Release Final

транспарант (оптичний модулятор), лазери (здебільшого мініатюрні напівпровідникові), хвилеводи (оптоволокна), фотонні кристали та оптичні резонатори. На цих елементах реалізовуються як аналогові, так і цифрові схеми обробки сигналів.

(200) Оптичні комп'ютери. Просторово часові модулятори світла. Класифікація. http://www.opticstoday.com/katalog-statej/stati-na-ukrainskom/modelyuvannya-stati-na-

ukrainskom-katalog-statej/modelyuvannya-roboti-logichnix-pristroiv-paralelnogo-tipu-dlya-obrobki- binarnix-matric-na-eom.html

Оптичний модулятор – пристрій, який під дією зовнішнього впливу впливає на проходження світла через нього керованим чином. Бажано, якби модулятором можна було керувати, змінюючи його властивості якомога швидше (таким чином можна забезпечити швидкодію оптичного комп'ютера). На просторово-часових модуляторах світла (транспарантах) можна реалізувати програмовану логіку, тобто змінювати принцип обробки сигналів схемою відповідно до певної програми.

Зміна дійсної чи уявної частини діелектричної проникності -> модуляція фази чи амплітуди

Основні види модуляції

•Модуляція фази чи поляризації =f(n) на основі електрооптичних чи акустооптичних ефектів в кристалах чи кераміці, переорієнтація молекул в Рідких кристалах (РК).

•Модуляція поляризації при обертанні площини поляризації світла (магнітооптичні ефекти, молекули в спірально закручений РК).

•Модуляція фази світла при зміні показника заломлення (фазові переходи в халькогенідному склі і РК, температурних зсувах, фотозбудження світла в напівпровідниках)

•Модуляція фази світла на основі зміни геометричного рельєфу поверхні матеріалу під дією наведених електричних зарядів, електрострикції, п’єзолектричного ефекту.

•Модуляція амплітуди світла на основізміни величини коефіцієнта поглинання матеріалу (фоточи електроіндукована зміна електронних станів в фотохромних і електровакуумних матеріалах, зсув границі полоси власного поглинання н-п, зміна концентрації чи рухливості носіїв)

•Модуляція світла на основі зміни властивості середовища розсіювати світло (структурне впорядкування/розпорядкування оптичного середовища – РК, великозернистої електрооптичної кераміки)

Просторово-часові модулятори світла можна поділити на класи за фізичною природою керуючого сигналу:

-оптично керовані транспаранти. Ідейно найцікавіші, бо дають змогу будувати повністю оптичні комп'ютери, і наче мають найкращу швидкодію. Але не все так просто.

-електрично керовані транспаранти. Не так ідейно, але дуже цікаво в практичному плані, тому що електричне керування людство опанувало чудово і робить на цьому комп'ютери. Це зручно з точки зору сучасної елементної бази та виробництва.

-різноманітні інші ефекти: акустооптичні, поляризаційні, нелінійні...

Характеристики: Розмір

Кількість елементарних комірок Роздільна здатність (штрихів на мм)

Робочі довжини хвиль (нм), а для оптично керованих транспарантів – окремо і довжини хвиль керуючих сигналів

Величина керуючої напруги (для електрично керованих)

Коефіцієнт контрасту (Тмакс-Тмін)/(Тмакс+Тмін), де Т – коеф-т пропускання даного

транспаранта (керований діапазон від Тмакс до Тмін) Час перемикання (сек, швидкодія)

Нелінійність передаточної характеристики, Шуми (чим менші, тим краще)

(201) Оптичні комп'ютери. Мембранні модулятори. Мебранні комутатори.

03-2 Оптичні транспаранти. Класифікація (32 слайдів).pptx

Относится к области оптической обработки информации, в частности к пространственно-временным модулирующим устройствам.

Известны мембранные модуляторы, в которых модуляция света осуществляется за счет деформации отражающей, поверхности пленок масла, полимера или металлической фольги под действием электростатического поля.

