Інтегральний оптичний логічний елемент

Винахід відноситься до обчислювальної техніки, а саме до оптичних логічних елементів, виконаних із застосуванням фотохромних фільтрів у вигляді інтегральної схеми, і може бути використаний при побудові оптичних обчислювальних засобів у наукових дослідженнях, навігаційних приладах, діагностичному устаткуванні. Відомий електрооптичний логічний елемент (А.с. СССР №575603, МКИ-2 - G02F3/00, опубл. 05.10.1977, Бюл. №37.), що містить модулятори світла і фотоелектричні перетворювачі, до електродів першого модулятора світла підключені електроди першої групи фотоелектричних перетворювачів і конденсатор, а оптичний вихід першого модулятора світла підключений до оптичних входів групи модуляторів світла, підключених своїми оптичними виходами до оптичних входів др угої групи фотоелектричних перетворювачів. Хоча в опису винаходу вказується можливість структур ування електронних логічних елементів в інтегральному виконанні, проте, у формулі винаходу на це немає вказівок. Хиба даного пристрою складається в тому, що наявність електричних і електронних компонентів значно знижує швидкість обчислення логічних функцій. Найбільше близькою по технічній сутності є стр уктура елемента інтегральної оптичної системи (Активные элементы интегрально-оптических систем (Рис. 7.15). В кн.: Оптическая электроника/А.М. Василевский, М.А. Кропоткин, В.В. Тихонов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - С.170-174.), що містить ізолюючий прошарок, сформований не на всю протяжність підкладинки, на вільній частині якої сформований p-n перехід, скляний хвилевід, напилений на ізолюючий прошарок, а своєю частиною, що звужується, на поверхню p-n переходу, дифракційну решітку, сформовану на скляному хвилеводі й зв'язану з ним, а з іншої сторони з джерелом випромінювання, електроди, один із яких сформований на зоні n-провідності p-n переходу, а інший - на підкладинці, що має p-провідність, вхід пристрою оптичний через дифракційну решітку, ви хід - електричний - за допомогою електродів. Хибою даного пристрою є наявність напівпровідникових електронних компонентів, що знижують швидкодію, а також неможливість обчислення логічних функцій. Задачею винаходу є одержати інтегральний оптичний логічний елемент, що дає змогу виконувати обчислення логічних операцій виключно оптичним шляхом. Поставлена задача досягається тим, що, інтегральний оптичний логічний елемент, що містить підкладинку, сформований на ній ізолюючий прошарок, на поверхні якого напилений хвилевід, вхід якого оптично зв'язаний через дифракційну решітку із джерелом випромінювання, дифракційна решітка виконана у вигляді оптичного елемента зв'язку, ізолюючий прошарок виконаний таким, що відбиває, а джерело випромінювання виконано у вигляді, принаймні, одного джерела опорного випромінювання першої групи, вихід зазначеного хвилеводу через другий оптичний елемент зв'язку, через перший пасивний фільтр оптично зв'язаний із входами третього, четвертого і п'ятого оптичних елементів зв'язку, ви ходи яких оптично зв'язані з першими входами першого, другого і третього активних фільтрів, відповідно, додатково містить, принаймні, два інформаційних входи, другий вхід зазначеного першого активного фільтра оптично зв'язаний через шостий оптичний елемент зв'язку, через другий хвилевід, через сьомий оптичний елемент зв'язку з першим джерелом випромінювання другої гр упи, друге джерело випромінювання другої групи оптично зв'язане через восьмий оптичний елемент зв'язку, через третій хвилевід, через дев'ятий оптичний елемент зв'язку з другим входом зазначеного третього активного фільтра, виходи першого, другого і третього активних фільтрів через десятий, одинадцятий і дванадцятий оптичні елементи зв'язку, відповідно, через другий, третій і четвертий пасивні фільтри, відповідно, оптично зв'язані з входами тринадцятого, чотирнадцятого і п'ятнадцятого оптичних елементів зв'язку, відповідно, виходи зазначених тринадцятого і п'ятнадцятого оптичних елементів зв'язку оптично зв'язані з входами першого й другого фотоактивних елементів, відповідно, перші виходи яких через шістнадцятий і сімнадцятий оптичні елементи зв'язку, відповідно, оптичне зв'язані з другим входом зазначеного другого активного фільтра й другим входом додатково введеного четвертого активного фільтра, відповідно, другі ви ходи зазначених першого й другого фотоактивних елементів оптично зв'язані через вісімнадцятий і дев'ятнадцятий оптичні елементи зв'язку, відповідно, із входами четвертого і п'ятого хвилеводів, відповідно, виходи яких є першим і другим інформаційними виходами першої групи, відповідно, вихід зазначеного чотирнадцятого оптичного елемента зв'язку оптично зв'язаний із першим входом зазначеного четвертого активного фільтра, вихід якого через двадцятий оптичний елемент зв'язку, через п'ятий пасивний фільтр, через двадцять перший оптичний елемент зв'язку оптично зв'язаний із входом третього фотоактивного елемента, вихід якого оптично зв'язаний через двадцять другий оптичний елемент зв'язку з входом шостого хвилеводу, ви хід якого є першим інформаційним виходом другої групи і виходом пристрою, неактивні поверхні зазначених першого і шостого хвилеводів оснащені прошарками, що відбивають, першим і другим інформаційними входами пристрою є входи сьомого і восьмого оптичних елементів зв'язку у вигляді випромінювання від першого й другого джерел випромінювання другої групи, відповідно. Оптичні елементи зв'язку виконані у вигляді сферичних і/або циліндричних лінз, і/або призм, і/або імерсії. Оптичні елементи зв'язку виконані у вигляді дифракційних решіток. Дифракційні решітки сформовані на вхідних поверхнях оптичних компонентів. Підкладинка виконана, наприклад, із жаростійкого склокристалічного цементу: ZrO2-АІ 2O 3SіO2. Прошарок, що відбиває, виконаний, наприклад, напиленням алюмінію. Зазначені хвилеводи виконані, наприклад, із кварцового скла і/або з додаванням алюмінату галію. Зазначені пасивні фільтри виконані, наприклад, із кремнію. Зазначені пасивні фільтри виконані, наприклад, із літієвоалюмогерманатного ситалу: Li2O-Al 2 O3-GeO2-TiO 2. Зазначені активні фільтри виконані, наприклад, із вольфрамоалюмосилікатного ситалу: SiO2-B 2O3-Al2 O3-WO2 . Зазначені фотоактивні елементи виконані, наприклад, із люмінофорів з антистоксовим збудженням. Зазначене джерело опорного випромінювання першої групи виконано, наприклад, у вигляді джерела інфрачервоного випромінювання. Зазначені джерела випромінювання другої гр упи виконані, наприклад, у вигляді джерел випромінювання, що випромінюють у короткохвильовій області спектру частот видимого діапазону. Підкладинка виконана, наприклад, із кремнію. Зазначені активні фільтри виконані з того ж матеріалу, що і зазначені хвилеводи, на котрі додатково нанесено прошарок, наприклад, із вольфрамоалюмосилікатного ситалу: SіO2-В2 O3-АІ 2O 3 WO2. Зазначені фотоактивні елементи виконані з того ж матеріалу, що і зазначені хвилеводи, на котрі додатково нанесено прошарок, наприклад, із люмінофорів з антистоксовим збудженням. Зазначені фотоактивні елементи виконані з того ж матеріалу, що і зазначені пасивні фільтри, на котрі додатково нанесено прошарок, наприклад, із люмінофорів з антистоксовим збудженням. Оскільки зазначені відмітні ознаки відсутні в прототипу, запропоноване технічне рішення відповідає критерію "новизна". Таким чином, в отриманого пристрою з'являється властивість, що дозволяє за рахунок конструктивного рішення з використанням фізичних властивостей хімічних сполук і їх хвилевих параметрів, виконувати логічні обчислювальні операції в оптичному спектральному діапазоні без використання електронних компонентів. На фіг.1 поданий приклад конструктивного рішення пристрою в інтегральному виконанні (зріз інтегральної структури). На фіг.2 подана умовна схема оптичних компонентів пристрою. фіг.3 ілюструє роботу інтегрального оптичного логічного елемента в електронно-логічній інтерпретації. Інтегральний оптичний логічний елемент (фіг.1, фіг.2.) містить підкладинку 1, сформований на ній прошарок, що відбиває 2, на поверхню якого напилений хвилевід 3, вхід якого оптично зв'язаний через оптичний елемент зв'язку (ОЕЗ) 4 із джерелом опорного випромінювання першої групи 5. Вихід хвилеводу 3 через другий ОЕЗ 6, через перший пасивний фільтр 7 оптично зв'язаний із входами третього ОЕЗ 8, четвертого ОЕЗ 9 і п'ятого ОЕЗ 10, ви ходи яких оптично зв'язані з першими входами першого 11, другого 12 і третього 13 активних фільтрів, відповідно. Додатково містить, принаймні, два інформаційних входи 14 і 15. Другий вхід зазначеного першого 11 активного фільтра оптично зв'язаний через шостий ОЕЗ 16, через другий хвилевід 17, через сьомий ОЕЗ 18 із першим джерелом випромінювання 19 другої гр упи. Др уге джерело випромінювання 20 другої групи оптично зв'язано через восьмий ОЕЗ 21, через третій хвилевід 22, через дев'ятий ОЕЗ 23 із другим входом зазначеного третього активного фільтра 13. Виходи першого 11, другого 12 і третього 13 активних фільтрів через десятий ОЕЗ 24, одинадцятий ОЕЗ 25, дванадцятий ОЕЗ 26, відповідно, через другий 27, третій 28 і четвертий 29 пасивні фільтри, відповідно, оптично зв'язані з входами тринадцятого ОЕЗ 30, чотирнадцятого ОЕЗ 31 і п'ятнадцятого ОЕЗ 32, відповідно. Виходи зазначених тринадцятого ОЕЗ 30 і п'ятнадцятого ОЕЗ 32 оптично зв'язані з входами першого 33 і другого 34 фотоактивних елементів, відповідно, перші виходи яких через шістнадцятий ОЕЗ 35 і сімнадцятий ОЕЗ 36, відповідно, оптично зв'язані з другим входом зазначеного другого активного фільтра 12 і другим входом додатково введеного четвертого активного фільтра 37, відповідно. Другі виходи зазначених першого 33 і другого 34 фотоактивних елементів оптично зв'язані через вісімнадцятий ОЕЗ 38 і дев'ятнадцятий ОЕЗ 39, відповідно, із входами четвертого 40 і п'ятого 41 хвилеводів, відповідно, виходи яких є першим 42 і другим 43 інформаційними виходами першої групи, відповідно. Вихід зазначеного чотирнадцятого ОЕЗ 31 оптично зв'язаний із першим входом зазначеного четвертого активного фільтра 37, вихід якого через двадцятий ОЕЗ 44, через п'ятий пасивний фільтр 45, через двадцять першу ОЕЗ 46 оптично зв'язаний із входом третього фотоактивного елемента 47, вихід якого оптично зв'язаний через двадцять другий ОЕЗ 48 із входом шостого хвилеводу 49, ви хід 50 якого є першим інформаційним виходом другої гр упи і виходом пристрою. Неактивні поверхні зазначених першого З і шостого 49 хвилеводів містять відбивні прошарки 51 і 52, відповідно. Інформаційними входами пристрою першим 14 і другим 15 є входи сьомого ОЕЗ 18 і восьмого ОЕЗ 21 у вигляді випромінювання m і t (фіг.2.) від першого 19 і другого 20 джерел випромінювання другої гр упи. Підкладинка 1 є несучим елементом конструкції інтегрального оптичного логічного елемента. Прошарки, що відбивають, 2, 51 і 52 знижують дисипацію випромінювання і забезпечують напрямок його поширення. Хвилеводи 3, 17, 22, 40, 41 і 49 є оптичним середовищем направленого поширення випромінювання. Оптичні елементи зв'язку (ОЕЗ) 4, 6, 8, 9, 10, 16, 18, 21, 23,24, 25,26, 30, 31, 32, 35,36, 38, 39, 44, 46 і 48 служать для ефективного уводу випромінювання в оптичні компоненти. Джерело опорного випромінювання першої групи 5 служить для забезпечення енергетичного "живлення" оптичним випромінюванням або, іншими словами, - для подачі базового випромінювання для роботи оптичної схеми. Пасивні фільтри 7, 27, 28, 29 і 45 уявляють собою селективні фільтри, що забезпечують безперешкодному поширенню випромінювання від джерела опорного випромінювання першої групи 5 і перешкоджають проходженню випромінювань інших спектральних параметрів. Активні фільтри 11, 12, 13 і 37 мають властивість оптичного затвору для довжин хвиль опорного джерела випромінювання 5 при наявності на одному із своїх входів випромінювань інших спектральних характеристик. У неактивному ж стані зазначені активні фільтри пропускають випромінювання зі спектральною характеристикою опорного джерела випромінювання 5. Інформаційні входи 14 і 15 служать для уводу даних при обчисленні логічних функцій, а джерела випромінювання другої групи 19 і 20 є їх складовими (у логічній обчислювальній інтерпретації). Крім того, джерела випромінювання другої гр упи 19 і 20 управляють роботою оптичних компонентів пристрою (в оптичній інтерпретації). Фотоактивні елементи 33, 34 і 47 уявляють собою вторинні джерела випромінювання, тому що перетворюють випромінювання з однієї області спектру в др угу. Ін формаційні виходи першої групи 42 і 43 служать для виводу попередніх результатів логічних функцій в оптичному спектральному діапазоні. Перший вихід другої групи 50 є виходом інтегрального оптичного логічного елемента. Фіг.5 ілюструє логічну функцію інвертора, фіг.6 - логічну функцію кон'юнктора. У верхній частині фіг.3 подана електронно-логічна інтерпретація інтегрального оптичного логічного елемента і його таблиці істинності, фіг.4. Робота інтегрального оптичного логічного елемента заснована на використанні фізичних властивостей хімічних сполук і Їх спектральних характеристик. Як один із варіантів виконання даного пристрою, використані компоненти з властивостями фотохромізму (Коренева Л.Г., Золин В.Ф., Давыдов Б.Л. Нелинейная оптика молекулярных кристаллов. - М.: Наука, 1985. - 200с.), (Органические фотохромы. Под ред. проф. А.В.Ельцова. - Л.: Химия, 1982. - 288с., ил.), (Энциклопедия неорганических материалов. - Киев: Главная редакция украинской советской энциклопедии. - Т.2, 1977. - С.394-398.) і люмінофори з антистоксовим збудженням (Энциклопедия неорганических материалов. - Киев: Главная редакция украинской советской энциклопедии. - Т.1, 1977. - С.720-723.). При пошуку спільно працюючих оптичних компонентів було прийняте рішення про використання в якості базового випромінювання (у даному викладі, - живлення всієї оптичної системи), як варіант виконання технічного рішення, - інфрачервоне випромінювання. Перетворення випромінювання з однієї області спектра в другу відомі, наприклад, із (Воронин Э.С., Дивлекеев М.И., Ильинский Ю.А., Соломатин B.C. Преобразование изображения из инфракрасного диапазона в видимый методами нелинейной оптики - ЖЭТФ, 1970, Т.58, N1. - С.51-59.). У зв'язку з цим, увагу було зосереджено на неорганічних сполуках, - у якості фотоактивних елементів були обрані люмінофори. Інтегральний оптичний логічний елемент працює таким чином. Розглянемо роботу пристрою у вихідному стані (фіг.2), тобто при відсутності випромінювань першого 19 і другого 20 джерел випромінювання другої групи. Випромінювання, від джерела опорного випромінювання першої групи 5 (на схемі позначено 0, тут і далі буде вказуватися літера грецької абетки, що стоїть поруч із стрілкою напрямку поширення випромінювання), через перший ОЕЗ 4 входить у хвилевід 3. Далі на схемі воно розподіляється на три умовних напрямки поширення випромінювання a , b і g , що через другий ОЕЗ 6, через перший пасивний фільтр 7 надходять на входи третього ОЕЗ 8, четвертого ОЕЗ 9 і п'ятого ОЕЗ 10. Далі проаналізуємо вітку a . З виходу третього ОЕЗ 8 випромінювання проходить через перший активний фільтр 11. При відсутності випромінювання від першого 19 джерела випромінювання другої гр упи на першому інформаційному вході 14, активний фільтр 11 прозорий для випромінювання від джерела опорного випромінювання першої групи 5. Далі з ви ходу першого активного фільтра 11 випромінювання а проходить десятий ОЕЗ 24, другий пасивний фільтр 27, тринадцятий ОЕЗ 33 і надходить на вхід першого фо тоактивного елемента 33. Фотоактивний елемент 33 є вторинним джерелом випромінювання, що генерує випромінювання в іншій області спектра, близькій до випромінювання джерел випромінювання другої гр упи 19 і 20. Випромінювання, що виходить від першого фотоактивного елемента 33 на схемі позначено д'. З другого ви ходу першого фотоактивного елемента 33 випромінювання S через вісімнадцятий ОЕЗ 38 надходить у четвертий хвилевід 40, вихід якого 42 є першим інформаційним виходом першої групи. Той же процес спостерігається по вітці випромінювання g , де другий фотоактивний елемент 34 також генерує випромінювання, що виявляється на другому інформаційному виході першої групи 43 (випромінювання є) із п'ятого хвилеводу 41, при відсутності випромінювання на другому інформаційному вході 15 від другого джерела випромінювання другої гр упи 20. Розглянемо поширення випромінювання по вітці b . З виходу четвертого ОЕЗ 9 випромінювання b надходить на перший вхід друго го активного фільтра 12, але на його виході воно не з'явиться, тому що випромінювання d з першого виходу першого фо тоактивного елемента 33 (а він активний і випромінює вторинне випромінювання) через шістнадцятий ОЕЗ 35 надходить на другий вхід др уго го активного фільтра 12. Під дією випромінювання d від вторинного випромінювання (першого фотоактивного елемента 33) другий активний фільтр 12, активізуючись, перешкоджає проходженню випромінювання b на третій фотоактивний елемент 47.На шляху випромінювання b стоїть четвертий активний фільтр 37, що також активний (через вторинне випромінювання e від другого фотоактивного елемента 34). У результаті цього третій фотоактивний елемент 47 не подасть вторинного випромінювання на шостий хвилевід 49. Це призведе до того, що на першому інформаційному виході другої гр упи і на виході пристрою 50 випромінювання буде відсутнє. Якщо на перший інформаційний вхід 14 подати випромінювання m від першого джерела випромінювання другої групи 19, що надходить через сьомий ОЕЗ 18, через другий хвилевід 17, через шостий ОЕЗ 16 на другий вхід першого активного фільтра 11, він - активізується і, перестане пропускати випромінювання а від джерела опорного випромінювання першої групи 5. З виходу першого активного фільтра 11 випромінювання не надійде на перший фотоактивний елемент 33, тому на першому інформаційному ви ході першої групи 42 випромінювання d від першого фотоактивного елемента 33 буде відсутнє, через його неактивність. Те ж відбувається і на другому інформаційному виході першої гр упи 43 при наявності випромінювання на другому інформаційному вході 15 від др угого джерела випромінювання другої групи 20. Продовжуючи аналізувати напрямок поширення випромінювання b , необхідно відзначити, що відсутність вторинного випромінювання d від першого фотоактивного елемента 33 через шістнадцятий ОЕЗ 35 на другому вході друго го активного фільтра 12, - дозволить безперешкодно пройти через нього випромінюванню b до входу одинадцятого ОЕЗ 25 і далі через третій пасивний фільтр 28, через чотирнадцятий ОЕЗ 31 до першого входу четвертого активного фільтра 37. Для оцінки його стану необхідно зосередити увагу на його другому вході. Тому що другий фотоактивний елемент 34 не випромінює вторинного випромінювання e через сімнадцятий ОЕЗ 36 на другий вхід четвертого активного фільтра 37, що так само безперешкодно пропустить випромінювання b до входу двадцятого ОЕЗ 44, і далі через п'ятий пасивний фільтр 45, через двадцять перший ОЕЗ 46 на вхід третього фотоактивного елемента 47. Він, активізуючись від випромінювання опорного джерела випромінювання першої групи 5, створить вторинне випромінювання p , що через двадцять другий ОЕЗ 48, через шостий хвилевід 49, з'явиться на першому виході другої гр упи і виході пристрою 50. Якщо при цьому зникне хоча б одне з випромінювань t або m , (на другому інформаційному вході 15 або на першому інформаційному вході 14 від джерел другої гр упи 20 і 19, відповідно), або обидва одночасно, - це дозволить активізуватися одному з двох фотоактивних елементів 34 і 33 (або обом). Внаслідок цього другий 12 або четвертий 37 (або обидва одночасно, у залежності від умов) активні фільтри будуть перешкоджати проходженню випромінювання b в напрямку до третього фотоактивного елемента 47. У результаті цього на виході 50 випромінювання буде відсутнім. Для наочності можна скористатися електронно-логічною інтерпретацією, зображеною на фіг.3. На схемі у верхній частині інвертор ас із входом А і виходом С ілюструє функціональні властивості першого активного фільтра 11 і першого фотоактивного елемента 33, а інвертор bd із входом В і виходом D ілюструє функцію третього активного фільтра 13 і другого фотоактивного елемента 34. При цьому, вхід А подібний першому інформаційному входові 14, вхід В - др угому інформаційному входові 15, вихід С першому інформаційному виходові першої групи 42, ви хід D - другому інформаційному виходові першої групи 43. Використовуючи електронно-логічну інтерпретацію інвертор ce ототожнений із другим активним фільтром 12, а інвертор df- із четвертим активним фільтром 37 (фіг.2). Умовно допоміжні контрольні точки Е і F є виходами активних фільтрів другого 12 і четвертого 37. Елемент кон'юнкції з входами Е, F і виходом G (який відповідає оптичному виходові 50 на фіг.2) о тотожнюється з послідовно розташованими на оптичній схемі (по випромінюванню b ) другим активним фільтром 12, четвертим активним фільтром 37 і третім фотоактивним елементом 47. По таблиці істинності (наведеній на фіг.3) можна переконатися, що поданий пристрій призначений для виконання логічної функції кон'юнкції (логічного множення). На виході G випромінювання з'явиться тільки в тому випадку, якщо воно буде присутнє одночасно на обох входа х А і В (тобто одночасно на перший 14 і другий 15 інформаційні входи будуть впливати випромінювання першого 19 і другого 20 джерел випромінювання другої гр упи, по фіг.2). Можна було б назвати пристрій по призначенню, тобто, наприклад, "інтегральний оптичний кон'юнктор", але не можна ігнорувати той факт, що даний пристрій містить у собі ще два виходи (виходи інверторів ас і bd), що інвертують входи А і B. Необхідно відзначити, що без випромінювання джерела опорного випромінювання першої гр упи 5 пристрій працювати не буде, тому що це випромінювання є живленням всієї оптичної системи пристрою. Робота оптичної схеми вказує на необхідність у пасивних фільтрах другому 27, четвертому 29 і п'ятому 45, що не дозволяють вторинному випромінюванню від фотоактивних елементів 33, 34 і 47, відповідно, впливати на активні фільтри: перший 11, третій 13 і четвертий 37 - відповідно. Зазначені пасивні фільтри виконують функцію подібну діодам в електричній інтерпретації. При виконанні пристрою в демонстраційному варіанті, оптичні елементи зв'язку можуть бути виконані у вигляді сферичних і/або циліндричних лінз, і/або призм, і/або імерсії. У іншому випадку оптичні елементи зв'язку можуть бути виконані у вигляді дифракційних решіток. Вони можуть бути сформовані на вхідних поверхнях оптичних компонентів. Підкладинка 1 може бути виконана, наприклад, із жаростійкого склокристалічного цементу: ZrO 2-Al2O 3-SiO2 (Жаростойкие стеклокристаллические цементы. В кн.: Стрнад З. Стеклокристаллические материалы / Пер. с чеш. И.Н. Князевой; Под ред. Б.Г. Варшала. - М.: Стройиздат, 1988. - С.238-240.). Прошарок, що відбиває 51 і 52 може бути виконаний, наприклад, напиленням алюмінію. Хвилеводи 3, 17, 22, 40, 41 і 49 можуть бути виконані, наприклад, із кварцового скла і/або з додаванням алюмінату галію. Пасивні фільтри 7, 27, 28, 29 і 45 можуть бути виконані, наприклад, із кремнію. Вони можуть бути також виконані, наприклад, із літієвоалюмогерманатного ситалу: Li2O-Al2O 3GeO2-ТіO 2. Активні фільтри 11, 12, 13 і 37 можуть бути виконані, наприклад, із вольфрамоалюмосилікатного ситалу: SіO2-В 2O 3-АІ 2O3-WO2 . Фотоактивні елементи 33, 34 і 47 можуть бути виконані, наприклад, із люмінофорів з антистоксовим збудженням. До таких речовин відносяться: 1) BaYF5 ·Yb·Ег - фторид ербію; 2) BaYF5 ·Yb·Но - фторид гольмію; 3) YOCl·Yb·Tm - оксихлорид тулію; 4) La2O2S·Yb·Er - оксисульфід ербію і т.п. Джерело опорного випромінювання першої групи 5 може бути виконаним, наприклад, у вигляді джерела інфрачервоного випромінювання. Джерела випромінювання другої гр упи 19 і 20 можуть бути виконані, наприклад, у вигляді джерел випромінювання, що випромінюють у короткохвильовій області спектра частот видимого діапазону. Підкладинка 1 може бути виконана, наприклад, із кремнію. Активні фільтри 11, 12, 13 і37 можуть бути виконані з того ж матеріалу, що і зазначені хвилеводи, на котрі додатково нанесений прошарок, наприклад, із вольфрамоалюмосилікатного ситалу: SiO 2-В2 О3-Аl2 О3-WО2 . Фотоактивні елементи 33, 34 і 47 можуть бути виконані з того ж матеріалу, що і зазначені хвилеводи, на котрі додатково нанесений прошарок, наприклад, із люмінофорів з антистоксовим збудженням. Вони можуть бути також виконані з того ж матеріалу, що і зазначені пасивні фільтри, на котрі додатково нанесений прошарок, наприклад, із люмінофорів з антистоксовим збудженням. У області прикладної фотоніки особливе значення мають фото хромні матеріали, властивості яких засновані на явищі фотохромізму. Зараз фотохромні матеріали на основі органічних і неорганічних речовин знаходять застосування в конкретних те хнічних засобах. Під фото хромізмом розуміють оборотне перетворення речовини з одного стана в інше, що відбувається хоча б в одному напрямку під дією світла і супроводжується появою або зміною поглинання у видимій області спектру. hn Фотохромний цикл у загальному виді виглядає як перехід речовини під дією кванта світла 1 зі стана l l А із поглинанням при довжині хвилі 1 в стан В із поглинанням при 2 A(l1) h n1 Û B(l 2 ) kT, hn 2 , (1) У вихідний стан речовина повертається або спонтанно (за рахунок теплової енергії kT), або під дією hn2 світла . Фотохромний ефект ряду речовин неорганічного, органічного і біологічного походження характеризується можливістю появи або зміни забарвлення речовин (систем) безпосередньо під дією фото хімічне активного світла і репродукцією на тому самому об'єкті; він обумовлений, як правило, оборотними перебудовами речовин на молекулярному рівні. Відповідно до закону квантової еквівалентності, кожний поглинений квант світла hn викликає фізичну або хімічну зміну лише однієї молекули. Число змінених молекул в одиницю часу пропорційно числу квантів монохроматичного випромінювання, поглинених молекулами за той же час. Отже, швидкість перетворення фотохромної системи визначається швидкістю поглинання світла. j Для кількісної оцінки ефективності фотоперетворень використовується квантовий вихід l , під яким розуміють відношення числа молекул, що утворилися, до числа поглинених квантів в одиницю часу: dn / dt jl = dN / dt , (2) де, n - число молекул, що утворилися; N - число поглинених квантів світла; t - час. З огляду на, що число квантів визначається відношенням поглиненої енергії до енергії одного кванта, l для швидкості утворення фотоіндукованих молекул В під дією світла з i , що поглинається вихідною формою А, маємо таке вираження: dnB æ -k A l ö = I 0l ijl i , AB ç 1 - e l i , ÷ dt è ø , (3) де, I0 l i - щільність потоку квантів світла, що падає на фотохромну систему; k li , A l - показник поглинання вихідної форми А, l - товщина прошарку, що поглинає. Переходячи до поширених електрофізичних параметрів і вважаючи, що смуги поглинання вихідної і фотоіндукованої форм не перекриваються, одержуємо вираження для швидкості зростання оптичної l щільності фотохромної системи в області смуги поглинання фотоіндукованої форми ( j ) при збудженні випромінюванням, що поглинається вихідною формою А: dDl j , B el é (-e ,A C Al )ù = CI0l ijl i ,, AB j , B ê1- 10 l i ú dt ë û , (4) Dl j , B де, - оптична щільність фотоіндукованої форми; С - константа; el j el , B і i , A - молярні коефіцієнти поглинання фотоіндукованої і вихідної форм відповідно; СА - концентрація вихідної форми молекул. Особливість фотопроцесів, що лежать в основі явища фотохромізму, складається в тому, що під дією світла у фото хромній системі відбувається запас енергії, щопісля припинення опромінення витрачається на повернення фотохромної речовини у ви хідний стан. У органічних фотохромних речовинах явище фото хромізму відбувається внаслідок: окисновідбудовних реакцій, таутомірних прототропних перетворень, цистрансізомерізації, валентної ізомерізації, фотоперегрупування, гетеролітичного і гемолітичного розірвання зв'язків, фотодимерізації (Барачевский В.А., Ла шков Г.И., Цехомский В.А. Фотохромизм и его применение. - М.: Химия, 1977. - С.31-57.). Неорганічних фотохромних речовин значно менше, ніж органічних, і в них немає такого різноманіття фото хімічних перетворень. Проте матеріали, створені на їх основі, по ряду властивостей, важливих для практичного застосування, не поступаються органічним. Фотохромними властивостями володіють багато кристалічних і склоподібних неорганічних речовин. Найпростішим фотохромним процесом у неорганічних кристалах є утворення центрів забарвлення при оптичному збудженні кристалів фотонами з енергією, відповідної ширини зони. Виникаючі центри забарвлення аналогічні тим, що утворюються при рентгенівському і g - опроміненні, при дії на кристали електронів і нейтронів, при нагріванні кристалів у парах металів (аддитивне забарвлення) (Photochromism. Techn. Chem., v. 111. Ed. G. H. Brown. - New York, Wiley-Interscience, 1971. - P.633.). Оптичне збудження призводить до утворення двовалентного редкоземельного іона електронної конфігурації 4fk5d1 в основному електронному стані. Відомо (Архангельская В.А., Киселева М.Н., Феофилов П.П. А.с. СССР №265317, МКИ-2 - G02В1/02. Открытия. Изобр. Пром. образцы. Товари, знаки, 1971, N33, С.223.), що оптично звільнений електрон захоплюється полем надлишкового заряду, створеного тривалентною домішкою, і утворює воднеподібний центр великого радіуса, аналогічний до Rnцентрів у кристалах галогенідів лужних металів. Явище фотопереносу електрона вперше було виявлене в кристалах МF 2 П.П.Феофіловим (Феофилов П.П. "Оптика и спектроскопия", 1962, т.12. - С.531-533.). Кількість пар рідкоземельних активаторів, для яких відомий фотоперенос електрона в МF2 дуже численне (Arkhangelskaya V.A., Feofilov P.P. Ргос. Intern. Conf. on Luminescence, 1966. - P.1682-1688.). По потенціалах іонізації іонів лантаноїдів L2+ у MF2 рідкоземельні іони, що знаходяться в решітках CaF2 і SrF2, можна розташувати в послідовності (Eu, Yb), Sm, Tm, D y, Nd, Но, Er(Gd, Pr, Ce, Tb). Кожний з іонів зазначених лантаноїдів у цьому ряду є донором електрона стосовно всіх інших іонів, розташованих зліва від нього. Це дозволяє істотно розширити спектральні межі світлочутли вості подібних речовин. Так, активація фотопереносу електрона в Sm 2+ здійснюється випромінюванням 313нм, у Nd2+ 483нм, у Но2+-504нм, у Dy2+-546нм і т.д. При цьому для фотохромних кристалів МF2 характерний порівняно невисокий квантовий вихід ( j » 0,3 ). Це пов'язано з тим, що внаслідок перекривання спектрів поглинання активатора-донора й активатора-акцептора при опроміненні одночасно здійснюються як прямий, так і обернений фотоперенос електрона. Цими ж причинами пояснюється відсутність фотопереносу електрона, наприклад, у парах Sm 2+–Tm 3+ і Еu2+–Tm 3+ (Архангельская В.А., Киселева М.Н. В кн.: Спектроскопия кристаллов. - М.: Наука, 1970. - С.164-167.). Повна оборотність фотохромного процесу досягається при аддитивному відновленні кристалів, тому що в цьому випадку відсутні діркові центри. Для того щоб другий активатор (L(2)) у цих умовах залишився в тривалентному стані, його спорідненість до електрона повинна бути істотно меншою, ніж у L (1) (Ар хангельская В.А., Киселева М.Н., Шрайбер В.М. Физ. твердого тела, 1969, т. II. - С.869-876.). Термостійкість фотоіндукованих станів залежить від багатьох чинників і, насамперед, від температури. При кімнатній температурі час зникнення фотоіндукованого поглинання змінюється від декількох днів до тижнів. У нашому випадку (у запропонованому технічному рішенні), оборотність фотохромного процесу відбувається відразу ж після зняття керуючого випромінювання, тому що при цьому залишається лише інфрачервоний вплив від джерела опорного випромінювання першої групи 5. Вивчення оптичних спектрів відновлення в температурній області 700-850°С і оберненого окислювання при 1000°С дозволило встановити, що фото хромні зміни, що відбуваються в двічі активованих титанатах, обумовлені переносом заряду між іонами через зону провідності або валентну зону: h n1 Fe3+ + Mo 6+ Û Fe4 +Mo 5+ kT, hn2 Ni2 + + Mo 6+ Û Ni3 +Mo5 + kT , , (5) Кристали, що