relatively low cycle speed between states, but, again realizing the optical logic device in accordance with the invention with the possibility of continuous parallelism in addressing, it will be possible to achieve very high data rates.

Если оптическое логическое устройство в соответствии с изобретением должно быть реализовано как оптический процессор данных, это подразумевает, что должно быть возможно реализовать арифметические регистры, которые выполняют двоичные арифметические операции. Пример параллельного алгоритма для четырехразрядного полного сложения иллюстрируется на фиг. 19 и может быть выполнен с помощью логических элементов с материальным носителем памяти, основанном, например, на захватывающем электроны материале или бактериородопсине, см. фиг. 18. Двоичный полусумматор очень просто может быть составлен из логического элемента "исключительное ИЛИ" для суммы и конъюнктора для переноса. Чтобы реализовать полное сложение, нужно учесть перенос из полусуммирования младшего бита. Следовательно, требуются логические элементы с тремя входами. Это исключает использование оптических логических элементов ОЛЭ в соответствии с настоящим изобретением, так как они имеют только два входа для логической операции. Чтобы преодолеть эту проблему может быть использован итерационный алгоритм с параллельным потоком, и пример четырехразрядного сложения, которое требует только четыре итерации, представлен на фиг. 19. Преимуществом этого алгоритма является то, что ряд shift-and-logic операций может выполняться неоднократно посредством того же самого оптического логического элемента с двумя входами, то есть в случае захватывающего электроны материала или бактериородопсина со светом на двух длинах волн. Параллельные логические операции "исключительное ИЛИ" и "И" могут выполняться оптическим логическим элементом. В качестве альтернативы, смещенный промежуточный выходной сигнал может быть возвращен обратно к логическому устройству через детектор и систему адресации, чтобы возбудить оптический логический элемент светом на входных длинах волн. Предполагается, что во всяком случае вся оптическая система может быть реализована на основе этого принципа посредством оптических логических элементов ОЛЭ и с материальным носителем памяти или в форме захватывающего электроны материала или конформационно-реагирутощего материала, который может подвергаться фотоциклу, такого как бактериородопсин, если активатор является светоизлучающим, настраиваемым по длине волны полимерным диодом, как описано выше. If the optical logic device in accordance with the invention is to be implemented as an optical data processor, this implies that it should be possible to implement arithmetic registers that perform binary arithmetic operations. An example of a parallel algorithm for four-bit full addition is illustrated in FIG. 19 and can be performed using logic elements with a material storage medium based, for example, on electronically exciting material or bacteriorhodopsin, see FIG. 18. A binary half-adder can very simply be composed of an exclusive OR logic element for a sum and a transfer conjunctor. To realize full addition, it is necessary to take into account the transfer from the half-sum of the least significant bit. Therefore, gates with three inputs are required. This eliminates the use of optical logic elements OLE in accordance with the present invention, since they have only two inputs for a logical operation. In order to overcome this problem, an iterative algorithm with parallel flow can be used, and an example of four-bit addition, which requires only four iterations, is shown in FIG. 19. The advantage of this algorithm is that a number of shift-and-logic operations can be performed repeatedly using the same optical logic element with two inputs, that is, in the case of electron-trapping material or bacteriorhodopsin with light at two wavelengths. Parallel logical operations "exclusive OR" and "AND" can be performed by the optical logic element. Alternatively, the biased intermediate output signal can be returned back to the logic device through the detector and addressing system to excite the optical logic element with light at the input wavelengths. It is assumed that, in any case, the entire optical system can be implemented on the basis of this principle by means of optical logic elements OLE and with a material storage medium or in the form of an electronically exciting material or a conformationally reactive material that can undergo a photocycle, such as bacteriorhodopsin, if the activator is a light emitting, wavelength-tunable polymer diode as described above.