Тобто: вхідний сигнал падає на такий модулятор. Якщо мембрана в тому місці, куди він потрапляє, гладенька, незбурена – то вона працює як дзеркальце. Якщо ж мембрана прогнута, вкрита чимось тощо – вона розсіює вхідне на неї світло або у визначену точку, або біс знає куди.

Примером является мембранный модулятор света, включающий управляющие электроды, перфорированный слой и мембрану с отражающим металлизированным слоем.

Товщина мембрани 0.1 мкм, Радіус R комірки 10 – 20 мкм Період решітки 40 – 50 мкм Кілкість комірок 128х128.

Зрештою, можна піти далі і замінити мембрану на малюсінькі-малюсінькі механічні дзеркала, керовані хоча б у одному вимірі (краще у двох). Тоді можна реалізувати не просто «пропускатор/непропускатор), а спрямувати будь-який з вхідних сигналів (променів) на будьякий з вихідних хвилеводів, виконуючи таким чином складну обробку сигналів. Такі штуки називатимуться Microscopic Mirror Optical Switch Array, або матриця мікродзеркал, або мікродзеркальний/мембранний комутатор.

Технічні передумови для цього є; такі дзеркала вдається виготовляти з непоганою точністю, понад того – вони вже сьогодні використовуються в побутовій техніці. Ця технологія називається Digital Light Processing.

Мікродзеркало рухоме в двох осях (чорні підставки забезпечують повороти по одній з перпендикулярних осей)

DLP-матрица — «сердце» современного DLP-проектора (такого, который показывает нам презентации на лекциях) — состоит из большого числа микроскопических зеркал размером до 16 микрон каждое. Вес такого зеркала приблизительно в пять раз меньше, чем вес обычного человеческого волоса. Каждое зеркало соответствует одному пикселю, при этом зазор между зеркалами составляет около 1 микрона. Зеркала изготавливаются из специального алюминиевого сплава, который обладает крайне высоким коэффициентом отражения. Каждое зеркало «насаживается» на ось и прикрепляется к жесткой скобе, которая, в свою очередь, соединяется с основанием матрицы системой подвижных пластин. Под зеркалом в двух противоположных углах расположены электроды, соединенные, например, с памятью SRAM. Влияние электрического поля заставляет зеркала принимать одно из двух возможных положений, отклоняясь от оси строго на +10 или -10 градусов. Таким образом, отражаясь от зеркальной матрицы, свет фокусируется через оптическую систему зеркал и передается (в проекторах) на экран. А мы можем передавать его в оптическую систему дальше.

(202) Оптичні комп'ютери. Магніто-оптичні транспаранти

див. (200), 03-2 Оптичні транспаранти. Класифікація (32 слайдів).pptx слайд 6-23

Важко додати щось словами. Суть в тому, що певний пристрій оптичної обробки (просторочасовий модулятор світла) керується магнітними полями. Є такий в фізиці ефект, як магнітооптичний ефект Фарадея. Комірка на цьому ефекті здатна керовано повертати поляризацію падаючого світла (залежить від прикладеного магнітного поля).

Зверху – магнітооптична плівка з феромагнітного гранату, шар товщиною 5- 10 мкм (на 500 мкм підкладці)

На цьому реально отримати простий «пропускатор/непропускатор», на цю структуру повинно падати вже поляризоване світло, а відсіканням/пропусканням має займатись додатковий аналізатор (поляроїд), розміщений за оптичною схемою після цього магнітооптичного девайсу.

