專利名稱：光學(xué)邏輯單元及其制備和光學(xué)尋址的方法,以及其在光學(xué)邏輯器件中的使用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多穩(wěn)態(tài)光學(xué)邏輯單元，尤其涉及可鄰近尋址(proximity addressable)的多穩(wěn)態(tài)光學(xué)邏輯單元，包括在一個(gè)或多個(gè)合適波長(zhǎng)的輻射光作用下能夠進(jìn)行光致循環(huán)的光敏有機(jī)材料，其中除了物理基態(tài)之外，該光致循環(huán)包括一個(gè)或多個(gè)亞穩(wěn)物理態(tài)，其中通過引起從亞穩(wěn)態(tài)到另一亞穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變，或者通過引起從基態(tài)到一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變，反之亦然，來改變?cè)诠庵卵h(huán)中邏輯單元的物理狀態(tài)，其中物理狀態(tài)被指定為確定的邏輯值，并且其中邏輯單元物理狀態(tài)的變化引起其邏輯值的變化，并且通過尋址邏輯單元用于光學(xué)地寫、讀、存儲(chǔ)、擦和轉(zhuǎn)換指定之邏輯值來產(chǎn)生該邏輯單元物理狀態(tài)的變化。本發(fā)明還涉及用于制備能夠通過用一個(gè)或多個(gè)合適波長(zhǎng)之光輻射進(jìn)行該光致循環(huán)的光敏有機(jī)材料的方法，其中除了物理基態(tài)之外，該光致循環(huán)包括一個(gè)或多個(gè)亞穩(wěn)物理狀態(tài)，以及其中光敏有機(jī)材料在上述多穩(wěn)態(tài)邏輯單元中用作為可轉(zhuǎn)換或者數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體。
本發(fā)明還包括用于具有用上述方法制備之光敏有機(jī)材料的上述光學(xué)邏輯單元的光學(xué)尋址方法，這樣使得光學(xué)邏輯單元處在初始亞穩(wěn)物理狀態(tài)，并且其中光學(xué)尋址包括用于寫、讀、存儲(chǔ)、擦和轉(zhuǎn)換被指定到光學(xué)邏輯單元的邏輯值的步驟。
最后本發(fā)明涉及多穩(wěn)態(tài)光學(xué)邏輯單元的使用以及用于多穩(wěn)態(tài)光學(xué)邏輯單元之光學(xué)尋址的方法。
今天，數(shù)字計(jì)算機(jī)基本上是以半導(dǎo)體技術(shù)即由電子電流驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)換之電子電路的使用為基礎(chǔ)的。在期望有特別快速存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的情況下，為此目的所使用的存儲(chǔ)媒體也是以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的。對(duì)于數(shù)據(jù)的大量存儲(chǔ)，數(shù)十年來已經(jīng)使用了磁存儲(chǔ)媒體，其具有所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可以被快速地擦除并且新數(shù)據(jù)可以被再一次存儲(chǔ)在這些存儲(chǔ)媒體中的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于僅一次存儲(chǔ)并且此后只讀的大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)，WORM型(一次寫入多次讀出)的光存儲(chǔ)媒體近年來也已經(jīng)展示出使用增加。這種媒體的例子是CD-ROM和激光盤，其不僅已經(jīng)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫和其它帶有信息的文件，而且作為存儲(chǔ)媒體，對(duì)于用在例如存儲(chǔ)音樂和電影的音像媒體節(jié)目信息源來說，其已經(jīng)表現(xiàn)出寬的分布范圍和流行性。
近年來，還提出了僅僅利用光學(xué)器件存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)。光學(xué)數(shù)據(jù)處理在基于諸如硅技術(shù)的普通半導(dǎo)體技術(shù)的數(shù)據(jù)處理上一般具有若干優(yōu)點(diǎn)。在任何情況下光學(xué)數(shù)據(jù)處理理論上可以增加用于數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的容量，增加量超過用今天的傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)可能獲得的至少一個(gè)量級(jí)的大小。還可以預(yù)計(jì)光學(xué)數(shù)據(jù)處理將給出增加的錯(cuò)誤安全和處理速度，同時(shí)它滿足(comport)數(shù)據(jù)快速處理的可能性，尤其是對(duì)于光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理的該器件可以基本上做得較小。