Вышеупомянутые примеры реализации булевых логических функций и арифметических операций, как и следовало понимать, предназначены для примера, и специалистам в данной области понятно, что в области настоящего изобретения возможно не только реализовать такие операции, но все логические и арифметические операции в двузначной логике вообще с помощью оптического логического устройства в соответствии с изобретением, сконфигурированного в архитектуру, которая осуществляет оптический процессор данных с большой емкостью и скоростью. Нет никакой причины, почему оптическое логическое устройство ОЛУ в соответствии с настоящим изобретением не должно быть сконфигурировано в большой компьютер с рядом процессоров, которые могут быть адресованы и могут работать в сплошной параллельности. Если процессоры выполнены как систолические векторные процессоры и если использована динамически оптимизируемая топология сети, использование непосредственно адресуемых оптических логических элементов в соответствии с настоящим изобретением повышает эффективность и емкость, которые на несколько порядков превосходят стандартную, основанную на полупроводниках, технологию, и дополнительно влекут за собой преимущества, которые, кажется, способна реализовать только основанная на оптике технология данных. The above examples of the implementation of Boolean logic functions and arithmetic operations, as should be understood, are intended as an example, and specialists in this field it is clear that in the field of the present invention it is possible not only to implement such operations, but all logical and arithmetic operations in two-valued logic in general using optical logical device in accordance with the invention, configured in an architecture that implements an optical data processor with high capacity and speed. There is no reason why the optical logic device OLU in accordance with the present invention should not be configured in a large computer with a number of processors that can be addressed and can work in solid parallel. If the processors are designed as systolic vector processors and if a dynamically optimized network topology is used, the use of directly addressable optical logic elements in accordance with the present invention increases the efficiency and capacity, which is several orders of magnitude superior to the standard technology based on semiconductors, and additionally entail advantages that only optics-based data technology seems to be able to implement.

Claims (31)

1. Оптический логический элемент (ОЛЭ), в частности оптический логический элемент, имеющий несколько устойчивых состояний, и даже более конкретно непосредственно адресуемый оптический логический элемент, включающий оптический материальный носитель памяти (1), в котором под влиянием приложенного магнитного, электромагнитного или электрического поля или подведенной энергии материальный носитель памяти (1) может переходить из одного физического или химического состояния во второе физическое или химическое состояние, где физическому или химическому состоянию назначено определенное логическое значение, и где изменение в физическом или химическом состоянии логического элемента вызывает изменение в логическом значении и производится путем обращения и адресации логического элемента магнитным способом, электромагнитно, электрически или оптически для записи, чтения, сохранения, стирания и коммутации назначенного логического значения, отличающийся тем, что в оптическом логическом элементе, выполненном непосредственно адресуемым без использования активных оптических элементов, материальный носитель памяти (1) предусмотрен в или на существенно слоистой структуре, активатор (2), который генерирует магнитное, электромагнитное или электрическое поле или прикладывает энергию к материальному носителю памяти (1), предусмотрен в или рядом с существенно слоистой структурой и интегрируется с ней, оптический детектор (3) для детектирования оптического ответа материального носителя памяти, обусловленного физическим или химическим состоянием материального носителя памяти, предусмотрен в или рядом с существенно слоистой структурой и интегрируется с ней, причем оптический логический элемент (ОЛЭ), таким образом, составлен как интегрированный узел, состоящий из материального носителя памяти (1), активатора (2) и детектора (3). 1. An optical logic element (OLE), in particular an optical logic element having several stable states, and even more specifically a directly addressable optical logic element including an optical material storage medium (1), in which under the influence of an applied magnetic, electromagnetic or electric field or energy supplied, the material storage medium (1) can go from one physical or chemical state to a second physical or chemical state, where physical or a certain logical value is assigned to the physical state, and where a change in the physical or chemical state of the logical element causes a change in the logical value and is made by reversing and addressing the logical element magnetically, electromagnetically, electrically or optically to