Исследование реализаций логических устройств фотонного компьютера

     Федеральное агентство связи

     Государственное унитарное предприятие высшего  профессионального образования

     Московский  технический университет связи  и информатики

     Кафедра математической кибернетики и информационных технологий 
 
 
 
 
 
 

     Цикл  лабораторных работ

     по курсу КТНО 
 
 
 
 
 

      

     Руководитель: доц. Коцев М.Б.                       Выполнил

     Дата  сдачи:                                                       гр:     

     Оценка:                                                             Вариант:

     Подпись:                                                           Бригада:

                                                                                       

                                                                     

     2011

 

      Лабораторная работа 1

     Исследование  реализаций логических устройств фотонного компьютера 

     1. Цель работы: изучить принцип работы, основные виды и технологии исполнения логических элементов с использованием фотонных кристаллических решеток. 

     2. Постановка задачи:

     2.1 Изучить основные принципы разделения пучков энергии.

           2.2 Ознакомиться с  энергетическими параметрами элементов.

           2.3 Исследовать принцип работы логических элементов.

      2.4 Описать базисные функции для фотонного компьютера. 
 

     Теоретические сведения

     Однажды привычная электронная технология может быть вытеснена фотоникой. Тогда современные скорости вычислений и передачи данных покажутся людям невообразимо медленными. Но, прежде чем это случится, учёным нужно будет решить ряд проблем.

     Идея  заменить манипуляции с электронами  на "махинации" с фотонами – очень стара. Уже, наверное, десятилетие-другое мы слышим предсказания о скорейшей замене классических компьютеров оптическими.

     Но, несмотря на обилие экспериментов, воз  и ныне там.

     Правда, на определённых участках Всемирной  паутины по оптическим кабелям давно передают огромные массивы данных, но, в конечном счёте, всё равно мы имеем дело с электронными компьютерами.

     Казалось  бы, лазерная техника (в том числе  – очень миниатюрная), оптические волокна, светодиоды и фотоприёмники, линзы и призмы – давно позволяют нам построить фотонные аналоги кремниевых микросхем. 

     3.1. Изучение основные принципы разделения пучков энергии

     Важные  шаги в этом направлении проделали  недавно специалисты американской Национальной лаборатории в Беркли (Berkeley Lab) и университета Калифорнии там же (University of California, Berkeley).

     Они научились создавать тончайшие  оптические проводники и составлять из них необычайно миниатюрные схемы.

     Лидером данного исследования является Пэйдун Ян (Peidong Yang), сотрудник лаборатории.

     "Мы  смогли собрать лазеры и полупроводниковые волноводы в наноструктуры, которые иллюстрируют, как свет может быть передан между узлами, — говорит Ян — Мы также ввели новую прикладную область для нанолент и нанопроводов — оптические волноводы наномасштаба в жидких средах, что очень пригодится для исследований, к примеру, в биологии и химии".

     Квадрат из четырёх скрещивающихся лент показанный на рисунке 3.1.1 представляет прототип логической фотонной схемы нанометрового масштаба. Вход – слева внизу. Цифрами обозначены выходы. На вставке – сильно увеличенное перекрестие. Ширина лент – 300-400 нанометров.

     

Рисунок 3.1.1. Скрещивающиеся наноленты                                        представляют собой логический элемент 

     Нанопровода и наноленты, которые создали  Ян и его коллеги – это цельные кристаллы, которые достигают миллиметра в длину, но только несколько десятков или сотен нанометров в толщину.

           Эти ленты и волокна  могут служить оптическими волноводами  для того, чтобы направлять фотоны через сложные схемы, в том числе – за счёт переизлучения (фотолюминесценции).

     Пока  фотонная логическая система на одном  чипе размером с обычные электронные  микросхемы не создана, но американские исследователи приближаются к этому  рубежу.

     Они показали как нанолазеры, созданные  с применением оксида цинка или нитрида галлия, соединяются с оптическими волокнами (из оксида олова) такого же нанометрового масштаба и заставляют свет бегать от узла к узлу, поворачивать и ветвится как показано на рисунке 3.1.2.

     

     Рисунок 3.1.2. Снимок в плоскости схемы.

     На вставках – сигналы на выходах 

     3.2. Ознакомление с энергетическими параметрами элементов

     В простейшем случае, когда имеются  лишь два входящих пучка, можно наблюдать  два типа особой интерференции. При  интерференции первого типа ни один из входящих пучков не передает энергию во второе положение, если один из пучков самоактивирован. Когда оба входящих пучка активированы, под воздействием интерференции энергия обоих пучков оказывается во втором положении.

     В случае особой интерференции второго  типа энергия первого входящего пучка не передается во второе положение, когда он самоактивирован. Когда второй входящий пучок становится активированным, в результате интерференции энергия обоих входящих пучков оказывается во втором положении. При этом, однако, энергия второго пучка все равно оказывается во втором положении, когда он самоактивирован.

