基于量子阱包絡態躍遷和集成光學技術的光計算機1997年12光電子?激光?。8,No。5Dec。,1997基于量子阱包絡態躍遷和集成光學技術的光計算機矽一山毫秒—u(,,):,。pti—。
;;ter1。量子阱包絡態躍遷子阱中導帶電子波函數的兩個包絡態之間的躍遷。此類躍遷是一種新型的紅外躍遷,它不同于往年提及的許多其他的躍遷,比如導帶與價帶之間的躍遷。在導帶到價帶的躍極子出現在布洛赫態之間,包絡態(或動量矢量)保持不變。在量子阱包絡態躍遷中,偶極子出現在包絡態之間,布絡赫態幾乎保持不變量子阱包絡態躍遷具有一些令人感興趣的性質:假如縱向動量(或波矢)守恒,那求兩個態之間的能量差時,縱向動能就被消掉,因而所有的躍遷將具有同樣的能量,但是造成窄的共振吸收,實驗上測出量子阱包絡態躍遷的線寬為3子阱包絡態躍遷的能量是可以調整的。通過適當地選擇阱寬,可把能量調諧到紅外的某一固1996年11月12日錄用。光電子?激光8定能量,同時仍舊才能保持窄的帶寬。振子硬度和偶極矩都很大,分別為超過12和接近20e一^。一個大的偶極矩常常喻示著一個很大的三階非線性系數口一。估算給出折變與光硬度的比值為1。010cm/w。導帶內的躍遷具有10O一400Is快速弛豫的性,一般的價帶到導帶的躍遷并不具有這樣快的馳豫特點。
在很大的氣溫范圍內(比如從34。),共振能量和帶寬變化很小。當氣溫變化1時,能量僅僅改變0。鍺與量子通訊,這一數值要比帶隙躍遷的小3O倍,它的這種性質就促使這些新型的紅外躍遷在光估算中獲得重要的應用。實驗上觀察量子阱包絡態躍遷吸收的樣品包括50個鈣鈦礦(GaAs)量子阱。每一個的右側覆蓋以150A未參雜的。在那些被緩沖的阱之間是100^參雜410"cm硅道友的AI。GaAs。整個結構的一側是2900A未參雜的。最前面的是覆蓋層。樣品是借助分子束外延長成的。測試樣品用的儀器是傅里葉變換紅外波譜儀。在測得的溫度吸收譜中,量子阱包絡遷吸收峰顯著可見。當阱寬從65A降低到82A時,量子阱包絡態躍遷共振能量則從移到了。2。微微秒集成光學邏輯因為量子阱包絡態躍遷能量可以調諧到CO激光能量和具有亞微毫秒的弛豫時對于以不非常高昂的激光器作為光源的快速光學數字邏輯來說,量子阱包絡態躍遷非線性材料就成為一種較為理想的材料。過去,全光估算的概念一般指的是借助透鏡成象互連的光學雙穩邏輯器件的二維陣列?；诹孔于灏j態躍遷的光學邏輯采用的則是全光裝置和集成光學線路]。
目前集成光學技術還難于作到在lcm容積中集成10個光學邏輯門比如,一個典型的晶閘管激光器上的分布反饋鏡寬度為幾百個微米,一個90。彎曲波導也有幾百個微米長,這種規格都遠遠不符合萊州度集成的要求出現此類情況的緣由在于包層材料的折射率接近波導的折射率。降低包層和波導之間折射率的差異,對于多模波導,有可能使波導規格大于材料中的波長。為了去除大折射率差所造成表面散射的顯著降低,須要使波導各個側面的光滑度提升十倍以上。并且這超出了現代芯片的生產水平。若果在適當提升光滑度的同時,使渡長降低十倍,也能達到清除散射的同樣目的。因而,中紅外躍遷將允許制造緊密的集成光學波導和使用不很高昂的CO激光來驅動計算機。對于一個穿衣鏡透射為1O珀羅腔,量子阱包絡態躍遷非線性材料的最小開關能量大概是2,15fja假如把增益和損失也包括進來,邏輯門的能量需求大概是21fj。集成光學計算機中的各類器件目前正處在研發之中。橫越波導刻蝕出一個深深的置入高折射率的材料(比如鍺鍺與量子通訊,一一4,0),就構成了一個波導介質反射鏡。三個四分之一波槽的組合(總厚度大概5腫)才能使反射達到90以上。把一個鍺棱鏡放在波導轉角處,成了一個波導角反射鏡。