write, read, save, erase and commute the assigned logical values, characterized in that in the optical logic element, made directly addressable without the use of active optical ele copyspace, a material storage medium (1) is provided in or on a substantially layered structure, an activator (2) that generates a magnetic, electromagnetic or electric field or applies energy to a material storage medium (1) is provided in or adjacent to a substantially layered structure and is integrated with it, an optical detector (3) for detecting the optical response of the material storage medium due to the physical or chemical state of the material storage medium is provided in or near the substantially stand structure and is integrated with it, wherein the optical logic element (Ole) thus made as an integrated unit consisting of the carrier material memory (1), the activator (2) and the detector (3). 2. Оптический логический элемент (ОЛЭ) по п.1, отличающийся тем, что материальный носитель памяти (1) представлен в форме первого слоя (л1), активатор (2) представлен в форме второго слоя (л2), прилегающего к первому слою (л1), и интегрированного с ним, или представлен интегрированным в первом слое (л1), и оптический детектор (3), который детектирует состояние в материальном носителе памяти (1), представлен в форме третьего слоя (л3), прилегающего к первому.2. The optical logic element (OLE) according to claim 1, characterized in that the material storage medium (1) is in the form of a first layer (l 1 ), the activator (2) is presented in the form of a second layer (l 2 ) adjacent to the first a layer (l 1 ), and integrated with it, or represented integrated in the first layer (l 1 ), and an optical detector (3) that detects a state in a material storage medium (1), is presented in the form of a third layer (l 3 ), adjacent to the first. 3. Оптический логический элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что под влиянием магнитного, электромагнитного или электрического поля или приложенной энергии материальный носитель памяти (1) может переходить из одного состояния во второе и из второго состояния возвращаться в первое состояние. 3. The optical logic element according to claim 1 or 2, characterized in that under the influence of a magnetic, electromagnetic or electric field or applied energy, the material storage medium (1) can switch from one state to the second and return from the second state to the first state. 4. Оптический логический элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что под влиянием магнитного, электромагнитного или электрического поля или приложенной энергии материальный носитель памяти (1) может переходить из одного состояния во второе, постоянно стабильное состояние. 4. The optical logic element according to claim 1 or 2, characterized in that under the influence of a magnetic, electromagnetic or electric field or applied energy, the material storage medium (1) can transition from one state to a second, constantly stable state. 5. Оптический логический элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что оптический материальный носитель памяти (1) выполнен из захватывающего электроны материала. 5. The optical logic element according to claim 1 or 2, characterized in that the optical material storage medium (1) is made of electronically exciting material. 6. Оптический логический элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что оптический материальный носитель памяти (1) выполнен из флуоресцентного вещества. 6. The optical logic element according to claim 1 or 2, characterized in that the optical material storage medium (1) is made of a fluorescent substance. 7. Оптический логический элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что оптический материальный носитель памяти (1) выполнен из конформационно-реагирующего вещества. 7. The optical logic element according to claim 1 or 2, characterized in that the optical material storage medium (1) is made of a conformationally reacting substance. 8. Оптический логический элемент по п.2, отличающийся тем, что каждый слой (л1, л2, л3) содержит основной материал.8. The optical logic element according to claim 2, characterized in that each layer (l 1 , l 2 , l 3 ) contains the main material. 9. Оптический логический элемент по п.8, отличающийся тем, что основной материал является оптически прозрачным. 9. The optical logic element of claim 8, wherein the base material is optically transparent. 10. Оптический логический элемент по п.8, отличающийся тем, что основной материал состоит из одного или более полимерных материалов. 10. The optical logic element of claim 8, wherein the base material consists of one or more polymeric materials. 11. Оптический логический элемент по п.10, отличающийся тем, что во втором (л2) и третьем (л3) слоях использованы более чем один полимерный материал.11. The optical logic element of claim 10, characterized in that in the second (l 2 ) and third (l 3 ) layers more than one polymer material is used. 12. Оптический логический элемент по п.11, отличающийся тем, что по меньшей мере одним из полимерных материалов во втором (л2) и/или третьем (л3) слое является электропроводящий полимерный материал.12. The optical logic element according to claim 11, characterized in that at least one of the polymeric materials in the second (l 2 ) and / or third (l 3 ) layer is an electrically conductive polymer material. 