містять Fe3+, Ni2+ і Мо6+, мають незначне поглинання у видимій частині спектра. Під дією випромінювання, що активує, в області 390-430нм кристали переходять у стан, що характеризується інтенсивними смугами поглинання, розташованими у видимій області спектра. Процеси оборотні: повне зникнення фотоіндукованого забарвлення SrТiО3Ni, Мo відбувається, без впливу інфрачервоного випромінювання, за 10-20хв. В даний час фотохромне скло можна розділити на дві групи: скло на основі окислів змінної валентності і гетерофазні склоподібні системи, що складають з матричного скла і дрібнодисперсної світлочутли вої фази, що має, як правило, кристалічну будову. Фотохромне скло на основі окислів змінної валентності містить невеличку кількість окислів вольфраму і молібдену, європію і церію (Cohen A.J., Smith H.L. "Science", 1962, v. 137. - P.981.), [Cohen A.J. VII-th Internal Congress on Glasses, Brussels, 1965, v.2. - P.111.1-111.9.), (Swarts E.L., Pressau J.P. J. Amer. Ceram. Soc., 1965, v. 48. - P. 333-338.), ербію, ітербію і неодиму (Патент США, №3664725, Нац. кл. 350-160 (1972).), празеодиму і диспрозію (Низовцев В.В. и др. Ж. прикл. спектроскопии, 1973, т.18. - С.333-335.). 3 (Meiling G. Phys. a. Chem. Glasses, 1973, v. 14. - P.118-121.) відомо про спостереження фотохромізму в кадмієвому боросилікатному склі, в якому іони, що знаходяться в нижчому стані окислювання, виступають у якості донорів електронів. Фотолюмінесценція по класифікації С.І. Вавілова може виникати при змушеному і рекомбінаційному випромінюваннях, У твердих тілах, яким властива люмінесценція, її інтенсивність залежить від невеличких кількостей домішок - активаторів. При відсутності активатору вона може і не спостерігатися. У дійсності ж спостерігається складна комбінація різноманітних процесів. h Основною енергетичною характеристикою люмінесценції є енергетичний вихід э , що показує, яка частка енергії, поглиненої речовиною, Qэф перетвориться в енергію люмінесцентного випромінювання Qлюм : hэ = Q люм / Qэф . (6) h Для фотолюмінесценції введене поняття квантового виходу кв як відношення потоку випромінювання люмінесценції Фелюм до потоку поглиненого випромінювання Фе0: hкв = Ф елюм / Фе 0 , (7) hкв h Краще уявити як відношення числа квантів люмінесценції люм числа поглинених квантів h збудливого випромінювання в озб . hкв = h люм / hв озб . (8) Фотолюмінесценція є найбільш вивченим і широко застосовуваним на практиці видом люмінесценції. Основна особливість фотолюмінесценції визначається законом Стокса: спектр основного виду люмінесценції зрушений у довгохвильову область відносно спектра поглинання. Таким чином, при фотолюмінесценції випромінюються кванти меншої енергії, ніж кванти збудження, довжина хвилі фотолюмінесценції більше довжини хвилі збудливого випромінювання. За законом Стокса в спектрі люмінесценції будуть присутні не всі смуги пропускання, а тільки ті, довжина хвилі котрих більше довжини збудливого спектра. Можливе, і порушення цього закону, коли при збудженні люмінесценції вузьким спектром збудження в спектрі люмінесценції частково присутні хвиля меншої довжини, ніж довжина хвилі збудливого випромінювання. Поява такої "антистоксової" області люмінесценції можлива лише тоді, коли при люмінесценції до енергії збудливих фотонів добавляється енергія теплового руху молекул речовини, що знаходиться в стані люмінесценції. Дійсно, із підвищенням температури антистоксова область стає більшою. Встановлено, що випромінювання фотолюмінесценції виникає при поглинанні люмінофором тільки визначених довжин хвиль. Ряд люмінофорів при збудженні їх випромінюваннями різноманітних довжин h хвиль має постійний по складу потік випромінювання люмінесценції, тобто э люмінесценції повинен l залежати від довжини хвилі збудливого випромінювання в озб . Енергетичний вихід h э = al , (9) де, а - коефіцієнт пропорційності, причому цей ріст відбувається доти, поки значення кванта збудження h =1 достатнє для переходу електрона з незбудженого рівня на збуджений. Теоретично э (Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света. 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 384с.). Таким чином, у порівнянні з прототипом, запропонована конструкція, структурована у інтегральному виді, дозволяє виконувати обчислювальні логічні операції оптичним каналюванням за рахунок фізичних властивостей хімічних сполук. Використання даного технічного рішення відчиняє можливість перенесення існуючого рівня обчислювальної техніки в оптичну область спектру без використання електронних компонентів, що збільшить швидкодію обчислювальних засобів.