§3. Оптические технологии в информатике

Оптику можно определить как науку о распространении све­та и его взаимодействии с веществом. Установлено, что свет есть проявление одного из фундаментальных взаимодействий — элек­тромагнитного взаимодействия и переносится фотонами - частицами с нулевой массой покоя и нулевым электрическим зарядом. В настоящее время к оптическому диапазону относят диапазон длин волн от единиц нанометров до сотен микрометров (см. рис. 21).

Рис. 21. Шкала электромагнитных волн

Волновая и корпускулярная природа света обуславливает многочисленные преимущества оптических технологий для задач передачи, хранения и обработки информации:

• частота оптического излучения составляет 10¹²…10¹⁶ Гц, что позволяет создать 10⁴ информационных каналов с полосой частот 100 ГГц;

• передача информации происходит действительно со скоростью света с₀ = 3∙10¹⁰ см/с;

• большое число световых пучков могут свободно проходить по одной и той же области пространства, пересекаться и не влиять друг на друга;

• использование двумерного (изображения) и трехмерного (голограммы) характера световых полей;

• параллельная передача и обработка информации c одновременной работой на различных длинах волн;

• когерентная обработка оптической информации с использованием фазовых соотношений;

• два состояния поляризации (горизонтальная и вертикальная или круговая, по левому или правому кругу) увеличивают вдвое объем переносимой информации;

• оптическая система ничего не излучает во внешнюю среду, обеспечивая защиту от перехвата информации и нечувствительна к электромагнитным помехам.

Основные параметры светового когерентного излучения, или световой волны, посредством которых может кодироваться информация, следующие:

• Амплитуда

• Фаза

• Частота

• Поляризация

• Разрешаемые элементы в изображении (пикселы).

Используя комбинации этих независимых параметров, возможна передача огромных массивов информации и их обработка со сверхвысокой скоростью. Возможности оптических технологий уже в настоящее время широко используются в информатике – впечатляющий пример – волоконно-оптические линии связи.

Концептуально, любой компьютер можно представить в виде следующей схемы (рис. 22), фактически имитирующей работу человеческого мозга.

Рис. 22. Структурная схема компьютера

Устройства ввода информации соответствуют органам чувств человека, долговременная (например, жесткий диск) и кратковременная (оперативная в процессоре) запись информации в компьютере соответствует человеческой памяти, процессор соответствует мозгу, обрабатывающему поступающий поток информации, магистраль соответствует нейронной сети мозга. В современном электронном компьютере можно найти следующие оптические узлы и элементы: устройства ввода информации – оптический сканер, оптическая мышь; устройства обмена информацией - инфракрасный порт, оптоволокно; устройства вывода информации – лазерный принтер, дисплей, голографический (объемный) дисплей; устройства памяти – долговременная память на перезаписываемых оптических дисках, магнитооптические диски, голографические диски. В октябре 2003 г., фирмой “Lenslet” (Израиль) был представлен первый коммерческий оптический процессор “Enlight 256”, способный производить 8 Тера операций с 8-ми битными числами в секунду (www.lenslet.com). Основу процессора составляет блок оптического векторно-матричного умножения, созданный на основе пространственного модулятора света – матрицы, размером 256х256 элементов. Данный процессор уже используется в военных целях, в системах безопасности, для обработки больших потоков видеоинформации. Следует отметить, что данный процессор в большей степени «электронный», так как входные, выходные и управляющие сигналы – электрические.

Можно провести классификацию оптических устройств обработки информации – оптических процессоров, исходя из степени оптической интеграции. Первым классом следует наименее «оптический» (1) электронный процессор с оптическими межсоединениями, вторым следует (2) аналоговый оптический процессор, (3) цифровой оптический процессор, (4) полностью оптический процессор. Если первые три класса реально созданы, то четвертый в настоящее время интенсивно исследуется. В дальнейшем мы подробно рассмотрим аналоговые и цифровые оптические процессоры.