13. Оптический логический элемент по п.8, отличающийся тем, что материальный носитель памяти (1) предусмотрен на или включен в основной материал в первом слое (л1).13. The optical logic element according to claim 8, characterized in that the material storage medium (1) is provided on or included in the main material in the first layer (l 1 ). 14. Оптический логический элемент по п.8, отличающийся тем, что активатор (2) состоит из одного или более непосредственно или опосредовано испускающих излучение устройств (21, ..., 2n), причем испускающие излучение устройства предусмотрены на или включены в основной материал второго слоя (л2).14. The optical logic element according to claim 8, characterized in that the activator (2) consists of one or more directly or indirectly emitting radiation devices (2 1 , ..., 2 n ), and radiation emitting devices are provided on or included in the main material of the second layer (l 2 ). 15. Оптический логический элемент по п.14, отличающийся тем, что испускающее излучение устройство (2) имеет электрические доступ и обращение. 15. The optical logic element of claim 14, wherein the radiation-emitting device (2) has electrical access and circulation. 16. Оптический логический элемент по п.15, отличающийся тем, что испускающее излучение устройство (2) представляет собой светоизлучающий диод. 16. The optical logic element of claim 15, wherein the radiation emitting device (2) is a light emitting diode. 17. Оптический логический элемент по п.16, отличающийся тем, что светоизлучающий диод (2) является полимерным диодом. 17. The optical logic element according to clause 16, wherein the light emitting diode (2) is a polymer diode. 18. Оптический логический элемент по п.15, отличающийся тем, что испускающее излучение устройство (2) представляет собой полупроводниковый лазер. 18. The optical logic element of claim 15, wherein the radiation-emitting device (2) is a semiconductor laser. 19. Оптический логический элемент по п.15, отличающийся тем, что испускающее излучение устройство (2) выполнено с возможностью настройки по частоте, причем настройка частоты производится в связи с электрическим обращением. 19. The optical logic element according to claim 15, characterized in that the radiation-emitting device (2) is configured to frequency, wherein the frequency is adjusted in connection with electrical handling. 20. Оптический логический элемент по п.14, отличающийся тем, что в нем предусмотрено более чем одно испускающее излучение устройство (2) и испускающие излучение устройства (21, ...,2n) испускают свет различных, выбранных заранее частот.20. The optical logic element according to 14, characterized in that it provides more than one radiation-emitting device (2) and radiation-emitting devices (2 1 , ..., 2 n ) emit light of different frequencies preselected. 21. Оптический логический элемент по п.14, отличающийся тем, что испускающее излучение устройство (2) является опосредовано испускающим излучение устройством и опосредовано испускающее излучение устройство (2) установлено так, чтобы быть активизированным внешним источником излучения (2'). 21. The optical logic element of claim 14, wherein the radiation emitting device (2) is mediated by the radiation emitting device and the radiation emitting device (2) is mediated to be activated by an external radiation source (2 '). 22. Оптический логический элемент по п.2, отличающийся тем, что оптический материальный носитель памяти (1) интегрирован с активатором (2) в общую физическую структуру, так что первый (л1) и второй (л2) слои объединены в общий слой (лc).22. The optical logic element according to claim 2, characterized in that the optical material storage medium (1) is integrated with the activator (2) into a common physical structure, so that the first (L 1 ) and second (L 2 ) layers are combined into a common layer (l c ). 23. Оптический логический элемент по п.22, отличающийся тем, что активатор (2) установлен так, чтобы быть разрушенным при приложении энергии, после чего он сам образует материальный носитель памяти в постоянном стабильном состоянии, или, будучи интегрированным с материальным носителем памяти (1), оставляет его в том же самом постоянном стабильном состоянии. 23. The optical logic element according to claim 22, characterized in that the activator (2) is installed so as to be destroyed when energy is applied, after which it itself forms a material storage medium in a constant stable state, or, being integrated with a material storage medium ( 1), leaves it in the same constant stable state. 