基于量子阱包络态跃迁和集成光学技术的光计算机1997年12光电子?激光?。8,No。5Dec。,1997基于量子阱包络态跃迁和集成光学技术的光计算机矽一山毫秒—u(,,):,。pti—。
;;ter1。量子阱包络态跃迁子阱中导带电子波函数的两个包络态之间的跃迁。此类跃迁是一种新型的红外跃迁,它不同于往年提及的许多其他的跃迁,比如导带与价带之间的跃迁。在导带到价带的跃极子出现在布洛赫态之间,包络态(或动量矢量)保持不变。在量子阱包络态跃迁中,偶极子出现在包络态之间,布络赫态几乎保持不变量子阱包络态跃迁具有一些令人感兴趣的性质:假如纵向动量(或波矢)守恒,那求两个态之间的能量差时,纵向动能就被消掉,因而所有的跃迁将具有同样的能量,但是造成窄的共振吸收,实验上测出量子阱包络态跃迁的线宽为3子阱包络态跃迁的能量是可以调整的。通过适当地选择阱宽,可把能量调谐到红外的某一固1996年11月12日录用。光电子?激光8定能量,同时仍旧才能保持窄的带宽。振子硬度和偶极矩都很大,分别为超过12和接近20e一^。一个大的偶极矩常常喻示着一个很大的三阶非线性系数口一。估算给出折变与光硬度的比值为1。010cm/w。导带内的跃迁具有10O一400Is快速弛豫的性,一般的价带到导带的跃迁并不具有这样快的驰豫特点。
在很大的气温范围内(比如从34。),共振能量和带宽变化很小。当气温变化1时,能量仅仅改变0。锗与量子通讯,这一数值要比带隙跃迁的小3O倍,它的这种性质就促使这些新型的红外跃迁在光估算中获得重要的应用。实验上观察量子阱包络态跃迁吸收的样品包括50个钙钛矿(GaAs)量子阱。每一个的右侧覆盖以150A未参杂的。在那些被缓冲的阱之间是100^参杂410"cm硅道友的AI。GaAs。整个结构的一侧是2900A未参杂的。最前面的是覆盖层。样品是借助分子束外延长成的。测试样品用的仪器是傅里叶变换红外波谱仪。在测得的温度吸收谱中,量子阱包络迁吸收峰显著可见。当阱宽从65A降低到82A时,量子阱包络态跃迁共振能量则从移到了。2。微微秒集成光学逻辑因为量子阱包络态跃迁能量可以调谐到CO激光能量和具有亚微毫秒的弛豫时对于以不非常高昂的激光器作为光源的快速光学数字逻辑来说,量子阱包络态跃迁非线性材料就成为一种较为理想的材料。过去,全光估算的概念一般指的是借助透镜成象互连的光学双稳逻辑器件的二维阵列。基于量子阱包络态跃迁的光学逻辑采用的则是全光装置和集成光学线路]。
目前集成光学技术还难于作到在lcm容积中集成10个光学逻辑门比如,一个典型的晶闸管激光器上的分布反馈镜宽度为几百个微米,一个90。弯曲波导也有几百个微米长,这种规格都远远不符合莱州度集成的要求出现此类情况的缘由在于包层材料的折射率接近波导的折射率。降低包层和波导之间折射率的差异,对于多模波导,有可能使波导规格大于材料中的波长。为了去除大折射率差所造成表面散射的显着降低,须要使波导各个侧面的光滑度提升十倍以上。并且这超出了现代芯片的生产水平。若果在适当提升光滑度的同时,使渡长降低十倍,也能达到清除散射的同样目的。因而,中红外跃迁将允许制造紧密的集成光学波导和使用不很高昂的CO激光来驱动计算机。对于一个穿衣镜透射为1O珀罗腔,量子阱包络态跃迁非线性材料的最小开关能量大概是2,15fja假如把增益和损失也包括进来,逻辑门的能量需求大概是21fj。集成光学计算机中的各类器件目前正处在研发之中。横越波导刻蚀出一个深深的置入高折射率的材料(比如锗锗与量子通讯,一一4,0),就构成了一个波导介质反射镜。三个四分之一波槽的组合(总厚度大概5肿)才能使反射达到90以上。把一个锗棱镜放在波导转角处,成了一个波导角反射镜。