紅外光在鍺棱鏡內發生全內反射,因而改變了傳播方向。高折射率的交叉波導容許訊號在一個平面內彼此無干涉地交叉通過。一個大規格(75—)的光柵經錐形過渡與波導相連就構成了一個耦合器,把光從波導耦合到自由空間中。一個借助上述各類集成光學器件,富含個輸入的或非門早已被設計下來。這個門使用了對輸入有較高共振的交叉腔,致使法布里一珀羅膻內的吸收得到強化,因而獲得增益。期孫懋琮等:基于量子阱包絡態躍遷和集成光學技術的光計算機?4933。計算機系統從邏輯門到計算機可能會碰到以下問題:第一是訊號的傳播延后。為了獲得快的計度,從一個門到下一個門的傳播延后應該比邏輯開關時間小得多。并且在以透鏡為基礎的系統中,傳播延后要比邏輯門速率大i000倍。園此,無論邏輯門速率如何快,以透鏡為基礎的系統的渡越時間只能與電子邏輯的相近。第二是任務給定情況下結構的配合。透鏡的最大優點在于它能提供大容量互連,打破了馮?諾以曼()困局效應。并且,透以很在規則的形式使光成象,這樣在互連中可供選擇的余地就很小了。第三是熱耗散。計算機一般把邏輯門分布在許多二維的表面或板上。擴充的表樣貌許較大的熱耗散。因為光學邏輯的高速率須要很高的功率,所以熱耗散同題對光學邏輯裝置非常重要。
以透鏡為基礎的系統的邏輯被限制在高度密集的二維陣列中,倘若不能把邏輯開關能量在現有水平上改進千倍,熱耗散問題將使門時間限制在ins或更慢的時間。基于量子阱包絡態躍遷的光計算機是一種集成光學線路的計算機,它還能得到與透鏡系統同樣的平行性,同時卻有小得多的容積和極少的傳播延后在各類集成光學器件和邏輯門的基礎上,早已構想出如下的一個種光計算機口]。在一個周長為3。3ram的圓形芯片上(面積約10Izm),設置1100個邏輯門(每位店面積10m)300個光柵耦合器(每位耦合器面積10',um)。在一塊lcm的板上設置9個這樣的芯樣就有了大概1O個邏輯門。芯片是通過坐落邏輯里面的線路板相互聯系上去的邏輯芯片和線路板的長度都是25m,冷卻通道的寬度是175~m,于是整個板的長度是225~m一個lcm。的計算機可以容納4O塊這樣的板,邏輯門的總量達到了4x10個。最差情況的傳播距離約為3cm,其中包括了在自由空間中的傳播距離。在硒化鋅波導中光傳播lcm約需66ps,因此最差情況下通過計算機的渡越時間大概是l50ps,這個傳播延后與延后是協調的。計算機的高速存貯在里面的邏輯板上方,包括光柵耦合器的陣列,它還能提供快的一兆位的自由空間儲存。
假如把光柵耦合器的陣列降低到,則能形成一百兆位的儲存基于量子阱包絡態躍遷的集成光學計算機非常適宜與其他的電子和光學系統直連。應用幾兆兆赫帶寬的耦合器可以把lOFm的紅外晶閘管合到紅外光纖中或成象調制器的陣列上。光纖通信中使用波長從0。9,um1。5。um的光。因為0。9m1m的光可通過導帶的同一較低量子態互相作用,因此二者以ps的速率實現互相調制是可能的?；诹孔于灏j態躍遷的偵測器能把紅外光轉換成電壓,調制器能從電子邏輯電流形成光學邏輯訊號。因而,在幾十個ps的高速水平上,這些光計算機直接與電子邏輯系統相連是可能的?；诹孔于灏j態躍遷的光計算機,充分借助了近代發展上去的多晶硅量子阱的技術,它對制造,環境,材料設有更特殊的要求,光學邏輯門的系統集裝也有所簡化。在這些基礎上,基于量子阱包絡態躍遷的光計算機的研發工作是大有希望的。參考文獻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