24. Оптический логический элемент по п.2, отличающийся тем, что второй слой (л2) и третий слой (л3) предусмотрены на противоположных сторонах первого слоя (л1) и прилегают к нему.24. The optical logic element according to claim 2, characterized in that the second layer (l 2 ) and the third layer (l 3 ) are provided on the opposite sides of the first layer (l 1 ) and are adjacent to it. 25. Оптический логический элемент по п.1, отличающийся тем, что оптический детектор (3) является оптическим детектором, который имеет электрические доступ и обращение. 25. The optical logic element according to claim 1, characterized in that the optical detector (3) is an optical detector that has electrical access and access. 26. Оптический логический элемент по п.15 или 25, отличающийся тем, что для электрического доступа и обращения он снабжен электродами (4, 4') и электрическими проводниками (5, 5'), интегрированными во второй (л2) и третий (л3) слои.26. The optical logic element according to claim 15 or 25, characterized in that for electrical access and circulation it is equipped with electrodes (4, 4 ') and electric conductors (5, 5') integrated in the second (l 2 ) and third ( l 3 ) layers. 27. Оптический логический элемент по п.26, отличающийся тем, что электроды (4, 4') и электрические проводники (5, 5') основаны на электропроводящем полимерном материале. 27. The optical logic element according to claim 26, wherein the electrodes (4, 4 ′) and electrical conductors (5, 5 ′) are based on an electrically conductive polymer material. 28. Оптический логический элемент по п.2, отличающийся тем, что прилегающим к первому слою (л1) или интегрированным в нем предусмотрен еще один слой (л4) для генерации электрического поля, причем сгенерированное электрическое поле используется, чтобы влиять на отклик оптического материального носителя памяти (1) в интервале времени, интервале частоты или интервале напряженности соответственно.28. The optical logic element according to claim 2, characterized in that adjacent to the first layer (l 1 ) or integrated therein, another layer (l 4 ) is provided for generating an electric field, the generated electric field being used to influence the optical response material storage medium (1) in the time interval, the frequency interval or the tension interval, respectively. 29. Оптический логический элемент по п.28, отличающийся тем, что еще один слой (л4) включает один или более электропроводящий полимерный материал.29. The optical logic element according to claim 28, wherein another layer (l 4 ) includes one or more electrically conductive polymer material. 30. Оптическое логическое устройство (ОЛУ), особенно для сохранения данных или выполнения логических и арифметических операций, которое включает ряд оптических логических элементов (ОЛЭ), причем оптические логические элементы (ОЛЭ) являются оптическими логическими элементами, имеющими несколько устойчивых состояний, а также являются непосредственно адресуемыми оптическими логическими элементами, включающими оптический материальный носитель памяти (1), в которых под влиянием приложенного магнитного, электромагнитного или электрического поля или подведенной энергии материальный носитель памяти (1) может переходить из одного физического или химического состояния во второе физическое или химическое состояние, где физическому или химическому состоянию назначено определенное логическое значение и где изменение в физическом или химическом состоянии логического элемента вызывает изменение в логическом значении и производится путем обращения и адресации логического элемента магнитным способом, электромагнитно, электрически или оптически для записи, чтения, сохранения, стирания или коммутации назначенного логического значения, отличающееся тем, что в оптических логических элементах, выполненных непосредственно адресуемыми без использования активных оптических элементов, материальный носитель памяти (1) предусмотрен в или на существенно слоистой структуре, активатор (2), который генерирует магнитное, электромагнитное или электрическое поле или прикладывает энергию к материальному носителю памяти (1), предусмотрен в или рядом с существенно слоистой структурой и интегрируется с ней, оптический детектор (3) для детектирования оптического ответа материального носителя памяти, обусловленного физическим или химическим состоянием материального носителя памяти, предусмотрен в или рядом с существенно слоистой структурой и интегрируется с ней, причем оптический логический элемент (ОЛЭ), таким образом, составлен как интегрированный узел, состоящий из материального носителя памяти (1), активатора (2) и детектора (3), при этом устройство (ОЛУ) включает по меньшей мере одну структуру (S), образованную оптическими логическими элементами, оптический материальный носитель памяти (1), активатор (2) и детектор (3) в каждом оптическом логическом элементе (ОЛЭ) в структуре (S) объединены и связаны с материальным носителем памяти, активатором и детектором в окружающих логических элементах (ОЛЭ) в структуре (S), причем структура (S), таким образом, образует тело с плоской или искривленной поверхностью, причем каждый оптический логический элемент (ОЛЭ) в структуре (S) имеет однозначное соответствие между материальным носителем памяти (1) и активатором (2) и соответствие между материальным носителем памяти (1) и оптическим детектором (3) для однозначного детектирования физического или химического состояния в материальном носителе памяти, таким образом давая возможность обращаться к каждому оптическому логическому элементу (ОЛЭ) и адресовать каждый оптический элемент (ОЛЭ) в структуре (S) индивидуально. 