     В некоторых вариантах осуществления  и применения настоящего изобретения  возможно использовать любой из типов  особой интерференции. Тем не менее, известны случаи, когда необходим тот или иной тип интерференции, и невозможно использовать оба ее типа, например, в рассмотренном ниже логическом элементе И.

     При особой интерференции любого типа отдельные  пучки создают изображения в положениях, где имеет место интерференция, даже если указанные изображения представляют собой лишь простые пятна. Затем происходит взаимная интерференция данных изображений.

     Для реализации логических элементов подойдут энергетические уровни и барьеры показанные на рисунке 3.2.1.

Рисунок 3.2.1. Формы входного/выходного сигнала порогового детектирования логических элементов «И» и «ИЛИ»

     3.3. Исследовать принцип работы логических элементов.

     Для реализации логических элементов необходимо устройство управления пучком энергии, содержащее первую совокупность пучков, направленных в по меньшей мере одно первое положение, и вторую совокупность пучков, модулированных управляющей информацией и направленных в указанное по меньшей мере одно первое положение, в результате чего создается интерференция между указанными первой и второй совокупностями пучков в указанном по меньшей мере одном первом положении, когда обе указанные совокупности пучков активированы, энергия из обеих указанных совокупностей пучков отклоняется в по меньшей мере одно второе положение пропорционально указанной второй совокупности пучков, при этом энергия из указанной первой совокупности пучков отсутствует в указанном по меньшей мере одном втором положении, когда указанная вторая совокупность пучков отключена или сфазирована с указанной первой совокупностью пучков, и присутствует в указанном по меньшей мере одном втором положении, когда указанная вторая совокупность пучков включена и несфазирована с указанной первой совокупностью пучков, и разделитель составляющей изображения, служащий для выделения энергии из указанного по меньшей мере одного второго положения с целью создания по меньшей мере одного выходного сигнала, за счет чего осуществляется управление указанным по меньшей мере одним выходным сигналом с помощью указанной второй совокупности пучков.

     Такое устройство изображено на рисунке 3.3.1.

     

     Рисунок 3.3.1. Логическое устройство управляющее

     пучками световой энергии

3.4. Синтезировать базисные функции для фотонного компьютера.

     Основное  различие между двумя типами особой интерференции и интерференционными полосами Янга легко проиллюстрировать с помощью логического элемента И. В случае использования особой интерференции первого типа можно получить логический элемент с двумя входами, поскольку когда один из двух входов самоактивирован, выход остается неактивированным. Примечание: термин "неактивирован" может означать любое состояние в интервале между полностью "неактивированным" и малоактивированным состоянием по сравнению с "активированным" или высокоактивированным состоянием, поскольку в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения может происходить утечка энергии. Поэтому, даже если такие варианты осуществления являются несовершенными, они все же могут быть полезными. Только в случае, когда оба входа активированы, энергия обоих пучков действительно появляется во втором положении (-ях), из которого обеспечивается выходной сигнал логического элемента И как показано на рисунке 3.4.1.

     

     Рисунок 3.4.1. Логический элемент «И» 

     Интерференция Янга в том виде, как она применялась в предшествующем уровне техники, также не способна обеспечить функции логического элемента И. Интерференция Янга обеспечивает энергию на выходе, когда один или оба входящих пучка активированы. В технике это явление описано как логический элемент ИЛИ, он изображен на рисунке 3.4.2.

     Рисунок 3.4.2. Логический элемент «ИЛИ» 

     Энергия, отклоненная интерференцией на выход, создает "неинвертированный" выход. Так, при включенном управляющем  пучке, создается неинвертированный выход. Указанная отклоненная энергия удаляется из пучка энергии и управляющего пучка, в результате чего их влияние на первое положение (-я) уменьшается. Поступление остающейся энергии из первого положения (-и) на отдельный выход создает инвертированную огибающую сигнала. Данный инвертированный выход обеспечивает дифференциал с неинвертированным выходом.

     Если  модулированный вход модулируют с помощью  двоичной информации и используют инвертированный  выход, то полученный логический элемент  является логическим элементом НЕ, показанном на рисунке 3.4.3, в котором используется особая интерференция любого типа.

     

     Рисунок 3.4.3. Логический элемент «НЕ» 

     Выводы:

     В результате проделанной работы можно  увидеть что создание логических элементов для фотонного компьютера возможно, и способно дать увеличение быстродействия на порядок 100 000 раз относительно проводниковых и полупроводниковых структур. 
 
 

       Список литературы:

     1. Заварзин, П.О. Избранные труды; М:. Издательство Академии Наук

         РФ, 2009.

     2. Касьянов, Х.Э. Использование интерференции в наноструктурах и ее

         значение; М.: Академкнига, 2000.

     3. Лидский, Р.У.; Тарковская, А.А. Организация логических элеметов на  

         наноструктурах; Екатеринбург, 2009.

     4. Патент РФ № 2140100 C1