206

В.Г. БЕСПАЛОВ, В.Н. КРЫЛОВ,

В.Н. МИХАЙЛОВ

ОСНОВЫ ОПТОИНФОРМАТИКИ

Раздел I

Санкт-Петербург

2008

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

В.Г. Беспалов, в.Н. Крылов, в.Н. Михайлов основы оптоинформатики

Раздел I

Санкт-Петербург

2008

УДК 535+519.7; 681.3.01

Беспалов В.Г., Крылов В.Н., Михайлов В.Н.

ОСНОВЫ ОПТОИНФОРМАТИКИ Раздел I - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008 – 204 с.

В учебном пособии рассмотрены физические ограничения на параметры электронных компьютеров; возможности оптических систем по передаче, записи и обработке информации; рассмотрены схемные решения и принцип работы оптических компьютеров; основы теории информации; теория информации оптических систем; лазерные системы для оптоинформатики; оптическая запись информации.

Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «фотоника и оптоинформатика», а также для студентов других оптических и информационных специальностей.

Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200600 - Фотоника и оптоинформатика.

В 2007 году СПбГУ ИТМО стал победителем конкурса инновационных образовательных программ вузов России на 2007–2008 годы. Реализация инновационной образовательной программы «Инновационная система подготовки специалистов нового поколения в области информационных и оптических технологий» позволит выйти на качественно новый уровень подготовки выпускников и удовлетворить возрастающий спрос на специалистов в информационной, оптической и других высокотехнологичных отраслях экономики.

 Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2008

 В.Г. Беспалов, В.Н. Крылов, В.Н. Михайлов, 2008

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Информационные технологии – 8

от электронного к оптическому компьютеру 8

§1. Информационные технологии – от абака 8

к электронному процессору 8

§2. Предельные возможности элементной базы электронной компьютерной техники 25

§3. Оптические технологии в информатике 35

§4. Аналоговые оптические вычисления и процессоры 37

§5. Оптический процессор Enlight256 47

§6. Голографические методы обработки информации 49

§7. Цифровые оптические процессоры 53

Глава 2. Теория информации для оптических систем 61

§1. Основы теории информации 61

§ 1.1. Количество информации в системе равновероятных событий. Подход Хартли. 63

§1.2. Количество информации в системе событий с различными вероятностями. Подход Шеннона 67

§1.3. Обобщенная схема информационной системы 72

§1.4. Основные характеристики информационной системы 74

§1.6. Пропускная способность канала при наличии белого теплового шума 79

82

§1. 7. Избыточность информации 82

§2. Теория информации в оптике 84

§2.1. Число пространственных степеней свободы когерентных оптических сигналов 85

§2.2. Теоремы Д. Габора 87

§2.3. Число степеней свободы частично когерентных оптических сигналов 94

§ 2.4. Информационная емкость голограмм 98

Глава 3. Источники излучения для оптоинформатики 103

§1. Физические основы работы лазеров 103

§1.1. Оптическое усиление 104

§1.2. Взаимодействие излучения с веществом. 107

§1.3. Поглощение и усиление 112

§1.4. Принципы лазерной генерации 114

§1.5. Основные типы лазеров: классификация лазеров по агрегатному состоянию активного вещества 119

§1.6. Твердотельные лазеры 120

§1.5. Газовые лазеры 127

§1.5. Жидкостные лазеры 133

§2. Полупроводниковые лазеры 137

§2.1. Физические основы работы полупроводникового лазера 137

§2.2. Полупроводники 137

§2.3. Прямозонные и непрямозонные полупроводники 140

§2.4. Полупроводниковые светодиоды 143

§2.5. Основные параметры полупроводниковых лазеров 146

§2.6. Полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур 148

§2.7. Квантоворазмерные структуры 156

§2.8. Безопасность лазеров 161

§3. Источники излучения фемтосекундной и аттосекундной длительности 162

§3.1. Предельно короткие импульсы света и сверхсильные поля 162

3.2. Методы генерации сверхкоротких, в том числе фемтосекундных импульсов 164

§3.2. Генерация аттосекундных импульсов электромагнитного излучения 169

Глава 4. Локальная и распределенная запись информации 174

§4.1. Локальная (побитовая) запись 174

§4.2. Голографическая (распределенная) запись 175

§4.3. Оптические дисковые системы записи и хранения информации 178

§4.4. Голографические системы записи информации 188

§4.5. Быстродействие оптических устройств записи и хранения информации 191

Список литературы 192

Приложения 194

Параметры и свойства оптических материалов 194

Механизмы по­глощения оптического излучения в полупроводниках 196

Эффект Франца-Келдыша (электроабсорбционный эффект) в полупроводниках 199

Квантово-размерный эффект Штарка 201

КАФЕДРА ФОТОНИКИ И ОПТОИНФОРМАТИКИ 204