30. Optical logic device (OLU), especially for storing data or performing logical and arithmetic operations, which includes a number of optical logic elements (OLE), moreover, optical logic elements (OLE) are optical logic elements that have several stable states, and are also directly addressed by optical logical elements, including optical material storage medium (1), in which under the influence of the applied magnetic, electromagnetic or electric about a field or energy supplied, a material storage medium (1) can transfer from one physical or chemical state to a second physical or chemical state where a certain logical value is assigned to a physical or chemical state and where a change in the physical or chemical state of a logical element causes a change in the logical value and is produced by reversing and addressing a logical element in a magnetic way, electromagnetically, electrically or optically for writing, reading, storing, erasing or switching an assigned logical value, characterized in that in optical logical elements made directly addressable without the use of active optical elements, a material storage medium (1) is provided in or on a substantially layered structure, an activator (2) that generates magnetic, electromagnetic or an electric field or applies energy to a material storage medium (1), is provided in or adjacent to a substantially layered structure and integrates with it, an optical detector (3) for detecting the optical response of a material storage medium, due to the physical or chemical state of the material storage medium, is provided in or adjacent to a substantially layered structure and is integrated with it, wherein the optical logic element (OLE) is thus constituted as an integrated unit consisting from a material storage medium (1), an activator (2) and a detector (3), while the device (OLU) includes at least one structure (S) formed by optical logic elements, an optical device The serial storage medium (1), activator (2) and detector (3) in each optical logic element (OLE) in the structure (S) are combined and connected with the material storage medium, activator and detector in the surrounding logical elements (OLE) in the structure ( S), moreover, structure (S), thus, forms a body with a flat or curved surface, and each optical logic element (OLE) in structure (S) has an unambiguous correspondence between a material storage medium (1) and an activator (2) and a correspondence between a material storage medium (1) and an optical detector (3) for unambiguous detection of a physical or chemical state in a material storage medium, thus making it possible to access each optical logic element (OLE) and address each optical element (OLE) in structure (S) individually. 31. Оптическое логическое устройство по п.30, отличающееся тем, что в каждом логическом элементе (ОЛЭ) материальный носитель памяти (1) представлен в форме первого слоя (л1), активатор (2) представлен в форме второго слоя (л2), прилегающего к первому слою и интегрированного с ним, или представлен интегрированным в первый слой (л1), и оптический детектор (3), который детектирует состояние материального носителя памяти (1), представлен в форме третьего слоя (л3), прилегающего к первому слою (л1) и интегрированного с ним, причем оптический логический элемент (ОЛЭ), таким образом, образует единый интегрированный узел, состоящий из, по меньшей мере, трех или двух слоев соответственно (л1, л2, л3; л1, л3) и каждый из слоев (л1, л2, л3) объединен и связан с соответствующими слоями (л1, л2, л3) в окружающих логических элементах (ОЛЭ), причем структура, таким образом, образует тело с плоской или искривленной поверхностью из связанных и взаимно прилегающих соответствующих слоев (л1, л2, л3; л1, л2).31. The optical logic device according to claim 30, characterized in that in each logical element (OLE) the material storage medium (1) is presented in the form of a first layer (l 1 ), the activator (2) is presented in the form of a second layer (l 2 ) adjacent to the first layer and integrated with it, or represented integrated in the first layer (l 1 ), and an optical detector (3) that detects the state of the material storage medium (1), is presented in the form of a third layer (l 3 ) adjacent to the first layer (l 1) and integrated with it, wherein the optical logic e ement (Ole), thus forming a single integrated assembly consisting of at least three or two layers respectively (l 1, l 2, l 3, l 1, l 3) and each of the layers (L 1, L 2 , l 3 ) is combined and connected with the corresponding layers (l 1 , l 2 , l 3 ) in the surrounding logical elements (OLE), and the structure, thus, forms a body with a flat or curved surface from connected and mutually adjacent corresponding layers ( l 1 , l 2 , l 3 ; l 1 , l 2 ).
