CN1228170A - 光逻辑元件和光逻辑器件 - Google Patents

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Abstract

一种光逻辑元件(OLE)，具体为多态、多稳态光逻辑元件，更具体为可近似寻址的光逻辑元件，其中包括能够从一种物理或化学态转变为第二种物理或化学态的光存储物质(1)。在层状的结构中或在这种结构上设置存储物质(1)，在层状的结构中或与之相邻设置产生磁场、电磁场、电场或给存储物质(1)提供能量的激励器(2)和用于探测存储物质在其物理或化学态下的有条件光响应情况的光探测器(3)，该光逻辑元件(OLE)这样构成一个集成元件。一种光逻辑器件，至少包括一个由光逻辑元件(OLE)构成的结构(S)，该结构(S)中每个逻辑元件(OLE)中的光存储物质(1)、激励器(2)和探测器(3)与该结构(S)中周围的逻辑元件(OLE)中的存储物质、激励器和探测器结合并连接。该结构(S)中的每个逻辑元件(OLE)在存储物质(1)和激励器(2)间都具有一个单值的赋值，在存储物质(1)和光探测器(3)间也有一个赋值，用于单值探测，并且能够分别进行存取和寻址。光逻辑器件(OLD)中的结构(S)分别整体或部分地构成为光存储器、逻辑或算术电路和寄存器，或将它们组合构成光数据处理器。

Description

光逻辑元件和光逻辑器件
本发明涉及光逻辑元件，具体为多态、多稳态光逻辑元件，更具体为可近似寻址的光逻辑元件，其中包括光存储物质，在所加磁场、电磁场或电场或所加能量的作用下，这种存储物质能够从一种物理或化学态转变为第二种物理或化学态，其中一种物理或化学态被赋予一个特定的逻辑值，逻辑元件的物理或化学态的改变引起逻辑值的变化，并且这种变化是通过为了所赋逻辑值的写入、读取、存储、擦除和转换等正在对其进行磁、电磁、电或光存取和寻址的逻辑元件实现的。本发明还涉及光逻辑器件，尤其是存储数据或进行逻辑和算术运算的光逻辑器件，其中该器件包括多个光逻辑元件，所说的光逻辑元件具体是多态、多稳态光逻辑元件，更具体是可近似寻址的光逻辑元件，该光逻辑元件包括光存储物质，在所加磁场、电磁场或电场或所加能量的作用下，这种存储物质能够从一种物理或化学态转变为第二种物理或化学态，其中一种物理或化学状态被赋予一个特定的逻辑值，逻辑元件的物理或化学态的改变引起逻辑值的变化，并且这种变化是通过为了所赋逻辑值的写入、读取、存储、擦除和转换等正在对其进行磁、电磁、电或光存取和寻址的逻辑元件实现的。
一般情况下，本发明涉及一类新的光电器件，这种光电器件可利用包含于各可寻址单元或元件中的光存储物质存储信息和/或执行逻辑功能。每个元件都是一独立的单元，它们可以与类似的元件一般以平面片状或层状的形式结合构成较大的组件。例如通过堆叠，后者可构成为三重结构，从而构成高性能价格比的光数据存储器和光逻辑器件。
随着对致密格式的数据存储能力的日益增长的需求，已开发出目前的数字光数据存储技术，这些技术在提供将高面数据密度与替换性和/或便携性结合的方法方面获得了巨大的成功。
其关键步骤利用了发射相干光的小型高效半导体激光器，所发射的相干光可以聚焦成近衍射限制(near diffraction limited)的光斑，于是可以在承载数据的介质中进行相当精确的定义，并对信息位进行密集排列。在实际系统中，成本和空间限制合乎逻辑地反映到设计中，其中，激光束扫过旋转光盘的表面，随着伺服控制下光引导轨道读取串行位流。
基于这种一般设计的系统现已改进到数据密度接近理论极限的程度，利用过去的附加改进不可能满足适应于末来要求的进一步改进。
一种明显的局限是利用两维数据存储格式。即使面数据密度很高，实际位位置也限制在一个高机械质量的刚性、自支撑表面上的平面内，造成了较小的体数据密度。近来已公开了一些技术方案，其中数据存储在光盘表面下的不同深度的几个平面内。由于有关精确聚焦的场的深度很小，所以不同层间的识别是可能的，预计可以将该原理发展成实现多达10个平面或层面(例如见E.K(签名)，“用于光数据存储的堆叠”，光学和光子学新闻，1994年8月，39页)。然而，显然，源于多层或多极的益处被成本及一方面的多层与另一方面的可取得面数据密度之间的技术折衷方案部分中和。甚至在根据所述的权利要求所实现时，这种技术方案也不具备长期开发和改进的潜力。
许多情况下，在存取时间和数据传输速率方面的许多局限表明旋转光盘系统比数据密度和容量的上述限制具有更严重的缺陷。
在光盘上记录的应用中，不得不随机地快速存取，激光聚焦伺服必须将光组件从光盘上的一个位置移动到另一位置。在正确的径向处，必须快速重新追踪，包括两维对准，旋转速度的调整，同步的建立，及发现和识别文件标题。这些机电的过程包括一般长为200ms以上的存储时间。人们已经做出例如通过增大光盘旋转速度减少旋转对准所花时间，并减小伺服控制聚焦和追踪元件的重量，从而减少存取时间的努力。然而，这方面的改进对另一方面是不利的。增大旋转速度加剧了所谓的“狭边粗木锯效应(whipsaw effect)”，即，为了在不同径向的两轨道间切换时保持光盘表面上恒定的束扫描速度，需要快速加速和减速旋转速度。这是光盘数据修正系统中最重要的内因。试图在各径向位置以恒定的旋转速度运行，以消除狭边粗木锯效应，这会导致面数据密度的减小或增加技术复杂性。
不难想象，这种精确的机电光学系统的时标将很慢，一般在纯电子范围内(微秒或更短)，所以妨碍了光盘器件用作广泛应用的直接快速存取存储器，包括用作计算机等的直接随机存取存储器(DRAM)。人们做出了相当大的努力去消除这些器件的致命缺陷，即不用机械惯性聚焦和追踪的要求。已研制出的解决方案包括光电偏转器、波导和衍射光元件。到目前为止，已证明还没有一种从技术上和经济上可行的，这种特性的系统被应用并表明这种状态将持续多年。另外，这些措施不能解决有关光盘旋转的潜在问题。
在旋转光盘系统中，随着激光束沿轨道扫描，连续读取数据位，数据传输速度明显地取决于旋转速度和沿轨道的线性数据密度。在许多应用中，例如，交互式多媒体，传输速度在目前的光盘系统中是一个严重的瓶颈。在光盘技术中目前开发的近似最优化的数据译码和聚焦，似乎有几条可以增大数据传输速度的可行选择。一种可能是增大旋转速度。几种商用的系统已做到这一点，因速度进一步提高导致其成本和功耗快速递减。另一方法是使用几个激光束，在光盘上对分开但平行的轨道进行寻址。然而，由于平行轨道的数量增大，复杂性和成本迅速提高，这种方案似乎对于速度的提高是最好的，但远不能满足未来的要求。
人们认识到上述缺点已很长时间了，也已提出和实验性地研究了其它方案，并根据全息照象技术研制出了最著名的分页取向的存储器和逻辑系统。除预示出三维高密度体数据存储的前景外，还可以以分页模式寻址全息照象系统，因此，具有对应的固有优点，例如高传输速度。利用无惯性光电装置快速随机存取数据的技术正在研究之中。另外，已研究出例如目标识别用高速并行处理的逻辑运算。可以预言，可以重复擦除和再写入全息照象存储器，在可与方糖(sugar cube)相比的体积内存储吉-太字节级的数据容量，使随机存取时间在微-纳秒范围内，使数据传输速度为每秒几百兆字节(例如，见D.Psaltisand f.Mok，“全息存储”，科学美国人，1995年11月，52-58页)。关于基于共焦点和多激光(非线性)寻址原理的其它系统记载了类似的可能性能(例如，见“光学方糖”，光子学频谱，1994年9月，50页)。