Чому саме магнітооптичний ефект? Можна витиснути значну швидкодію. Справа в тому, що поширення специфічної взаємодії – утворення магнітних доменів – відбувається дуже швидко, до того ж:

Діпазон 0.8..1.5 мкм

Контраст (монохромний) I+/I- = 20000:1 Контраст (біле світло) I+/I- = 20:1

Можливість формування комірок довільного розміру 10…500 мкм Можливість створення модулів роміром 80х80 мм і з кількістю комірок до 4 000 000 Можливість створення мозаїчних структур Малі розміри, маса Мале електроспоживання Радіаційна стійкість Термостабільність

Фіча: якщо локально розігрівати цей магнітооптичний модуль перед керуванням, можна суттєво знизити необхідне на перемикання магнітне поле. Тобто, можна керувати більш слабкими сигналами (= менше завади, менше втрати, більша швидкодія).

Нарешті, лайтмод адресація: поблизу керуючих провідників створюємо сильно модифіковані домішкою зони. якщо пішов процес утворення домену, то стінка домену бігтиме і переключатиме магнітооптичний елемент в комірці. Якимось макаром ця штука вибірково (адресно) перемикає магнітооптичні елементи, вже вибачте, але ніхто цього не шарить.

(203) (204) Оптичні комп'ютери. Транспаранти на основі рідких кристалів. Акустооптичні транспаранти.

Оптичний транспорант – оптичний пристрій (діапозитив, діафрагма, поляроїд, фазова пластина ітд), що встановлюється на шляху розповсюдження світлового променя і виконує задане перетворення амплітуди чи/і фази хвилі світла.

Види:

•Амплітудні (щілини, сітки, діафргагми)

•Фазові (призми, лінзи)

•Амплітудно-фазові (світофільтри, голограми)

Розглядувані транспаранти виконують зміну дійсної чи уявної частини діелектричної проникності, що дозволяє проводити модуляцію фази, амплітуди чи поляризації на основі акустооптичних ефектів в кристалах чи кераміці або переорієнтації молекул в рідких кристалах (РК).

Акустооптические транспаранты

Под действием механических деформаций, переносимых звуковой волной, возникает пространственная модуляция оптических свойств среды, обусловленная упруго-оптическим,

или фотоупругим, эффектом (фотоупругость - возникновение оптической анизотропии в первоначально изотропных твёрдых телах под действием механических напряжений вследствие зависимости диэлектрической проницаемости вещества от деформации и проявляется, например, в виде двойного лучепреломления и дихроизма). Показатель преломления среды меняется по формуле (где n0 - исходный показатель преломления, u - величина деформации, pэфф -эффективный коэффициент фотоупругости):

Оптические свойства среды меняются во времени с частотой звуковой волны, т. е. значительно медленнее и по сравнению с периодом электромагнитных колебаний в световой волне, и по сравнению со временем прохождения светового луча через звуковой пучок. При низких интенсивностях оптического излучения акустооптическое взаимодействие сводится к эффектам оптической рефракции и дифракции (с повышением интенсивности света все возрастающую роль начинают играть нелинейные эффекты воздействия света на среду). В зависимости от соотношения между поперечным размером падающего оптического пучка d и

Дифракции света на ультразвуке. В результате периодического изменения показателя преломления света под действием звуковой волны в среде возникает струкгура, аналогичная дифракционной решётке. Если в такой структуре распространяется пучок монохроматич. света, то в ней, помимо основного, возникают пучки отклонённого (дифрагированного) света. Дифракция света происходит не только на вводимой извне звуковой волне, но и на коллективных возбуждениях среды - акустических фононах, в результате чего возникает рассеяние света со сдвигом частоты вверх и вниз на величину частоты фонона (Мандельштама-Бриллюэна рассеяние). Наблюдать дифракцию света на ультразвуке можно, посылая лазерный луч 1 на образец 2, в к-ром излучатель звука 3 возбуждает УЗ-волну. Линза 4 собирает дифрагированный свет, идущий по разным направлениям, в разл. точках экрана 5. В отсутствие УЗ на экране видно световое пятно от проходящего света; при включении УЗ справа и слева от него появляются пятна, создаваемые дифрагированным светом разл. порядков. Помещая вместо экрана диафрагму, можно выделить соответствующий порядок дифракции. Регистрирующая система, содержащая фотоприёмное устройство 6 и поляризац.