RU99100330A 1996-06-12 1997-06-12 Optical logic element and optical logic facility RU2172975C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99100330A RU2172975C2 (en) 1996-06-12 1997-06-12 Optical logic element and optical logic facility

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO962475 1996-06-12
NO972574 1997-06-06
RU99100330A RU2172975C2 (en) 1996-06-12 1997-06-12 Optical logic element and optical logic facility

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU99100330A RU99100330A (en) 2000-10-20
RU2172975C2 true RU2172975C2 (en) 2001-08-27

Family

ID=48235526

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99100330A RU2172975C2 (en) 1996-06-12 1997-06-12 Optical logic element and optical logic facility

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2172975C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2664012C1 (en) * 2017-05-12 2018-08-14 Борис Никитович Васичев Electron-beam processor of a quantum computer and the method of its implementation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2664012C1 (en) * 2017-05-12 2018-08-14 Борис Никитович Васичев Electron-beam processor of a quantum computer and the method of its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6005791A (en) Optical logic element and optical logic device
US3696344A (en) Optical mass memory employing amorphous thin films
RU2186418C2 (en) Optical logic gate and methods for its manufacture and optical addressing, as well as for its use in optical logic device
EP0800701B1 (en) Branched photocycle optical memory device
AU698622B2 (en) Method for parallel addressing of an optical memory, a write/read device for implementing by the method, and uses thereof
RU98101091A (en) OPTICAL DATA STORAGE AND METHODS OF OPTICAL RECORDING AND READING
RU2000100332A (en) OPTICAL LOGIC ELEMENT AND METHODS OF ITS APPROPRIATE MANUFACTURE AND OPTICAL ADDRESSING, AND ALSO ITS USE IN THE OPTICAL LOGIC DEVICE
US6118684A (en) Optical memories using electron trapping material
US6807138B1 (en) Light drive
RU2172975C2 (en) Optical logic element and optical logic facility
Chen et al. Advances in protein-based three-dimensional optical memories
US5502706A (en) Optical storage medium utilizing electron trapping film layers sandwiched with electrodes
KR20000016570A (en) Optical logic element and optical logic device
US3675220A (en) Planar random access ferroelectric computer memory
US3829847A (en) Optical memory using trapped electrons in a crystal of photoconductor material
NO310217B1 (en) Optical logic element and optical logic device
Chen et al. Second harmonic generation of bacteriorhodopsin and its application for three-dimensional optical memory
US20070057623A1 (en) Electroluminescent optical recording medium
Dvornikov et al. 3D optical memory devices. System and materials characteristics
WO1999062070A1 (en) Method and apparatus for three-dimensional storage of data
Piyaket et al. Three-dimensional memory system based on two-photon absorption
Jutamulia et al. Three-dimensional optical storage
SCHMIDT et al. Memory systems for optical computing
Maruo et al. Printing experiment using two position exposure scanning optics for color printers
CN1155939A (en) Optical random access memory having multiple state data spots for extended storage capacity

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080613