可以一提的分页光学数据存储系统的另一实例是题为“分支的光周期光存储设备”的国际公开的专利申请WO96/21228，其中公开了一种体光学存储器，该存储器通过在光敏蛋白基存储介质中从主要光周期的短暂热中间态选择性激活光化学支化反应，三维高密度地存储信息。这种情况下，使用所谓的“分页”激光器，在一个波长激活平面层或数据存储介质的页面，及激活以另一垂直于所选层或页面的在所选波长上传输数据束的数据激光。然而，这种技术在实际的数据存储器件中不容易实现，有一些严重的缺点。为了获得高体数据密度，分页光必须极强，且在具有明显强度极限的很窄限定的空间范围内均匀。所以需要利用激光束和较复杂的光学系统，以形成这种激光束。第二，需要很精确地控制的照射顺序，包括利用三种不同的波长。这些顺序的最佳时间控制具有温度依赖性，第三，写入和读取速度受光周期时间常数的限制，导致存取时间在ms范围。第四，所存数据的读取将减弱光学存储介质的对比度，所以在一定数量后，例如1000次读取操作后，必须更新。
在题为“光学存储器”的SE专利501106(Toth)中，公开了一种一次写入多次读出(WORM型)的光存储器，该存储器包含有具有稳定光学态的存储元件。该存储元件被分成许多存储位置，给定存储位置的光学态能够被指向存储位置的光束改变和读取。该存储器可以在不移动机械部件的情况下被整体识别，具有很短的寻址时间，允许具有特别高的存储容量。这种存储器还允许并行写入和读取多位字。可以在几层或几级中提供实际的存储介质。那么光束聚焦在给定的存储位置，并且利用八级可以在每个存储位置或x，y位置存储一个字节。在每平方厘米具有7×7个存储单元的设计中，八级可以存储9.8吉字节，写速度将达40兆字节/秒。读出在吸收模式下进行，这意味着，各级必须固定不同的厚度，以便可以按编码顺序进行各级之间的识别。然而，随着级数的增大，这引起了体存储密度的减小，在存储位置聚焦光束及在x，y方向移动光束的必要性造成了有关的成本及技术复杂性。
即使迄今为止已提出的技术方案给人留下了深刻的印象，但在未来商业环境中，这些性能必须根据硬件成本、系统的复杂性和整个器件的结构因素核算。根据目前已公开的现有技术状态，似乎可以得出这样的结论，全息照象和其它分页取向系统或多层系统不可能在不远的将来在市场上实现突破，市场上需要的是密集化和低成本。即使可以以可接受的成本获得元件和材料，但实际上已提出的结构似乎恰恰妨碍了小型化方案。
因此，本发明的目的是克服现有技术和已有方案中的上述缺点，并提供一种光逻辑元件，能够用于实现光存储器、光逻辑和算术电路、光开关，以及更一般地以低成本和低技术复杂性实现光数据处理设备，但具有极高的存储密度，较短的存取时间和很快的传输速率。
本发明再一目的是提供一种光逻辑元件和基于该光逻辑元件的光逻辑器件，其中光逻辑元件和光逻辑器件表现为结构上和功能上的集成单元，元件和器件的所有必要功能基本上能在该元件和器件中实现，所说的功能例如包括存取、寻址、激活、转换和探测。
本发明又一目的是能够以简单的方式实现体数据存储，从而使存储容量基本上只取决于结构因素，变成与逻辑元件的物理尺寸成反比。
利用具有以下特征的光逻辑元件和光逻辑器件可以实现上述和其它目的，光逻辑元件的特征在于：以基本上层状的结构或在这种结构上安装存储物质，在基本上层状的结构上或与之相邻设置产生磁场、电磁场、电场或给存储物质提供能量的激励器，在基本上层状的结构上或与之相邻设置光探测器，用于探测存储物质的物理或化学态下的光响应情况，该光逻辑元件这样构成一个由存储物质、激励器和探测器组成的集成元件；光逻辑器件的特征在于：以基本上层状的结构或在这种结构上安装存储物质，在基本上层状的结构上或与之相邻设置产生磁场、电磁场、电场或给存储物质提供能量的激励器，在基本上层状的结构上或与之相邻设置光探测器，用于探测存储物质的物理或化学状态下的光响应情况，光逻辑元件这样构成一个由存储物质、激励器和探测器组成的集成元件，该器件至少包括一个由光逻辑元件构成的结构，该结构中每个逻辑元件中的光存储物质、激励器和探测器与该结构中周围的逻辑元件中的存储物质、激励器和探测器结合并连接，该结构这样构成一个扁平或曲面体，该结构中的每个逻辑元件在存储物质和激励器间都具有一个单值的赋值，在存储物质和光探测器间也有一个赋值，用于存储物质物理或化学态的单值探测，以便能够分别对该结构中的每个光逻辑元件进行存取和寻址。
按光逻辑元件的一个优选实施例，存储物质设置为第一层，激励器设置为与第一层相邻的第二层，或设置为与第一层成一体，用于探测存储物质的状态的光探测器设置成与第一层相邻的第三层，于是该光逻辑元件构成一个至少分别由三层或两层组成的集成元件。
另外，有益的是，激励器由一种或多种直接或间接发射辐射的装置构成，发射辐射的装置设置在第二层的基材上或嵌于其中。发射辐射的装置有利于电存取和寻址。另外，有益的是，发射辐射的装置是发光二极管，最好是聚合物二极管。
另外，有益的是，发射辐射的装置是可调频的，频率的调节与电寻址一同进行。另外，有益的是，光探测器为电可存取和寻址的光探测器，为了激励器和探测器的电存取和寻址，电极和导体被集成在第二层和第三层。为此，有益的是，电极和导体以导电聚合材料为基质。在光逻辑器件的优选实施例中，每个光逻辑元件中的存储物质设置为第一层，激励器设置为与第一层相邻的第二层，或设置为与第一层成一体，用于探测存储物质的状态的光探测器设置成与第一层相邻的第三层，于是该光逻辑元件构成一个至少分别由三层或两层组成的集成元件，各层与该结构中周围逻辑元件中的相应层结合并连接，于是形成一个相连和彼此相邻的各层的扁平或曲面体。
光逻辑器件中的每个结构最好是柔性薄膜。
在本发明的具体优选实施例中，光逻辑器件包括两个以上彼此叠于另一个上的联合结构，光逻辑器件这样形成一个由多个结构集成的芯片状或盘状部件。
在根据本发明的光逻辑器件的一种变形中，一个结构最好是其整体或部分构成为光存储器，存储器中的每个光逻辑元件构成可分别存取和寻址的存储元件。在根据本发明的光逻辑器件的第二变形中，一个结构最好是部分构成为光逻辑或算术电路或这些电路的网络，这些电路中的每个光逻辑元件构成能够分别存取和寻址的开关元件。在根据本发明的光逻辑器件的第三变形中，一个结构中的各光逻辑元件组分别构成为存储寄存器、逻辑寄存器、和算术寄存器，寄存器中的每个光逻辑元件(OLE)和每个寄存器都能够分别存取和寻址，因此，各寄存器可以联合构成为光数据处理器。最后，在光逻辑器件中，对逻辑元件的存取和寻址最好是通过为该结构指定的多路通信线路进行。
本发明的其它特点和优点由所附的权利要求书体现。
下面结合各附图，用实施例更具体地介绍本发明。
图1a展示了本发明的光逻辑元件，
图1b和1c展示了作为二进制逻辑单元的光逻辑元件的操作，
图1d展示了比较用的场效应晶体管，
图2展示了光逻辑元件的优选实施例，
图3展示了光逻辑元件的第二优选实施例，
图4展示了电子俘获材料形式的存储物质的原理，
图5a-d展示了光敏构造反应性材料形式的存储物质的原理，在这种情况为细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)，
图6和7展示了图1中的光逻辑元件的更优选实施例，
图8展示了图1中的光逻辑元件的特别优选实施例，
图9展示了发光聚合物二极管的光谱特性，
图10展示了发光聚合物二极管的示意图，
图11展示了本发明的光逻辑器件的第一设计方案，
图12展示了本发明的光逻辑器件的第二设计方案，
图13展示了图11中的光逻辑器件的一种变形，
图14展示了图11中的光逻辑器件的第二变形，
图15展示了图14中的光逻辑元件设计方案的示意放大示图，
图16展示了根据图14的变形本发明光逻辑器件的又一种设计方案，
图17展示了用于寻址本发明的光逻辑器件的装置的示意图，
图18展示了由本发明的光逻辑器件产生的两个二进制变量的十六个布尔函数，
图19展示了在本发明的光逻辑器件上实现的四位二进制全加并行算法的示意图。
图1a展示了本发明的光逻辑元件的示意图。存储物质1设置在第一层l1，可以产生磁场、电磁场或电场或给存储物质1提供能量的激励器2设置为层l1一侧上的层l2，探测器3设置为层l1的另一侧上的层l3。层l1、l2、l3可以分别整体地包括存储物质1、激励器2和探测器3，但也应理解，层l1、l2、l3可以由一种基材构成，存储物质1、激励器2和探测器3分别嵌在其中或设置于其上。
图1b展示了逻辑态0的写入、读取和探测期间本发明的光逻辑元件OLE的操作的符号表示。这种情况下，以第一波长λ1的光的形式给存储物质1提供能量，而通过吸收第二波长λ2的光进行读取。表示逻辑态0的所探测光由较短的光子符号表示，以便表示由于吸收而光强减弱。图1c是探测逻辑态1期间即层l1中的存储物质1中没有发生吸收时，光逻辑元件OLE的操作模式的类似示意图。图1d是N沟道功率晶体管的示意图，用于表示根据本发明的光逻辑元件与电子开关器件间的相似性。逻辑态0和1的读取光的吸收对应于场效应晶体管的漏电压Vd。
图2展示了激励器2中包括设置于层l2中的一个或一个以上的直接或间接发射辐射装置21…2n的实施例。图2中，发射辐射装置21…嵌在层l2中的基材中，但也可以位于层l2上。在优选实施例中，层l1和l2可以结合构成共用层lc。那么该层将包括存储物质1和带有发射辐射装置21…的激励器2。在对逻辑元件OLE写入期间激励器被破环的情况下，该实施例是有益的，如果其不得不构成ROM或WORM型存储器件的部分，并因此不想被擦除和/或写入时，这是合适的。
光存储物质1为光敏感的，能够以两种或两种以上不同物理状态存在，如图1b和1c所示。利用对入射探测光或读取光的状态响应便可以确定这些物理态。通过例如根据具体的读取协议不同地激发激励器，可以发现逻辑态，从而存储物质1根据逻辑态与光的光学传导或发射的依赖关系响应入射光。
光逻辑元件OLE的基本特性明显取决于存储物质的写/读特性。写过程中存储物质的改变是不可逆的，所以形成了实现ROM和WORM型存储功能的光逻辑元件。然而，下面的介绍将集中在非易失性但可逆的存储物质上，即，它们保持所产生的逻辑态，直到写入、读取或擦除光作用于其上为止。然而，通过用光照射，可以对它们进行多次删除、擦除和再写入。该存储物质的另一重要特征是无论能承载多级信息，即灰度编码的信息，还是响应二进制性质的读协议，即，或者为逻辑态0或者为1。
即使如上所述的存储物质1因光的作用从一种物理/化学态变到另一状态，根据本发明也不会拒绝使用影响存储物质的状态的其它形式的能量。可以包括磁场、电磁场或电场或热形式的供应能量。如果在存储物质的逻辑态间在处理步骤中需要产生暗反应，例如施加用于擦除信息或产生使入射光起作用的条件的热，产生使入射光起作用的条件例如，在存储物质为吸收特定波长的光敏材料时加电场使吸收带偏移，这是合适的。
从上述的事实可知，本发明的光逻辑元件从存储物质中获得了其基本特性。下面将说明可逆的两种存储物质，即，通过使用合适的写、读和擦除协议，它们的逻辑态可以循环一次以上。
电子俘获材料一般为掺杂有稀土离子的有机半导体材料。电子俘获材料可用于高密度存储数据，可以提供高数据传输和恢复率。可以参考.J.Lindmayer的文章，“一种新的可擦除光存储器”，固体状态技术，1988年8月。
图4给出了电子俘获材料工作模式的一般性示意图。
通过发生在能级E和T的俘获进行写入。在写入光激发用作掺杂剂的两种稀土金属原子时，它们的电子被提升到两类原子皆存在的能极E，并基本被俘获在只有一种原子中存在的能级T。暴露于能级T近红外范围内的光，将电子提升到在此它们将回落到基态的连接能带，由此擦除数据。
电子俘获材料可以具有碱土金属硫化物例如CaS、SrS、MgS或它们的混合物形式的主晶格。在稀土金属铕和钐用作掺杂剂时，存储物质吸收450-550nm的入射光，从而铕离子吸入光子能量，并将部分能量传输给钐离子。后者于是被激发到俘获态，原因是这些态是稳定的，即，钐离子将稳定很长时间，除非通过吸收合适量的能量摆脱俘获。后者将是存储物质受波长为850-1200nm的光辐照的情况，于是激发俘获态的钐离子，释放的电子发射波长为600-700nm的光，返回到基态。这种情况下，通过用波长为450-550nm的光辐照进行写入，而通过利用波长为850-1200nm的光辐照进行读取，同时在波长为600-700nm进行荧光探测。
存储物质可以是构造反应性(conformation-reactive)材料，代替电子俘获材料，具体为可通过光周期的光敏构造反应性材料。这些材料的实例有某些类型的染料蛋白质。已被很深入研究的这种蛋白质是发生在微生物薄膜中的细菌视紫红质(Halobacteriu用salinarium)。关于细菌视紫红质的光数据存储的最近的讨论，请参考专利申请972574，本申请要求该申请的优先权，该申请转让给本申请人。
在细菌视紫红质吸收光时，它通过产生在电磁波谱的整个可见光范围内有最大吸收的中间态的光周期。这示意性地展示于图5a，图中表示了细菌视紫红质的光周期，显示出光引发的结构改变的顺序。光引发的转变或激发转变由阴影箭头表示，而非阴影的箭头表示热衰减引起的转变。绿光将细菌视紫红质的基态bR转变到随后衰减的中间态K，形成M态，然后是O态。除此之外，在M态的停留时间取决于温度和所用细菌视紫红质的变种。如果O态的细菌视紫红质暴露于红光，便会发生所谓的支化反应。O态变到会迅速衰减到Q态的P态，已证明这是一种可以长时期稳定的细菌视紫红质形式。在使用天冬酸残基(as partic acid residues)85和96的不同细菌视紫红质变种中，Q态的寿命可以延长到几年。如果用非极性的氨基酸例如天冬酰胺酸代替天冬酸85，则可以防止形成稳定的M态，主要光周期迅速构成O态(或很象O态的中间态)(R.R.Birge Ann.Rev.Phys.Chem.41，pp683-733(1990))。然而，如果在Q态用兰光照射细菌视紫红质，则它会回到基态bR。如果不用红光照射O态，则在短时间内它将衰减到基态bR。现在可以给任何两种具有长寿命的状态赋予二进制逻辑值0或1，于是可以使信息存储于处于这些状态中的一种或另一种的细菌视紫红质分子。
图5b是细菌视紫红质的主要光周期的示图，图中按一般为顺时针方向成圆形的顺序表示出适用于本发明的光逻辑元件的中心光化学变换。bR表示细菌视紫红质的基态，大写字母表示光周期的不同状态。括号内的数字表示不同状态或类别的纳米级细菌视紫红质的吸收带的中心波长。在光诱生激发下产生的转变由hv表示，可能时用时间常数τv表示，而由热反应引起的转变由大约室温下的第一级弛豫时间的时间常数τp表示。在基态或静态bR用中心约在570nm的光照射细菌视紫红质分子，产生了寿命很短的激发态K。如图所示，K态有中心在600nm的吸收带宽，预示着在从bR态激发时有效带宽扩展到600nm以上，K态的分子将回到基态bR。然而，这种转变已证明有低量子效率，并且由于K态不稳定，很快变到L态，K态的多数分子在该光周期受到作用，即使有些分子将循环回到基态bR。吸收带中心在410nm的中间态M在大约1-3ms的短时间内热衰减到中间态N，中间态N进而热衰减到中间态O。如上所述，在细菌视紫红质的不同变形中，M态具有高达几分钟的较长寿命，因此，在不需要用很长时间进行资料存储的情况下，则可用它们表示逻辑态0或1中的一种。此时，可以一提的是M态实际上包括两种状态M1和M2，它们实际上具有不同的吸收波谱。另外，在利用M态在细菌视紫红质中进行全息数据存储的先前的尝试期间，观察到灵敏度和对比度逐渐损失，后来证明是因到P和Q态的支化反应期间活性分子的损失造成的(R.R.Birge，个人通信，1996)。从图中可以看出，用其中心在M态的吸收中心波长410nm附近的光照射时M态恢复到基态。然而其中心在基态bR的吸收中心波长附近的光即570nm自然不会使M态回到bR态。O态的吸收中心波长为640nm，所以如果用有效带宽中心在该波长附近的光照射的话，会引起该光周期的支化反应，O态将变到具有高达几分钟的较长寿命的中间态P。P态将热衰减到最稳定的光周期的中间态，即其寿命可以延长到几年的Q态。因此可以用Q态表示不得不保持数年的逻辑态。因此，除稳定的基态bR外，在适于资料存储的光数据存储器件中采用本发明的光逻辑元件情况下，在由细菌视紫红质构成存储介质时，Q态是一种最适用的状态。
如果用有效带宽中心在Q态的吸收中心波长380nm的兰光照射Q态，则Q态变到基态bR，而时间指示“＞1年”表示Q态也将热衰减到基态bR，但这种情况下具有为数年的时间常数。通过具有有效带宽中心在P态吸收中心波长490nm附近的光的吸收，P态可以返回到O态。而且，在正常的光周期，O态热衰减回基态bR，室温下其时间常数约为4ms。
图5c进一步显示出了细菌视紫红质的光周期。外圈表示从基态bR依次通过中间态K、L、M、N和O回到基态bR的顺序时针方向的光周期进程。光周期的支化反应由具有从O态到达的P和Q态的内圆弧表示。具有较长寿命的亚稳态即M、P和Q由阴影部分示出。圆扇区表示包括Q和为了本发明的目的应认为是稳定的bR态的光周期的区域。对本发明很重要的光周期中光诱发的转变由数字指示的箭头表示。而且，图中省略了对于本发明来说不重要的很短暂的中间态。同理，在中间态实际由大致相同吸收波谱的几种状态构成时也如此。
图5d中示出了不同种类或状态的细菌视紫红质的吸收波谱，还给出了适用于照射某一类以便有效地激发到另一状态的有效带宽。从图中可知，例如利用有效带宽中心在约600nm附近的光会影响N、bR、K和O态，但这种照射的后果将是至少相当大比例的分子群受作用从bR到较稳定的Q态。自然，通过用中心在570nm的光脉冲连续照射基态bR，可以获得同样的结果，所以使得bR态变到O态，同时类似地用中心在640nm的光持续照射细菌视紫红质，几ms时间间隔后，可能使O态变到P态。以后将更具体地讨论这其中隐含的意义。从图5d还可以看出，通过在Q态用380nm或例如有效带宽为360-400nm的光照射分子，可以有效地将Q态激发到基态bR态。
存储物质1还可以是一种荧光物质，即，在受激励器2的激发时，存储物质1发射将由探测器3探测的荧光。换言之，探测发生在发射时。除专利文献中已有记载外，利用荧光物质存储数据已是所属领域的技术人员公知的，因此，不再对此做进一步的说明。
下面将更具体地讨论本发明光逻辑元件的不同优选实施例。
图6示出了具有用于分别对激励器2和光探测器3进行存取和寻址的电极4、4’或电导体5、5’的光逻辑元件OLE。为此目的，电极4、4’或导体5、5’分别与第二和第三层l2和l3成一体。电极4、4’和电导体5、5’最好基于导电聚合物材料。如果电导体5、5’分别设置成在层l1和l3的每一侧上彼此垂直，则电极4、4’可用作各垂直设置的导体5、5’之间的交点。而且，可以邻接第一层l1或与其成一体设置另一层l4，如图7所示，用于产生电场。层l4可以由铁电、光电或类似的材料构成，所产生的电场将用于使光存储物质1发生时域、频域或强度域响应。关于此的一个实施例可以参考上述SE专利，专利号501106，其中在存储物质的一侧上在存储物质和电极矩阵间设置有具有抗光特性的光导层。如果激励器是一种发射辐射的装置，则例如这可以由在层l4和电极4间同时施加的控制电压，使电场选择性地施加于光逻辑元件上。
发射辐射装置2可以是半导体激光器，以这种形式例如位于电极4、4’间的层l2中的二极管激光器。如图2所示，可以设置多个发射辐射的装置21……2n，这种情况下，例如通过提供具有特定发射特性的二极管激光器，可以将它们设置成以不同的预选频率发射。
发射辐射装置2还可以是间接发射辐射装置，这时，它必须由图中未具体展示的外部辐射源2’激发。这种类型的外部辐射源必须设置于光逻辑元件OLE之外，如果各光逻辑元件结合形成两维矩阵，构成光逻辑器件OLD时，这可以通过在矩阵的边缘上和其外部设置辐射源实现，这时，层l1必须能够作为通过层l1中的透明材料将光传导到间接发射辐射装置的波导。这种层状光波导l2可以用细条线或纤维光波导以模拟方式实现，因此这里不再做进一步的讨论。
然而，要提供基于可近似寻址的光逻辑元件的可近似寻址光逻辑器件，最好是利用设置于层l2中的直接发射辐射装置2。
这种情况下，发射辐射装置2可以是发光二极管，为此目的，特别优选的是基于共轭聚合物的有机发光二极管。这种发光聚合物二极管在题为“色源和它的构成方法”的国际公布专利申请W95/31515中有记载，本申请人已在其中要求了权利，这里引入此文献做参考。这种类型的发光聚合物二极管随二极管工作电压的变化可以发出几种波长的光。这些二极管可以发出不同波长的光，例如在低工作电压下主要发红光，在较高工作电压下发兰光，同时在中间电压下可以在改变强度的红光和兰光中实现发射终止。这些二极管可以制造成共轭聚合物范畴内厚为几十纳米的薄聚合物膜，各二极管的尺寸不要太大。要在光逻辑元件中集成发射辐射装置，则要求它们与具有类似尺寸的光逻辑元件OLE兼容。
图8示出了形成为可近似寻址的光逻辑元件的本发明光逻辑元件。这种情况下，例如可以是如细菌视紫红质等构造反应性光敏材料的存储物质1构成层l1。
邻接光敏材料1或结构l1，在层l2中设置最好是发光聚合物二极管形式的发射器或光源2。通过与电源6连接的电极4、4’给发光聚合物二极管2提供工作电压VE。发光聚合物二极管2邻接光敏材料，即在一个光周期内驱动细菌视紫红质。这意味着，电极4’必须是透明的。而且，在一光周期内驱动细菌视紫红质1通过光周期的发光二极管2必须发射可调波长，这预示着这种情况下，合适的是设计可调电压型聚合物二极管形式的发光二极管，例如以下将一同更具体讨论的上述国际专利申请W95/31515所记载的。与发光聚合物二极管2相对并类似地邻接细菌视紫红质层l1，仍以层l3的形式设置光电或光导探测器3，并同样提供电极4、4’，用于在探测光时从探测器将信号电压VD传输到运算放大器7。显然，这种情况下，面对细菌视紫红质层l1的探测器电极4也必须是透明的。
如上所述，已经结合上述国际专利申请WO95/31515讨论了发光聚合物二极管形式的可调电压有色光源，此外，M.Bergren等人在Nature372，pp.444-446(1994)对此也做了具体说明。改变通过电极所加的工作电压，这种发光聚合物二极管可以发出不同波长的光。对这种发光聚合物二极管描述较一般，通过合适地选择发光材料，可以将所发光束的波谱特性控制在宽范围内。关于本说明书，在需要不同状态下适用于细菌视紫红质光吸收特性的波谱时，应采用在低电压VE下发黄光的发光聚合物二极管，随着电压升高，兰光发射增加。图9a-c对此有更具体的展示，其中，图9a展示了所加电压VE为5伏时的波谱特性和光强。基本上发射波峰在约630nm的红光。这种情况下，利用率为100％。图9b中，电压增大到16伏，利用率降低到50％。可以看出，发光聚合物二极管仍保持约630nm的发射峰，但同时增加了约400nm的兰光发射。用利用率为20％的21伏的施加电压，在约530nm波长的发射相对减少，发射峰基本上是高强度的兰光，其中心在约430nm，如图9c所示。控制电压的发射器即国际专利申请WO95/31515中所述的发光聚合物二极管含有多个实际上分开的发光区9、9’，如图8和图10所示，它们可以被当作通过发射层l2的示意区。区9、9’嵌在例如其自身可以是聚合物的透明基材8中，每个区9、9’只含有一种发光聚合物，即或者具有窄带隙主要发射黄光或红光(例如9)，或者具有宽带隙发射兰光(例如9’)。如果区9、9’较大，且设置成彼此隔开较大距离，会导致由于从发光二极管发射不可预测和不均匀光造成的问题，这种情况下，某些光辐射几何图形在打到细菌视紫红质结构的给定中心点的红光和兰光间有差的空间重叠。参见上述WO95/31515，实验表明，由于这些区域不得不使电极4、4’与基材表面接触，至少此时可以获得从几十nm到高达几百nm范围的典型尺寸和两区域间的距离，结果是聚合物层或基材8的厚度的比例系数对应于该区的截面。因此，由于空间离散光发射造成的效应只在一般为几纳米级的很小光发射聚合物二极管时很显著。另一方面，还表明通过减小区域9、9’的尺寸，可以极大地减小发光聚合物二极管2的尺寸，于是甚至是对于大约10纳米左右大小的发光二极管来说也可以避免不好的空间效应。发射层l2的厚度可与至少理论上的结果比较，可以获得最多为几纳米大小和相应厚度的本发明光逻辑元件。
光电或光导探测器3的设计与发射器2或有色光源即利用与图8所示类似的聚合物二极管类似，具有光吸收区，结果是根据波谱所探测到光强度的变化在电极4、4’上产生信号电压或探测输出电压VE。这种情况下，以同样的方式，探测器3必须被调节到发射器2的波谱特性。关于探测器3，对发光聚合物二极管2应用相同的比例系数，区域9、9’的尺寸确定层厚。显然，层厚必须与该区域的截面相适应，于是建立与电极5、5’的接触。
可以得知，结合利用光敏有机物质即细菌视紫红质和发光聚合物二极管介绍的光逻辑元件OLE被设计成可近似寻址，所以避免了对在光通过设置于细菌视紫红质结构之外和在光有源结构和发射器之间的折射或衍射元件形式的光有源结构而到达光敏有机物质时存在的比例系数的限制。这种情况下，光逻辑元件的尺寸将受所用光辐射波长的限制。
下面结合图11-17讨论本发明的光逻辑器件OLD。
图11展示了两维阵列或光逻辑元件OLE的结构S形式的光逻辑器件的设计方案，并用m×n阵列中的光逻辑元件OLE11和OLE1n示出了穿过一行这种光逻辑元件的截面，其中m＝n＝5。图12展示了本发明的光逻辑器件，其中光逻辑元件OLE的两维阵列或结构S1…Sx按层堆叠，光逻辑元件的两维阵列这样构成了在体光逻辑器件OLD中的表面体结构S。由此光逻辑器件OLD形成为例如具有m×n×x个逻辑元件的三维阵列，x为堆叠结构S的数量。图12示意性地展示了穿过构成结构S的阵列的连续堆叠行的截面，图中，例如m×n阵列中的行m＝1，结构S1中的两个光逻辑元件OLE分别表示为OLE11和OLE1n。如图12所示，光逻辑器件OLD包括五个这样的结构S，所以x＝5，因此可以认为图12示出了具有5×5×5＝125个光逻辑元件OLE的体光逻辑器件。每个结构之间，设置有光、热和/或电绝缘层l5。
在光逻辑器件OLD的一种变形中，例如可以给m×n阵列的各行、各列或子阵列形式的光逻辑元件OLE组指定一个覆盖组中所有光逻辑元件的共用光探测器3，如图13所示。
如图14所示，每个结构S可以包括含有成一体的电极4、4’和电导体5、5’的一个以上的层l6，这些电极和导体分配给各个光逻辑元件OLE，构成结构S的一部分，用于对光逻辑器件OLD进行存取和寻址。如图14所示，电导体5、5’可以彼此垂直，这种情况下，电极4、4’可以在每个光逻辑元件OLE中的5、5’之间的交叉点处形成，例如在导体5、5’的交叉点之间的层l2和l3中形成二极管结构。
图15是展示按阵列排列的可近似寻址的光逻辑元件OLE的透视图，其中以放大的形式示出了构成光逻辑元件OLE的阵列的各层，即激励器层l2、存储物质层l1和探测器层l3。阵列中含有m×n个逻辑元件OLE，图15中实际示出了一种5×5的阵列。参见图14，在激励器层l2上设置有导体5、5’，电极4、4’设置于导体5、5’之间的每个交叉点上，用于施加电压。如果激励器2是发光二极管，则它发出影响以光敏有机物质形式的存储物质的光，比如在层l1中的细菌视紫红质。探测发生在探测器层l3，这种情况下，由于在所设导体5、5’之间的每个交叉点处照射，光吸收探测二极管3同样得到了。由此形成的光逻辑元件示为OLE13，这种情况下，为简化起见，图中示出的层l1、l2、l3或矩阵为5×5矩阵。
用图15所示的光逻辑器件可以用于形成由数层或矩阵S1……Sx形式的结构S构成的体光逻辑器件。图16展示了这种光逻辑器件OLD截面，每个层S中，设置有激励器层l2，存储物质层l1和探测器层l3。如图15所示，设置导体5、5’，这里示出其与层l6成一体。在光逻辑元件OLE中，在导体5，5’的交叉点之间形成电极。在每个结构S之间，可能也在器件OLD的上部和底部，可以设置光、热和/或电绝缘层l5。为简化起见，图16所示的器件表示为具有5×5×5个即总共125个光逻辑元件的立方体。示出了结构S1中光逻辑元件OLE1，3的尺寸，该尺寸对应于图15所示的光逻辑元件OLE1，3。
由于每个光逻辑元件OLE可近似寻址，即，邻接光敏有机物质设置发射器和探测器，并将它们设置于器件内，所以一个n×m阵列中可包括的元件数量和可以彼此堆叠于另一个之上的结构S的数量是刚好可行的。
在基于图11-12所示的本发明可近似寻址的光逻辑元件OLE的光逻辑器件OLD中，如果使用光敏构造反应性材料至少理论上对比例系数的唯一限制是存储物质1的分子尺寸、以及所指定的激励器2和探测器3的最小可实现尺寸。实际上，试验表明，在利用发光聚合物二极管时，目前可以得到几十纳米大小的光逻辑元件，及相应的用于发射器和探测器的电极的小导体结构，结果是光逻辑元件的实际面积在2500nm2和10000nm2之间。最坏的情况下，每平方厘米共有1010个光逻辑元件，这些元件是以相应的层厚立体实现的，可以在本发明的光逻辑器件中在1cm3中得到1015个可近似寻址的光逻辑元件。可以认为，可以得到增大了一个数量级的线性比例，所以本发明允许在1cm3中形成1018个光逻辑元件。为了表示这种形成为光存储器的光逻辑器件的存储容量，应该一提的是这对应于存储1014页普通书页，足以用于多数类型的资料存储。
图17示意性地示出了用于对本发明的光逻辑器件OLD中的单个结构S1寻址的配置。为简化起见，图17示出了5×5阵列即具有25个逻辑元件形式的结构S1。阵列中每行或每列中都设置有垂直构形的导体5、5’，所以允许在导体5、5’之间的交叉点处对光逻辑元件进行存取和寻址。利用该配置，还可以对所有光逻辑元件OLE进行寻址和激发。导体5、5’与各驱动器电路10、11连接，驱动电路10和11通过接口12与图17的截面中所示的主总线13连接，并且导体5、5’垂直延伸到图示平面，以此方式连接到构成光逻辑器件OLD一部分的结构S。有益的是，可以在层次结构中进行寻址，所说层次结构例如能在该结构层次明确寻址光逻辑器件OLD或每个结构S中功能上协作的光逻辑元件OLE组或结构S中的单个光逻辑元件OLE。所属领域的技术人员可以认识到，存在许多实现体光逻辑器件近似存取和寻址的可能性，并且还可以通过使用多路通信线进行并行存取和寻址。然而该存取和寻址配置不构成本发明的任何部分，因此不做更具体地讨论。
本发明的光逻辑器件OLD不仅适用于存储数据，还可以用作处理数据的装置。这种情况下，数据处理应理解为光逻辑元件结合成光逻辑网络，以便利用能实现这些功能的光逻辑门和光逻辑门电路进行逻辑运算，或光逻辑元件结合构成算术电路，以进行利用基于二进制逻辑的算术寄存器实现的二进制算术运算。所以可以将结构S中的各组光逻辑元件OLE构成为存储寄存器、逻辑寄存器和算术寄存器，原因是寄存器中的每个光逻辑元件OLE和每个寄存器都可以分别存取和寻址。这些寄存器可以结合构成光数据处理器。这种光数据技术类似于基于半导体元件的常规数据技术，所属领域的技术人员早已熟悉这种技术。关于这种技术，例如可以参考Alastair D.McAulay的“光计算机结构对下一代计算机的光学概念应用”，JonnWiley & Sons(1991)，特别是“Part II：光计算机的子系统”，124-342页。
电子俘获材料或例如细菌视紫红质等光敏构造反应性材料作存储物质时，本发明的光逻辑元件OLE可以结合成可用于数据处理的光逻辑器件OLD，以形成例如可以实现两个二进制变量的所有可能的十六个布尔逻辑函数的逻辑电路。图18示出了可以实现这十六个布尔函数的四个光逻辑元件的组合，该组合形成为2×2阵列，阴影为逻辑O，非阴影为逻辑1。表I中示出了两个二进制变量的这十六个布尔函数，而表II中示出了如何通过逻辑运算的组合产生这些布尔函数。
               表I.两个二进制变量的十六个布尔函数
输入 输出
A   B   F0   F1   F2   F3   F4   F5   F6   F7   F8   F9   F10   F11   F12   F13   F14   F15
  0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   1   1
  0   1   0   0   0   0   1   1   1   1   0   0   0   0   1   1   1   1
  1   0   0   0   1   1   0   0   1   1   0   0   1   1   0   0   1   1
  1   1   0   1   0   1   0   1   0   1   0   1   0   1   0   1   0   1
函数名 0 AND A B A AB B SOR OR NOR WNOR B A+B A A+B NADN 1
表II.组合逻辑运算产生布尔函数
布尔函数                            布尔函数
F0＝0                                F1＝A·B
F2＝A· B                           F3＝A
F4＝ A·B                           F5＝B
F6＝A· B+ A·B                    F7＝A+B
F8＝ A·B                           F9＝A·B+ A· B
F10＝ B
F12＝ A                              F11＝A+ B
F14＝ A+ B                          F13＝ A+B
                                      F15＝1
参考表III，该表示出了两个二进制变量的某些布尔逻辑函数是如何利用其中的存储物质1为电子俘获材料的光逻辑元件OLE实现的。这种情况下，电子俘获材料借兰光的照射进入公共态(commonstate)。随后用红光照射释放所俘获的电子，发射橙光。此时，激励器2将设计为两个单独可寻址的发射辐射装置，例如可调电压的发光二极管。可以在存储物质1即电子俘获材料和探测器3间利用层状的带通滤波器，从而阻挡兰光和红光。因此只探测到激发的橙色荧光。
表III.在电子俘获材料中产生布尔函数函数                       运算AND：                      -输入A：变量值1为兰光(无光＝0)
                       -输入B：变量值1为红光(无光＝0)
                       -结果：如果激发A和B并闪烁兰光和红光，则发
                  出橙色输出光，给出探测信号即AB＝1OR：                       -输入A：变量值1为兰光和红光(无光＝0)
                       -输入B：变量值1为兰光和红光(无光＝0)
                       -结果：如果在步骤1闪烁A，B或A和B，则发出
                  橙光，给出探测信号即A+B＝1ZERO：                     -不照射
                       -结果：没有橙光，没有探测信号即0(zero)IDENTITY：                 -独立输入：照射兰光，然后红光
                       -结果：橙光闪烁，探测信号即1(one)NOT：                      例： AB：
                       -独立输入预备步骤：照射兰光
                       -输入A：变量值1为红光(空俘获)(无光＝0)
                       -输入B：变量值1红光(无光＝0)
                       -结果：橙光闪烁，由此如果A＝0且B＝1，则只
                       得到探测信号即 AB＝1
                       例：A B：以上的A、B改变角色
如果用细菌视紫红质作存储物质，此时，通过光透过率的变化存储物质将表现出其不同的逻辑态，所以在用荧光时，可以在吸收模式而非发射模式进行探测。表IV示出了实现两个变量的某些布尔逻辑函数的实例，其中假定使用细菌视紫红质的光周期，在基态bR和亚稳定态M态间变换分子。用黄光照射bR态，产生到吸收兰光的M态的转变，而用兰光照射M态，使细菌视紫红质分子恢复到基态bR。可以通过用弱兰色探测束测量兰光的吸收监测分子态。表4中所示的结构中，对于预处理阶段和输入信号及输出信号使用兰光，必须按时序进行识别。用可以持续几ms的时间常数τp部分地热驱动包括M态的光周期。为了获得高的整体处理速率，必须对光逻辑器件OLD中的光逻辑元件OLE或这些光逻辑元件OLE的组并行寻址。然而利用细菌视紫红质作存储物质为实现基于利用本发明光逻辑元件OLE的逻辑电路提供了一些机会。可以一提的是，利用黄光处理bR态和利用兰光处理M态都是光化学反应，即它们由光子驱动，每种情况下，转换速率主要取决于所用光辐射的强度。也可以利用例如基态bR和K态间的转换，很快速地发生转变(τv～10ps)。在bR态吸收了兰光后，用几ps时间将分子通过中间态J驱动到K态。在相对于bR态的吸收波长即波长590nm偏移的波长K态吸收，可以通过最多为几ns的时间很快地光诱发过程恢复到bR态。在利用细菌视紫红质作存储物质时，还可以利用构成部分细菌视紫红质光周期的上述支化反应的长期稳定的Q态。利用基态bR和Q态可以使输入光(写入光)和探测光(读出光)间具有高波谱绝缘性，以及简单且直接的实现利用布尔函数的逻辑电路。一个可能的缺点是两状态间较低的循环速度，但再利用具有大规模并行寻址可能性的本发明光逻辑器件，可以实现很高的数据速率。
表IV.在细菌视紫红质中产生布尔函数函数     运算AND      -独立输入预备步骤：黄光到M态
     -输入A：变量值为1时强兰光使分子变白(M-bR)
(没光＝0)
     -输入B：随后输入A：变量值为1时弱兰光(没光
＝0)
     -结果(步骤B期间测量弱探测光强度)：
     如果A＝1且B＝1，则传输的兰探测光强，即AB＝1，
     如果A＝0或B＝0或A，B＝0，则传输的兰光弱或为零
即AB＝0OR：            -输入A：变量值为1时弱兰光(没光＝0)
            -输入B：变量值为1时弱兰光(没光＝0)
            -结果：在步骤B测量传输的弱兰探测光的强度。如
果顺序进行步骤A，B，则利用成一体的光探测器。如果A
＝1，B＝1，或A，B＝1，则探测到传输的兰探测光信号即A
+B＝1
   如果A＝B＝0，没有信号，即A+B＝0NOT：  例： AB：
   -输入A：变量值为1时强兰光(没光＝0)
   -输入B：变量值为1时弱兰光(没光＝0)
   -结果：在步骤B测量传输的兰探测光强度。
   传输率低或为零，除非A＝0，即：
   如果A＝0且B＝1，则 AB＝1，
   如果A＝1且B＝0或A＝1且B＝1，则 AB＝0
如果本发明的光逻辑器件将形成为光数据处理器，则这预示着必须可以形成能进行二进制算术运算的算术寄存器。图19示出了四位全加并行算法的实例，参见图18，该算法可以由具有例如由基于电子俘获材料或细菌视紫红质构成的存储物质的逻辑门进行。二进制半加器十分简单地由用于求和的EXCLUSIVE-OR门和用于进位的AND门构成。为了实现全加，必须考虑从最低有效位的半加进位。因此需要具有三个输入的逻辑门。因为本发明的光逻辑元件只有用于逻辑运算的两个输入，所以这不包括利用本发明的光逻辑元件OLE。为了克服这个问题，可以使用迭代并行流算法，图19展示了只需要四次迭代的四位加法的实例。这种算法的优点是可以利用具有两个输入即在具有两个光波长的电子俘获材料或细菌视紫红质的情况下的同一光逻辑元件，重复进行移位-和-逻辑运算。可以利用一个光逻辑元件进行并行逻辑运算EXCLUSIVE-OR和AND。另外，移位的中间输出信号可以通过探测器和寻址系统反馈回逻辑器件，以便利用该输入波长的光激发逻辑元件。如上所述，如果激励器是波长可调的发光聚合物二极管，则可以设想在任何速率下，可以利用具有可以经历光周期的以电子俘获材料或构造一反应性材料如细菌视紫红质形式的存储材料和光逻辑元件OLE，根据该原理构成全光学系统。
实现布尔逻辑函数和算术运算的上述实例用意自然是在于用作例子，所属领域的技术人员应明白，在本发明的范围内不仅可以实现这些运算，而且可以实现一般意义上的所有二进制逻辑和算术运算，本发明的光逻辑器构成为能够实现具有基本容量和速度的光数据处理器。本发明的光逻辑器件OLD不能构成具有大量可大规模并行寻址和工作的处理器的大型计算机是没有任何理由的。如果这些处理器形成为收缩阵列处理器，且如果使用动态最佳网络拓扑，则利用本发明的可近似寻址光逻辑元件可提供高于常规半导体类技术几个数量级的性能和容量，另外，其优点是看起来只有光技术便可以实现。

Claims (41)

1.一种光逻辑元件(OLE)，具体为多态、多稳态光逻辑元件，更具体为可近似寻址的光逻辑元件，其中包括光存储物质(1)，在所加磁场、电磁场或电场或所加能量的作用下，存储物质(1)能够从一种物理或化学态转变为第二种物理或化学态，其中一种物理或化学态被赋予一个特定的逻辑值，该逻辑元件的物理或化学态的改变引起逻辑值的变化，并且这种变化是通过为了所赋逻辑值的写入、读取、存储、擦除和转换等正在对其进行磁、电磁、电或光存取和寻址的逻辑元件实现的，其特征在于：以基本上层状的结构或在这种结构上提供存储物质(1)，
在基本上层状的结构上或与之相邻设置产生磁场、电磁场、电场或给存储物质提供能量的激励器(2)，
在基本上层状的结构上或与之相邻设置光探测器(3)，用于探测存储物质的物理或化学态下的光响应情况，该光逻辑元件(OLE)这样构成一个由存储物质(1)、激励器(2)和探测器(3)组成的集成元件。
2.如权利要求1所述的光逻辑元件(OLE)，其特征在于，存储物质(1)设置为第一层(l1)，激励器(2)设置为与第一层(l1)相邻的第二层(l2)，或设置为与第一层(l1)成一体，用于探测存储物质(1)的状态的光探测器(3)设置为与第一层(l1)相邻的第三层(l3)，于是该光逻辑元件(OLE)构成一个至少分别由三层或两层(l1、l2、l3；l1、l3)组成的集成元件。
3.如权利要求1或2的光逻辑元件，其特征在于，在磁场、电磁场或电场或所加能量的作用下，存储物质(1)从一种状态变到第二状态，并从第二状态回到第一状态。
4.如权利要求1或2的光逻辑元件，其特征在于，在磁场、电磁场或电场或所加能量的作用下，存储物质(1)从一种状态变到永久稳定的第二状态。
5.如权利要求1或2的光逻辑元件，其特征在于，光存储物质(1)是电子俘获材料。
6.如权利要求1或2的光逻辑元件，其特征在于，光存储物质(1)是荧光材料。
7.如权利要求1或2的光逻辑元件，其特征在于，光存储物质(1)是构造反应性材料。
8.如权利要求2的光逻辑元件，其特征在于，每层(l1、l2、l3)都包括基材。
9.如权利要求8的光逻辑元件，其特征在于，基材是透光的。
10.如权利要求8的光逻辑元件，其特征在于，基材由一种或一种以上聚合物材料构成。
11.如权利要求10的光逻辑元件，其特征在于，在第二层(l2)和第三层(l3)中利用一种以上的聚合物材料。
12.如权利要求1的光逻辑元件，其特征在于，第二层(l2)和/或第三层(l3)中的至少一种聚合物材料是导电聚合物材料。
13.如权利要求8的光逻辑元件，其特征在于，存储物质(1)设置于第一层(l1)的基材之上或嵌于其中。
14.如权利要求8的光逻辑元件，其特征在于，激励器(2)由一种或多种直接或间接发射辐射的装置(21…2n)构成，发射辐射的装置设置在第二层(l2)的基材上或嵌于其中。
15.如权利要求14的光逻辑元件，其特征在于，发射辐射的装置(2)被电存取和寻址。
16.如权利要求15的光逻辑元件，其特征在于，发射辐射的装置(2)是发光二极管。
17.如权利要求16的光逻辑元件，其特征在于，发光二极管(2)是聚合物二极管。
18.如权利要求15的光逻辑元件，其特征在于，发射辐射的装置(2)是半导体激光器。
19.如权利要求15的光逻辑元件，其特征在于，发射辐射的装置(2)是可调频的，频率的调节与电寻址一同进行。
20.如权利要求14的光逻辑元件，其中具有一个以上的发射辐射的装置(2)，其特征在于，发射辐射的装置(21…2n)分别发射不同预选频率的光。
21.如权利要求14的光逻辑元件，其中发射辐射的装置(2)是间接发射辐射的装置，其特征在于，间接发射辐射的装置(2)设置成由外部辐射源(2’)激发。
22.如权利要求2的光逻辑元件，其特征在于，光存储物质(1)与激励器(2)集成为一个普通的物理结构，结果是第一层(l1)和第二(l2)结合构成一共用层(lc)。
23.如权利要求22的光逻辑元件，其特征在于，由于被提供能量，激励器(2)设计成被破环，因此它自己构成永久稳定态的存储物质，或与存储物质(1)集成为一体，并使之处于同样的永久稳定态。
24.如权利要求2的光逻辑元件，其特征在于，第二层(l2)和第三层(l3)设置在第一层(l1)的相对两侧上，并与第一层相邻。
25.如权利要求1的光逻辑元件，其特征在于，光探测器(3)是电可存取和寻址的光探测器。
26.如权利要求15和25的光逻辑元件，其特征在于，为了电存取和寻址，与第二层(l2)和第三层(l3)成一体地设置电极(4，4’)及导体(5，5’)。
27.如权利要求26的光逻辑元件，其特征在于，电极(4，4’)及导体(5，5’)是基于导电聚合物材料。
28.如权利要求2的光逻辑元件，其特征在于，邻接第一层(l1)或与之成一体设置另一层(l4)，用于产生一个电场，所产生的电场用来影响光存储物质(1)的时域、频域或强度域响应。
29.如权利要求28的光逻辑元件，其特征在于，该另一层(l4)包括一种以上的导电聚合物材料。
30.一种光逻辑器件(OLD)，尤其是存储数据或进行逻辑和算术运算的光逻辑器件，其中该器件包括多个光逻辑元件(OLE)，所说的光逻辑元件具体是多态、多稳态光逻辑元件，更具体是可近似寻址的光逻辑元件，其中该光逻辑元件包括光存储物质(1)，在所加磁场、电磁场或电场或所加能量的作用下，存储物质(1)能够从一种物理或化学态转变为第二种物理或化学态，其中一种物理或化学状态被赋予一个特定的逻辑值，逻辑元件的物理或化学态的改变引起逻辑值的变化，并且这种变化是通过为了所赋逻辑值的写入、读取、存储、擦除和转换等正在对其进行磁、电磁、电或光存取和寻址的逻辑元件实现的，
其特征在于，以基本上层状结构或在这种结构上设置存储物质(1)，
与基本上层状的结构邻接设置产生磁场、电磁场、电场或给存储物质(1)提供能量的激励器(2)，
在基本上层状的结构上或与之相邻设置光探测器(3)，用于探测存储物质的物理或化学状态下的光响应情况，光逻辑元件(OLE)这样构成一个由存储物质(1)、激励器(2)和探测器(3)组成的集成元件，
器件(OLD)至少包括一个由光逻辑元件构成的结构(S)，
该结构(S)中每个逻辑元件(OLE)中的光存储物质(1)、激励器(2)和探测器(3)与该结构(S)中周围的逻辑元件(OLE)中的存储物质、激励器和探测器结合并连接，该结构(S)这样构成一个扁平或曲面体，该结构(S)中的每个逻辑元件(OLE)在存储物质(1)和激励器(2)间都具有一个单值的赋值，在存储物质(1)和光探测器(3)间也有一个赋值，用于存储物质物理或化学态的单值探测，以便能够分别对该结构(S)中的每个光逻辑元件(OLE)进行存取和寻址。
31.如权利要求30的光逻辑器件，其特征在于，在每个光逻辑元件(OLE)中，存储物质(1)设置为第一层(l1)，激励器(2)设置为与第一层(l1)相邻的第二层(l2)，或设置为与第一层(l1)成一体，用于探测存储物质的状态的光探测器(3)设置成与第一层(l1)相邻的第三层(l3)，于是该光逻辑元件(OLE)构成一个至少分别由三层或两层(l1、l2、l3；l1、l3)组成的集成元件，
每层(l1、l2、l3)与该光逻辑元件(OLE)周围的相应各层(l1、l2、l3)结合并连接，该结构这样构成一个连接彼此相邻各层(l1、l2、l3；l1、l2)的扁平或曲面体。
32.如权利要求30或31的光逻辑器件，其特征在于，各结构(S)是一柔性薄膜。
33.如权利要求30的光逻辑器件，其特征在于，光逻辑器件(OLD)包括两个或两个以上彼此叠于另一个上的联合结构(S1…Sx)，光逻辑器件(OLD)这样形成一个由多个结构(S)集成的芯片状或盘状部件。
34.如权利要求33的光逻辑器件，其特征在于，各堆叠结构(S1…Sx)之间具有光、热或电绝缘层(l5)。
35.如权利要求30的光逻辑器件，其特征在于，给在结构(S)中构成连接组的两个或两个以上的光逻辑元件(OLE)指定覆盖该组中所有光逻辑元件的光探测器(3)。
36.如权利要求30的光逻辑器件，其特征在于，各结构(S)包括一个以上的层(l6)，该层具有指定给每个逻辑元件(OLE)的电极(4，4’)和导体(5，5’)。用于对光逻辑器件(OLD)进行存取和寻址。
37.如权利要求36的光逻辑器件，其特征在于，单层或多层(l6)整体或部分地由一种或一种以上的导电聚合物材料构成，与单层或多层(l6)成一体地形成电极(4，4’)和导体(5，5’)。
38.如权利要求30的光逻辑器件，其特征在于，结构(S)整体或部分地作为光存储器，该存储器中的每个光逻辑元件(OLE)构成可分别存取和寻址的存储元件。
39.如权利要求30的光逻辑器件，其特征在于，结构(S)部分构成为光逻辑或算术电路或这些电路的网络，这些电路中的每个光逻辑元件(OLE)构成能够分别存取和寻址的开关元件。
40.如权利要求30的光逻辑器件，其特征在于，结构(S)中的各光逻辑元件(OLE)组分别构成为存储寄存器、逻辑寄存器、和算术寄存器，寄存器中的每个光逻辑元件(OLE)和每个寄存器都能够分别存取和寻址，以此方式，各寄存器可以联合构成为光数据处理器。
41.如权利要求30的光逻辑器件，其特征在于，对逻辑元件(OLE)的存取和寻址是通过为该结构(S)指定的多路通信线路进行的。
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