анализатор 7, позволяет измерять интенсивность дифрагированного излучения, его угл. и поляризац. характеристики:

При использовании акустооптических транспарантов может замеряться интенсивность как пройденного так и преломленного луча. Технически транспарант представляет собой акустооптическую среду, с одной стороны которой находится источник ультразвука, с другой - поглотитель (для предотвращения отражения):

Используется частоты до 750 МГц, время отклика - порядка 10 нс, эффективность - до 70% (интенсивности исходного пучка). Высокая частота (и следовательно малая длина волны по сравнению с размерами устройства) позволяет излучать волны цугами (порциями), т.е. возможно в один момент времени в столбике фотоупругой среды создать чередующиеся в необходимом порядке возбуждённые и невозбуждённые участки (ячейки). Сами источника

звука, следовательно, располагаются в виде прямоугольной матрицы (обычно 1xN, хотя могут быть реализованы и "многослойные" транспаранты) на одном из торцов акустооптической системы (транспаранта) на таком расстоянии, чтобы возбуждения в разных столбиках не накладывались друг на друга. Таким образом, фотоупругая среда в транспаранте оказывается разделённой на ячейки (которые не имеют границ в спокойном состоянии), каждая из которых может быть возбуждена по отдельности от остальных:

Транспаранты на основе жидких кристаллов

Жидкие кристаллы - форма материи, которая сочетает свойства жидкостей (текучесть) и кристаллов (анизотропность). Такие свойства наблюдаются благодаря тому. что молекулы жидких кристаллов имеют сами по себе изотропные характеристики. За счёт сочленённых ароматических колец и кратных связей они являются конформационно жёсткими (мало меняют свою форму вследствие различных эффектов, в т.ч. теплового движения). Соответственно, полностью хаотичная организация (как в обычных жидкостях) с максимальной энтропией становится невыгодной энергетически (т.к. в веществе появится много пустот и потеряются некоторые межмолекулярные взаимодействия, например, ваандервальсовы). Применяющиеся на практике ЖК обычно имеют форму палочек (анизотропность вдоль одной из осей). При этом оси молекул ориентированы преимущественно одинаково (т.е. молекулам невыгодно энергетически развораяиваться), однако они могут продолжать свободно перемещаться в различных направлениях (нематические ЖК) или только в направлениях, перпендикулярных оси (выделяются мономолекулярные слои - смектические ЖК):

Тем не менее, вещества, потенциально могущие переходить в ЖК-фазу, не находятся в ней всегда.Самый примитивный способ менять "переключать" состояние между анизотропным и изотропным - изменять температуру (наблюдается фазовый переход 2-го рода):

Используемые в транспарантах ЖК обладают ещё одним свойством - высокой поляризуемостью (т.е. при действии электрического поля внутри молекулы возникает разделение зарядов (диполь)). Она достигается путём введения на разные концы "палочки" функциональных групп, имеющих тенденцию заряжаться положительно (-NR2) или отрицательно (-COOH). На этом основывается другой способ "переключения", нашедший применение в технике:

В веществе, в котором при комнатной температуре энергия теплового движения превышает

выигрыш энергии от анизотропной ориентации (и которое, следовательно, является обычной жидкостью), под действием электрического поля появляется дополнительное межмолекулярное взаимодействие, стабилизирующее анизотропное состояние, которое и может вызвать "переключение" в ЖК-форму.

Важным является то, что возникшая на молекулярном уровне анизтропия превращается в анизотропию показателя преломления на макро-уровне, что позволяет приложенным напряжением регулировать угол полного внутреннего отражения:

Может быть также реализована "доменная" схема, в котором пузырьки ЖК находятся в полимерной матрице, но в отсутствие поля молекулы в разных пузырьках ориентированы хаотично, вызывая рассеивание света (как матовое стекло). При включении поля все пузырьки ориентируются одинаково и слой становится прозрачным: