ПРОБЛЕМА ОПТИЧЕСКОГО КОМПЬЮТЕРА До сих пор речь шла об оптических аналоговых вычислениях. Задача – создание оптического цифрового компьютера, т.е. выполнение бинарных операций чисто оптическими средствами ОПТИЧЕСКИЕ ВЕНТИЛИ И ТРИГГЕРЫ Амплитудный триггер (нелинейный резонатор Фабри – Перо) E tEexp(ikL)t 2 Eexp(ikL) trEexp(2ikL) tr 2 Eexp(3ikL) t 2 r 2 Eexp(3ikL) t 2 rEexp(2ikL) tr 3 Eexp(4ikL)t 2 r 3 Eexp(4ikL) L Прошедшая волна Отраженная kL rt Er

По интенсивности (I = |E| 2 ) Внутри резонатора При r 1, t

Фазовый триггер (оптический параметрон ) r LC(t)C(t) V(t)V(t) C(t)C(t) V(t)V(t) Когда заряд конденсатора максимален (V = ± max), пластины раздвигаются (C уменьшается) Усиливаются колебания, для которых = 0,. Колебания с = ± /2 подавляются. Параметрические колебания обладают фазовой бистабильностью В обычных условиях фаза (0 или ) выбирается случайно, но можно ее «навязать» и записать таким образом 0 или 1. Считывание: фазовый детектор или сложение с колебанием известной фазы. Амплитуда стандартная (нормируется) Такой генератор ( параметрон ) может использоваться для двоичной логики. Фазовая селективность

Логика на параметронах ИЛИ П1 П2 + Постоянно записан 1 ВходВыход И П1 П2 – Постоянно записан 0 ВходВыход В оптике параметрическая генерация происходит благодаря нелинейным свойствам среды. тензор НЛ восприимчивости 2-го порядка Волна накачки модулирует диэлектрическую проницаемость Возникает сигнальная волна Для эффективной генерации требуется, чтобы сигнальные волны, возбужденные при различных z, не гасили друг друга: волновой синхронизм Это условие может быть реализовано в двупреломляющих кристаллах, если одна из волн обыкновенная, другая необыкновенная В результате возможны два устойчивых состояния сигнальной волны с = 0, : реализуется оптический фазовый триггер Отрицание: противоположная полярность или задержка на полпериода

СЖАТЫЕ СОСТОЯНИЯ Случайный процесс – суперпозиция гармонических колебаний со случайными фазами и амплитудами. Каждое колебание – точка на плоскости A X Y Обычный шум изображается совокупностью точек, густота которых ~ вероятности. При параметрической генерации колебания с фазой = 0, усиливаются, а с = ± /2 – подавляются Дисперсии квадратурных компонент равны: X = Y X > Y : сжатое состояние X Y = const t t Линии равной вероятности – окружности – квадратурные компоненты

Сжатие флуктуационных полей позволяет обойти естественный предел точности измерений. За счет увеличения дисперсии одной из квадратурных компонент можно сделать так, что в другой компоненте флуктуации будут ниже уровня тепловых или даже квантовых шумов. Шумы «перекачиваются» в одну компоненту, для измерений используется другая Задающий лазер ErEr E s (сжатое) накачка опорная волна E s + E r Es – ErEs – Er Параметрический генератор ФД1 ФД2 ФД регистрирует средний квадрат сигнала I 1 = [Xsin t + Ycos t + Bsin( t )] 2 I 2 = [Xsin t + Ycos t – Bsin( t )] 2 I 1 – I 2 = 4B (Xsin t + Ycos t) sin( t )] 1 + = /2: I 1 – I 2 зависит только от Y; 1 + = : только от X Всегда можно выделить компоненту с подавленными флуктуациями

X и Y – канонически сопряженные переменные, в квантовой механике описываются некоммутирующими операторами Любое измерение возмущает систему, но при некоторых условиях все возмущение передается одной квадратуре, а другая измеряется точно. Пример: координата x и импульс p Сжатие регулярных колебаний в присутствии шума t t Несжатое состояниеСжатое состояние фазыСжатое состояние амплитуды Можно повысить точность измерения амплитуды (интенсивности) за счет увеличения дисперсии фазы. Фаза и амплитуда – тоже пара сопряженных переменных. t

Субпуассоновская статистика В сжатых состояниях амплитуды наблюдается пониженная дисперсия интенсивности (числа фотонов) Дисперсия амплитуды и фазы в сжатых состояниях Пуассоновская статистика В сжатых состояниях фазы – повышенная дисперсия числа фотонов

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ТРИГГЕРЫ Две ортогональные поляризации двоичное кодирование информации Энергетические преимущества по сравнению с амплитудным и фазовым: Возможность бездиссипативных схем (взаимодействие обусловлено действительной частью показателя преломления); можно выбрать условия, при которых поляризационное взаимодействие эффективно, а поглощение отсутствует. |n e – n o | kz = /2 3 /22 Длина поляризационных биений L = /|n e – n o | L/4L/23L/4 В исходном состоянии волокно имеет длину L/2, на выходе круговая поляризация противоположного знака Квадратичная ( керровская ) нелинейность показателя преломления: n = n 1 + n 2 I. При n 2 I |n e – n o | длина L, и на выходе будет та же спиральность, что и на входе. Если |n e – n o | мало, достаточно совсем небольшого изменения I для переключения

Пороговая интенсивность I t ~ |n e – n o |n 2 –1 Опорное излучение Сигнал переключения Управление: соотношение фаз опорной и сигнальной волн Поляризационная призма Волокно со слабым двупреломлением Все сигналы импульсные, 10 –13 с. Недостаток - большая длина волокна, задержка на вентиль ~ 5 нс. Реализация триггера Полная аналогия с транзистором

ОПТИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ: СВЕТОВОЕ ЭХО Контур спектральной линии – контур Лоренца 2 0 Если все атомы имеют одну и ту же центральную частоту 0, то среда называется спектрально-однородной Факторы неоднородности: Окружение; Различные скорости атомов (эффект Доплера) Видимая частота 0 ' = 0 + ku u Наблюдатель 2 = 2k u Наложение сдвинутых контуров Лоренца: доплеровкий неоднородный контур Скорости распределены по закону Гаусса –1 = T 1 – время релаксации

Свойства среды: лазерный переход на частоте 0 с малой однородной шириной (большое время релаксации T 1 ). Большое неоднородное уширение (T 2

Длительность эхо-импульса определяется временем расфазировки T 2, область существования эхо – временем релаксации T 1

Входные данные Программирующие импульсы Считывающие (стимулирующие) импульсы

Выводы по оптическим компьютерам Оптические элементы не уступают и часто даже превосходят п/п микросхемы по параметрам быстродействия и энергопотребления Естественно сочетаются с наиболее перспективными в настоящее время оптическими линиями передачи и устройствами хранения Ограничение по размерам: длина волны. Иногда его можно обойти (линии передачи на поверхностных плазмонах и поляритонах, оптика ближнего поля) Для некоторых НЛ взаимодействий требуется большая длина большие задержки сигнала Полностью оптический компьютер, скорее всего, нереален, но в комбинации с другими устройствами оптические средства очень эффективны. Оптические элементы могут взять на себя часть вычислений, особенно часто повторяемые стандартные задачи; обеспечить оперативное и долговременное хранение информации; гальваническую развязку и бесконтактные соединения (например, в сверхпроводящей электронике).