Direkt zum Inhalt

Lexikon der Optik: optischer Computer

optischer Computer, ein Rechner, bei dem digitale Operationen durch nichtlineare optische Prozesse realisiert werden. Im Gegensatz zu den auf Analogverfahren beruhenden Systemen der optischen Bildverarbeitung und Zeichenerkennung, die in den letzten Jahrzehnten entwickelt wurden, steckt die optische Digitaltechnik noch in den Anfängen. Es sind aber heute schon unterschiedliche rein optische Systeme bekannt, die als Logikelemente fungieren können. Als entscheidender Vorteil eines o. C. im Vergleich zu den heute verbreiteten elektronischen Rechnern ist der erreichbare hohe Grad an Parallelverarbeitung der Information anzusehen. Beispielweise kann eine gute Linse 512×512 Datenkanäle ohne "Übersprechen" übertragen, wobei ein zeitlicher Synchronisationsfehler von nur wenigen Femtosekunden auftritt. Als weiterer Vorteil kommen die sehr kurzen Schaltzeiten der logischen Elemente (bis in den Pikosekundenbereich herunter) hinzu.

Optische Logikelemente. Diese beruhen vorwiegend auf dem Effekt der optischen Bistabilität. In ihnen erzeugen zwei Eingangssignale gemäß den Regeln logischer Verknüpfung wie "UND", "ODER" usf. ein Ausgangssignal. Alle Signale sind digitalisiert, d.h., es gibt nur die zwei Zustände "0" und "1", die einem sehr niedrigen bzw. einem deutlich höheren Intensitätsniveau entsprechen.

Als Grundelement für die Ausführung logischer Operationen bietet sich das nichtlineare Fabry-Perot-Interferometer (optische Bistabilität) an. Dabei eignen sich Halbleitersubstanzen wegen ihrer großen Nichtlinearitäten, die kleine geometrische Abmessungen erlauben, besonders gut als nichtlineare Materialien. Zweidimensionale Anordnungen (Arrays) von Logikbausteinen, wie sie für die Parallelverarbeitung benötigt werden, konnten bereits hergestellt werden. Durch Ätzen einer mittels Molekularstrahlepitaxie aufgebrachten 1,5 μm dicken GaAs-Schicht wurden kleine GaAs-Elemente ("Pixel") der Größe 9 μm×9 μm im Abstand von jeweils 20 μm gebildet. Um Etalons zu erhalten, wurden die Proben zwischen zwei Spiegel geklebt.

Vielversprechende Kandidaten für einen Einsatz als Logikelemente sind auch die in jüngster Zeit entwickelten Supergitter (multiple quantum wells). Diese bestehen aus vielen (bis zu mehreren hundert) Schichten von jeweils etwa 10 nm Dicke, die abwechselnd aus GaAs und AlGaAs aufgebaut sind. Jede GaAs-Schicht stellt einen "Quantentopf" (engl. quantum well) dar. Im Gegensatz zum kompakten Halbleitermaterial absorbieren Supergitter auch bei Zimmertemperatur Licht. Die Absorptionslinien entsprechen dabei Excitonenresonanzen (Excitonen sind Elektron-Loch-Paare). Eine weitere Besonderheit der Supergitter besteht darin, daß sich die Absorptionslinien durch Anlegen schon einer kleinen elektrischen Spannung (senkrecht zu den Schichten) merklich verschieben lassen (quantum confined Stark effect, abgekürzt QCSE). Die Folge davon ist eine Änderung der Stärke der Absorption, die Licht einer festen Wellenlänge erfährt. Eine Spannungsänderung wird nun bei Lichtabsorption auch durch den erzeugten Photostrom bewirkt. Bei geeigneter Wahl der experimentellen Parameter kommt es dann über den QCSE-Effekt – ähnlich wie bei einem nichtlinearen Fabry-Perot-Interferometer – zu einer positiven Rückkopplung, aus der bistabiles Verhalten resultiert. Die anfänglich starke Lichtabsorption wird sehr rasch vermindert, und das Supergitter wird transparent. Man spricht in diesem Zusammenhang, von dem selbst-elektrooptischen Effekt, und ein Bauelement, in dem er zur Anwendung gelangt, wird in der englischsprachigen Literatur SEED (Abk. für self-electrooptic effect device) genannt.

Über die geschilderten Typen von Logikelementen hinaus stehen auch bistabile Systeme (optische Bistabilität) sowie Anordnungen, die kein bistabiles Verhalten zeigen, zur Diskussion. Ein Beispiel für die letztgenannten ist ein von einem nichtlinearen Medium erfüllter Fabry-Perot-Resonator, in den man zwei Lichtsignale unterschiedlicher Intensität und Wellenlänge einstrahlt. Infolge der Absorption des schwachen Lichtstrahls ("Pumpstrahl") ändert sich der Brechungsindex des Materials, wodurch sich die Durchlaßfrequenzen des Resonators verschieben. Dies wirkt sich wiederum auf die Durchlässigkeit des Resonators für den intensiven Strahl ("Probestrahl") aus. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß ein schwacher Steuerimpuls einen starken Ausgangsimpuls auslöst.

Bisher wurden erst sehr einfache optische Schaltkreise verwirklicht. Mit der Realisierung eines leistungsfähigen o. C. ist gegenwärtig nicht zu rechnen.

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

  • Die Autoren
Roland Barth, Jena
Dr. Artur Bärwolff, Berlin
Dr. Lothar Bauch, Frankfurt / Oder
Hans G. Beck, Jena
Joachim Bergner, Jena
Dr. Andreas Berke, Köln
Dr. Hermann Besen, Jena
Prof. Dr. Jürgen Beuthan, Berlin
Dr. Andreas Bode, Planegg
Prof. Dr. Joachim Bohm, Berlin
Prof. Dr. Witlof Brunner, Zeuthen
Dr. Eberhard Dietzsch, Jena
Kurt Enz, Berlin
Prof. Joachim Epperlein, Wilkau-Haßlau
Prof. Dr. Heinz Falk, Kleve
Dr. Wieland Feist, Jena
Dr. Peter Fichtner, Jena
Dr. Ficker, Karlsfeld
Dr. Peter Glas, Berlin
Dr. Hartmut Gunkel, Berlin
Dr. Reiner Güther, Berlin
Dr. Volker Guyenot, Jena
Dr. Hacker, Jena
Dipl.-Phys. Jürgen Heise, Jena
Dr. Erwin Hoffmann, Berlin (Adlershof)
Dr. Kuno Hoffmann, Berlin
Prof. Dr. Christian Hofmann, Jena
Wolfgang Högner, Tautenburg
Dipl.-Ing. Richard Hummel, Radebeul
Dr. Hans-Jürgen Jüpner, Berlin
Prof. Dr. W. Karthe, Jena
Dr. Siegfried Kessler, Jena
Dr. Horst König, Berlin
Prof. Dr. Sigurd Kusch, Berlin
Dr. Heiner Lammert, Mahlau
Dr. Albrecht Lau, Berlin
Dr. Kurt Lenz, Berlin
Dr. Christoph Ludwig, Hermsdorf (Thüringen)
Rolf Märtin, Jena
Ulrich Maxam, Rostock
Olaf Minet, Berlin
Dr. Robert Müller, Berlin
Prof. Dr. Gerhard Müller, Berlin
Günter Osten, Jena
Prof. Dr. Harry Paul, Zeuthen
Prof. Dr. Wolfgang Radloff, Berlin
Prof Dr. Karl Regensburger, Dresden
Dr. Werner Reichel, Jena
Rolf Riekher, Berlin
Dr. Horst Riesenberg, Jena
Dr. Rolf Röseler, Berlin
Günther Schmuhl, Rathenow
Dr. Günter Schulz, Berlin
Prof. Dr. Johannes Schwider, Erlangen
Dr. Reiner Spolaczyk, Hamburg
Prof. Dr. Peter Süptitz, Berlin
Dr. Johannes Tilch, Berlin (Adlershof)
Dr. Joachim Tilgner, Berlin
Dr. Joachim Träger, Berlin (Waldesruh)
Dr. Bernd Weidner, Berlin
Ernst Werner, Jena
Prof. Dr. Ludwig Wieczorek, Berlin
Wolfgang Wilhelmi, Berlin
Olaf Ziemann, Berlin


Partnerinhalte