红外光在锗棱镜内发生全内反射,因而改变了传播方向。高折射率的交叉波导容许讯号在一个平面内彼此无干涉地交叉通过。一个大规格(75—)的光栅经锥形过渡与波导相连就构成了一个耦合器,把光从波导耦合到自由空间中。一个借助上述各类集成光学器件,富含个输入的或非门早已被设计下来。这个门使用了对输入有较高共振的交叉腔,致使法布里一珀罗膻内的吸收得到强化,因而获得增益。期孙懋琮等:基于量子阱包络态跃迁和集成光学技术的光计算机?4933。计算机系统从逻辑门到计算机可能会碰到以下问题:第一是讯号的传播延后。为了获得快的计度,从一个门到下一个门的传播延后应该比逻辑开关时间小得多。并且在以透镜为基础的系统中,传播延后要比逻辑门速率大i000倍。园此,无论逻辑门速率如何快,以透镜为基础的系统的渡越时间只能与电子逻辑的相近。第二是任务给定情况下结构的配合。透镜的最大优点在于它能提供大容量互连,打破了冯?诺以曼()困局效应。并且,透以很在规则的形式使光成象,这样在互连中可供选择的余地就很小了。第三是热耗散。计算机一般把逻辑门分布在许多二维的表面或板上。扩充的表样貌许较大的热耗散。因为光学逻辑的高速率须要很高的功率,所以热耗散同题对光学逻辑装置非常重要。
以透镜为基础的系统的逻辑被限制在高度密集的二维阵列中,倘若不能把逻辑开关能量在现有水平上改进千倍,热耗散问题将使门时间限制在ins或更慢的时间。基于量子阱包络态跃迁的光计算机是一种集成光学线路的计算机,它还能得到与透镜系统同样的平行性,同时却有小得多的容积和极少的传播延后在各类集成光学器件和逻辑门的基础上,早已构想出如下的一个种光计算机口]。在一个周长为3。3ram的圆形芯片上(面积约10Izm),设置1100个逻辑门(每位店面积10m)300个光栅耦合器(每位耦合器面积10',um)。在一块lcm的板上设置9个这样的芯样就有了大概1O个逻辑门。芯片是通过坐落逻辑里面的线路板相互联系上去的逻辑芯片和线路板的长度都是25m,冷却通道的宽度是175~m,于是整个板的长度是225~m一个lcm。的计算机可以容纳4O块这样的板,逻辑门的总量达到了4x10个。最差情况的传播距离约为3cm,其中包括了在自由空间中的传播距离。在硒化锌波导中光传播lcm约需66ps,因此最差情况下通过计算机的渡越时间大概是l50ps,这个传播延后与延后是协调的。计算机的高速存贮在里面的逻辑板上方,包括光栅耦合器的阵列,它还能提供快的一兆位的自由空间储存。
假如把光栅耦合器的阵列降低到,则能形成一百兆位的储存基于量子阱包络态跃迁的集成光学计算机非常适宜与其他的电子和光学系统直连。应用几兆兆赫带宽的耦合器可以把lOFm的红外晶闸管合到红外光纤中或成象调制器的阵列上。光纤通信中使用波长从0。9,um1。5。um的光。因为0。9m1m的光可通过导带的同一较低量子态互相作用,因此二者以ps的速率实现互相调制是可能的。基于量子阱包络态跃迁的侦测器能把红外光转换成电压,调制器能从电子逻辑电流形成光学逻辑讯号。因而,在几十个ps的高速水平上,这些光计算机直接与电子逻辑系统相连是可能的。基于量子阱包络态跃迁的光计算机,充分借助了近代发展上去的多晶硅量子阱的技术,它对制造,环境,材料设有更特殊的要求,光学逻辑门的系统集装也有所简化。在这些基础上,基于量子阱包络态跃迁的光计算机的研发工作是大有希望的。参考文献1L。C。。J。+App1。Phys。。+1985,46(12):11562A。Huang,Proc。IEEE。1984。72(7):7803L。C。West。(USA)。1987,20(12);344B。F。。。App1。PAys。Lett。,1987,50(16):1092