為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和光學(xué)數(shù)據(jù)處理暗示的潛力，有必要找到能夠以合適方式實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的媒體。興趣已經(jīng)特別集中在光敏有機(jī)材料上，例如為不同的蛋白質(zhì)，在這方面，通常要涉及到Robert R.Birge的文章Protein-Based Computers，Scientific American，March1995，pp.2-7.這種光敏有機(jī)材料的例子是細(xì)菌視紫紅質(zhì)，其是生物學(xué)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)化合物并在Birge的上述文章中進(jìn)行了詳細(xì)地討論。其可以通過發(fā)酵大規(guī)模地生產(chǎn)，并且具有高的化學(xué)和物理穩(wěn)定性。當(dāng)細(xì)菌視紫紅質(zhì)通過合適波長(zhǎng)的光照射時(shí)，其要進(jìn)行變化，以不同方式展現(xiàn)出，包括例如光吸收特性的改變。這些變化如同在Birge的文章中所說明的，其與從基態(tài)bR和到各種表示為K，L，M等不同能量狀態(tài)的轉(zhuǎn)變有關(guān)，其每一個(gè)都具有可以被熱和/或光影響的滯留時(shí)間。從基態(tài)和進(jìn)一步到一組這種若干狀態(tài)的順序進(jìn)行將在下面以細(xì)菌視紫紅質(zhì)光致循環(huán)為例中展示出。
在細(xì)菌視紫紅質(zhì)中光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和光數(shù)據(jù)處理的可能性在幾年前實(shí)現(xiàn)了。在該方面之?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的方法將細(xì)菌視紫紅質(zhì)從例如可表示為邏輯0的bR態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庵卵h(huán)中的中間狀態(tài)并且具有長(zhǎng)的壽命，這種中間狀態(tài)可以表示成亞穩(wěn)態(tài)和例如表示邏輯1。當(dāng)自然細(xì)菌視紫紅質(zhì)由光激發(fā)時(shí)，然而其將發(fā)生全部的光致循環(huán)并且在若干毫秒內(nèi)返回基態(tài)bR，最長(zhǎng)壽的中間態(tài)是M態(tài)。改進(jìn)原始BR分子已經(jīng)進(jìn)行了巨大的研究努力，結(jié)果增加了M態(tài)下它的壽命，例如借助突變株體(mutant)和使用化學(xué)變態(tài)所做的實(shí)驗(yàn)。這導(dǎo)致M態(tài)下的壽命已經(jīng)增加到幾秒甚至若干分鐘，當(dāng)然，相對(duì)于考慮獲得數(shù)據(jù)文檔存儲(chǔ)所必須的時(shí)間，即許多年或甚至幾十年，這是太短的時(shí)間。盡管如此，為了用于光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其中信息是在短的時(shí)間間隔內(nèi)被存儲(chǔ)和檢索，或者其中被存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)經(jīng)常地進(jìn)行刷新，M態(tài)已經(jīng)進(jìn)行了研究。通過用藍(lán)光(那些能夠有效的對(duì)應(yīng)刪除或擦除操作)照射，中斷M態(tài)下的住留時(shí)間也是可能的。然而，M態(tài)的有限壽命對(duì)于實(shí)際使用是消極因素，因?yàn)楹笳咭馕吨鄬?duì)復(fù)雜的硬件并且仍然給出有限的容量。另一個(gè)基于細(xì)菌視紫紅質(zhì)之M態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案的缺點(diǎn)是光致循環(huán)中內(nèi)在固有的時(shí)間延遲，對(duì)應(yīng)于當(dāng)從基態(tài)bR例如由光脈沖激發(fā)時(shí)和至到達(dá)M態(tài)時(shí)一般為100μs的延遲。
通過改進(jìn)光敏材料已經(jīng)做了努力以開發(fā)用于光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的合適媒體，使得當(dāng)在合適波長(zhǎng)的光照射時(shí)其進(jìn)行不可逆的變化。這種材料可以進(jìn)行可能的單次寫操作，繼之以任意數(shù)的讀操作，但不能再一次地擦除和寫入。因此它們能夠?qū)崿F(xiàn)ROM和WROM類型的光學(xué)記憶，但不能實(shí)現(xiàn)“可擦除”類型的光學(xué)記憶。
正如從上述Birge的文章所顯示的，近來已經(jīng)提出了基于在細(xì)菌視紫紅質(zhì)光致循環(huán)中轉(zhuǎn)移處理的光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方案。從基態(tài)bR中的起始點(diǎn)，短脈沖黃/綠光開始光致循環(huán)，此后，細(xì)菌視紫紅質(zhì)自發(fā)地進(jìn)行光致循環(huán)中的序列狀態(tài)并且在大約6ms之后到達(dá)O狀態(tài)。如果細(xì)菌視紫紅質(zhì)保持為暗，其在幾個(gè)毫秒之后返回到bR狀態(tài)，精確的時(shí)間范圍依賴于溫度。然而，如果當(dāng)細(xì)菌視紫紅質(zhì)處于O狀態(tài)時(shí)用紅光照射它，其將轉(zhuǎn)變到P狀態(tài)，從這里它在幾分鐘的過程中自發(fā)地過渡到Q狀態(tài)。Q狀態(tài)在長(zhǎng)的時(shí)間周期上是穩(wěn)定的，如果它保持為暗的話，它甚至達(dá)到幾年。然而，當(dāng)它用藍(lán)光輻射時(shí)，其將返回到bR狀態(tài)。
細(xì)菌視紫紅質(zhì)光致循環(huán)中的這個(gè)轉(zhuǎn)移處理將保證基于細(xì)菌視紫紅質(zhì)存儲(chǔ)器中可以在長(zhǎng)時(shí)間周期上保持所存儲(chǔ)信息的寫、讀和擦的可能性。名稱是“Branched photocycle optical memory device”的國(guó)際公布申請(qǐng)WO96/21228(Birge)例如公開了主體光存儲(chǔ)器，其通過選擇地激活來自基于蛋白質(zhì)光敏存儲(chǔ)媒體中初始光致循環(huán)的短期熱中間狀態(tài)的光化轉(zhuǎn)移反應(yīng)來在三維空間中以高密度存儲(chǔ)信息。在這方面，使用所謂的“分頁(paging)”激光，其以一個(gè)波長(zhǎng)激活存儲(chǔ)媒體的所選擇平面層或頁面，以及使用數(shù)據(jù)激光，其在另一個(gè)波長(zhǎng)上發(fā)射所選擇的數(shù)據(jù)束并且與所選層或頁面正交。在優(yōu)選實(shí)施例中，媒體是作為細(xì)菌視紫紅質(zhì)公開的，并且分頁束從基態(tài)或靜止態(tài)bR和到O的中間狀態(tài)來開始光致循環(huán)，這里數(shù)據(jù)束與O中間狀態(tài)相互配合，使得形成了轉(zhuǎn)移狀態(tài)P和Q。數(shù)據(jù)束在任何程度上都不與bR或P或Q相互配合。對(duì)于分頁和數(shù)據(jù)，不同的讀操作使用了相同的波長(zhǎng)。
如果細(xì)菌視紫紅質(zhì)用在根據(jù)WO96/21228的器件中，通過使用短期黃/綠光脈沖，光致循環(huán)起始于基態(tài)bR，之后細(xì)菌視紫紅質(zhì)將發(fā)生光致循環(huán)中的若干狀態(tài)并在大約6ms之后達(dá)到O狀態(tài)。如果現(xiàn)在還不照射細(xì)菌視紫紅質(zhì)，則O狀態(tài)將在幾個(gè)ms之后返回到基狀態(tài)bR，精確的時(shí)間范圍依賴于溫度。如果用紅光在O狀態(tài)下照射，但是，細(xì)菌視紫紅質(zhì)將轉(zhuǎn)移到Q狀態(tài)，在這里其將在幾分鐘的過程中自發(fā)地改變?yōu)镼狀態(tài)。在長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)Q狀態(tài)是穩(wěn)定的，如果細(xì)菌視紫紅質(zhì)不受照射，其有可能達(dá)到許多年。但是，如果其用藍(lán)光照射，細(xì)菌視紫紅質(zhì)將返回到基狀態(tài)bR。在用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)WO96/21228之?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的方法中，在例如包括細(xì)菌視紫紅質(zhì)立方形體中的體單元是通過將體單元用黃或綠光來特殊結(jié)構(gòu)照射選擇的。因此，在照射體單元中的細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子發(fā)生光致循環(huán)，此后如果它們用紅光照射，則其將轉(zhuǎn)換到P狀態(tài)。一般地說，聚焦該光使得產(chǎn)生薄板狀光束并在體中定義細(xì)菌視紫紅質(zhì)的一薄層或數(shù)據(jù)頁。該段給出具有存儲(chǔ)位置的薄層，其中數(shù)據(jù)頁可以分別在沒有經(jīng)過黃或綠分頁光的體單元中在細(xì)菌視紫紅質(zhì)上寫入和讀出。這樣，在三維細(xì)菌視紫紅質(zhì)體中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)變成了可能。
但是，上述方法在實(shí)際數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)不是簡(jiǎn)單的，具有一些大的缺點(diǎn)。為了取得高體積數(shù)據(jù)密度，分頁光一定要很強(qiáng)并且在具有銳密度邊緣的很密限定空間區(qū)域內(nèi)是均勻的。這意味著為了形成該束，要使用激光束和相對(duì)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。第二，具有包括使用三個(gè)分離波長(zhǎng)的非常精確控制的照射次序是必須的。次序的最佳時(shí)序是依賴于溫度的。第三，寫和讀速度是受到光致循環(huán)的時(shí)間常數(shù)限制，其導(dǎo)致毫秒范圍中的訪問時(shí)間。第四，讀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將減小這些存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的反差，使得在某個(gè)數(shù)目例如1000次讀操作之后進(jìn)行刷新成為必須。
從來源于從屬于本申請(qǐng)人并在此作為參考的專利申請(qǐng)No.962475獲得優(yōu)先權(quán)的PCT/NO97/00154之專利申請(qǐng)No.980407，可以知道公知的光邏輯單元，特別是包括光存儲(chǔ)材料的多態(tài)亞穩(wěn)態(tài)邏輯單元，其在電磁場(chǎng)或電場(chǎng)或外加能量的影響下，能夠從物理或化學(xué)狀態(tài)變換到另一物理或化學(xué)狀態(tài)。該光邏輯單元中的存儲(chǔ)材料涂覆成第一層的形式，并且在鄰近第一層，提供了將能量供給該存儲(chǔ)材料的激活劑。激活劑可以是呈鄰近第一層的第二層形式或者提供成結(jié)合在第一層中。檢測(cè)存儲(chǔ)材料狀態(tài)的光檢測(cè)器例如以鄰近第一層的第三層形式提供，使得光學(xué)邏輯單元形成整體元件的基本上三層的一層。光學(xué)邏輯單元可以起單數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件或雙穩(wěn)光學(xué)開關(guān)的作用。引起存儲(chǔ)材料之狀態(tài)改變的激活劑由一個(gè)或多個(gè)直接或間接地可以被電訪問和尋址的輻射發(fā)射器件形成。輻射發(fā)射器件最好是光發(fā)射二極管，尤其是有機(jī)聚合物二極管?？蛇x擇的輻射發(fā)射器件還可以是半導(dǎo)體激光器。光學(xué)邏輯單元的方式在專利申請(qǐng)No.980407中公開，其已經(jīng)做成鄰近尋址，即存儲(chǔ)材料的激活和其狀態(tài)改變的檢測(cè)發(fā)生在光學(xué)邏輯單元本身和鄰近該存儲(chǔ)材料的光學(xué)邏輯單元中，使得為了將光引到該存儲(chǔ)材料而使用復(fù)雜外光學(xué)系統(tǒng)成為不必要。根據(jù)該專利申請(qǐng)的光學(xué)邏輯單元還能夠以平面結(jié)構(gòu)組合成整體光學(xué)邏輯器件，并且這些平面結(jié)構(gòu)可以再次堆積，使得提供真的體積光學(xué)邏輯器件，其包括了大量的都可以被單獨(dú)地鄰近尋址的光學(xué)邏輯單元。帶有鄰近尋址的光學(xué)邏輯單元的實(shí)現(xiàn)具有這樣的結(jié)果，即它們可以用一定大小來實(shí)現(xiàn)，該大小是大大低于例如用公知半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)元件的大小，或者是利用來自外部的提供在諸如折射和衍射單元之光有源結(jié)構(gòu)上的光來尋址的光學(xué)存儲(chǔ)元件的大小，諸如折射和衍射單元之光有源結(jié)構(gòu)本身意味著存儲(chǔ)元件即光學(xué)邏輯單元的大小將受到所用波長(zhǎng)的限制。
正如上述，根據(jù)鄰近尋址的專利申請(qǐng)No.980407，可以使用呈光發(fā)射有機(jī)聚合物二極管形式的輻射發(fā)射器件。在國(guó)際公布專利申請(qǐng)WO95/31515中公開了這種光發(fā)射有機(jī)聚合物二極管，名稱是“Coloursource and method for its fabrication”，其已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)人，在此引用作為參考。通過改變二極管的驅(qū)動(dòng)電壓，這種光發(fā)射有機(jī)聚合物二極管可以發(fā)射幾個(gè)波長(zhǎng)的光。該二極管可以發(fā)射不同波長(zhǎng)的光，例如在低驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)基本上為紅光，在較高驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)為藍(lán)光，同時(shí)中間驅(qū)動(dòng)電壓可以給出在帶有變化強(qiáng)度的紅和藍(lán)光兩者中的發(fā)射峰。該二極管已被做成薄有機(jī)聚合物膜并具有大約10nm的厚度，以及各個(gè)二極管的尺度不大。在光學(xué)邏輯單元中集成為輻射發(fā)射器件，它們因此將與對(duì)應(yīng)大小的光學(xué)邏輯單元兼容。
以上述現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，本發(fā)明的目的是提供光學(xué)邏輯單元，其給出本質(zhì)上簡(jiǎn)化的尋址操作。
本發(fā)明的第二目的是提供光學(xué)邏輯單元，其中尋址操作可以被實(shí)現(xiàn)為鄰近尋址，用于存儲(chǔ)在光學(xué)邏輯單元中信息的寫，讀，存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)換或擦除。
本發(fā)明的第三目的是使單元光邏輯狀態(tài)的信息攜帶狀態(tài)在很長(zhǎng)時(shí)間周期上不變化，使得在沒有丟失和不需任何刷新的情況下數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)幾年。
本發(fā)明的第四目的特別是使寫和讀操作以及尋址非?？斓陌l(fā)生，并且基本不受所用光敏材料的光致循環(huán)中熱控時(shí)間常數(shù)的影響。
本發(fā)明的第五目的是使數(shù)據(jù)的讀出非破壞地發(fā)生，即不需要代表光學(xué)邏輯單元中輸出數(shù)據(jù)之狀態(tài)的刷新。
本發(fā)明的第六目的是數(shù)據(jù)用消耗較少功率的非常小型和低價(jià)的寫/讀器件來在光學(xué)邏輯單元中寫和讀。
本發(fā)明的第七目的是光學(xué)邏輯單元被小型化，使得在以使用這種光學(xué)邏輯單元為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件中可以獲得非常高空間和立體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度，并且其中尋址將通過簡(jiǎn)單的鄰近過程發(fā)生。
本發(fā)明的又一目的是在可以進(jìn)行光致循環(huán)的光敏有機(jī)材料的該薄膜中實(shí)現(xiàn)邏輯操作，例如為細(xì)菌視紫紅質(zhì)和類細(xì)菌視紫紅質(zhì)材料。
最后，本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供非易失性的光學(xué)邏輯單元，其可以以高容量并行尋址的可能性被組合在光學(xué)邏輯器件中，可以以無問題循環(huán)操作被驅(qū)動(dòng)并且此外以低成本制造。
上述這些和其它目的和優(yōu)點(diǎn)用根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯單元實(shí)現(xiàn)，其特征在于最初和在尋址之前的邏輯單元處于預(yù)先產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)，或者具有相同種類的鄰近可尋址光學(xué)邏輯單元，其除了根據(jù)本發(fā)明，特征在于光敏有機(jī)材料以基本上膜狀結(jié)構(gòu)或者作為膜狀結(jié)構(gòu)提供，和在于鄰近該結(jié)構(gòu)或在該結(jié)構(gòu)中提供至少彩色光源用于光敏有機(jī)材料的光學(xué)尋址，以及至少一種彩色敏感光學(xué)檢測(cè)器，用于光敏有機(jī)材料的物理/邏輯狀態(tài)的檢測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的光敏材料最好是蛋白質(zhì)分子，或者是類蛋白質(zhì)化合物，更好的是該蛋白質(zhì)是細(xì)菌視紫紅質(zhì)或者相關(guān)化合物。
另外，根據(jù)本發(fā)明，初始亞穩(wěn)態(tài)最好是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的N-狀態(tài)，或者是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的Q-狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明，還有利地是彩色光源是可調(diào)波長(zhǎng)的光源，最有利的是，可調(diào)波長(zhǎng)光源是光發(fā)射有機(jī)聚合物二極管，通過控制二極管的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧。根據(jù)本發(fā)明，彩色敏感光檢測(cè)器可以最佳是多譜光檢測(cè)器。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明彩色敏感光檢測(cè)器是光吸收有機(jī)聚合物二極管時(shí)也是有利的。如果提供了多于一個(gè)的彩色敏感光檢測(cè)器的話，有利地是檢測(cè)器調(diào)諧到分別時(shí)應(yīng)于光致循環(huán)的基態(tài)和一個(gè)或多個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的激發(fā)波長(zhǎng)或吸收帶的波長(zhǎng)或帶寬。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于制備光敏有機(jī)材料的方法是以用初始化光致循環(huán)和在光致循環(huán)中產(chǎn)生期望的初始亞穩(wěn)態(tài)的功率帶寬或波長(zhǎng)的光來輻射基態(tài)的光敏有機(jī)材料為特征的，所述初始亞穩(wěn)態(tài)被指定為邏輯單元的確定邏輯值。
在光敏有機(jī)材料是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的地方，根據(jù)本發(fā)明，作為期望的初始亞穩(wěn)態(tài)所有利產(chǎn)生的是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的M狀態(tài)或細(xì)菌視紫紅質(zhì)的Q狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于光學(xué)邏輯單元之光學(xué)尋址的方法，特征在于用于寫和存儲(chǔ)的步驟，其包括如果在先前的狀態(tài)中指定的邏輯值將被變化成在指定到其它亞穩(wěn)態(tài)或基態(tài)的邏輯值的話則引起從初始亞穩(wěn)態(tài)到另一亞穩(wěn)態(tài)或到基態(tài)的轉(zhuǎn)變，和在相反的情況下，保持初始亞穩(wěn)態(tài)不變；在于讀的步驟，其包括為了確定指定的邏輯值而檢測(cè)光學(xué)邏輯單元實(shí)際狀態(tài)的實(shí)際狀態(tài)；在于擦除步驟，其包括如果光學(xué)邏輯單元處于基該狀態(tài)，通過再一次地初始化轉(zhuǎn)變光學(xué)邏輯單元返回到亞穩(wěn)態(tài)的光致循環(huán)，引起從該狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，或者如果光學(xué)邏輯單元已經(jīng)處于初始亞穩(wěn)態(tài)的話，則保持后者不變，或者如果光學(xué)邏輯單元處于另一亞穩(wěn)態(tài)的話，則引起從該亞穩(wěn)態(tài)返回初始亞穩(wěn)態(tài)，要么首先返回到基狀態(tài)，其用于此后初始化轉(zhuǎn)變?cè)摴鈱W(xué)邏輯單元返回到初始亞穩(wěn)態(tài)的光致循環(huán)，要么在不通過基狀態(tài)的情況下，直接返回到初始亞穩(wěn)態(tài)；以及在于轉(zhuǎn)變的步驟，其包括用同時(shí)或立即隨著其它狀態(tài)的檢測(cè)引起從當(dāng)前狀態(tài)到另一狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。
根據(jù)本發(fā)明，多態(tài)光學(xué)邏輯單元和用于其尋址的方法在用于存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的光學(xué)邏輯器件中的使用。
從其余的從屬權(quán)利要求將清楚本發(fā)明各種主題的其他特征和優(yōu)點(diǎn)。
利用實(shí)施例并參考附圖將更詳細(xì)地說明本發(fā)明。


圖1a，b，c示意地表示了光敏有機(jī)材料(這里是細(xì)菌視紫紅質(zhì))的光致循環(huán)，圖2是細(xì)菌視紫紅質(zhì)在其光致循環(huán)中不同狀態(tài)的電子吸收譜，圖3是根據(jù)本發(fā)明的鄰近尋址光學(xué)邏輯單元，圖4a，b，c是用于本發(fā)明的光發(fā)射有機(jī)聚合物二極管的電致發(fā)光光譜，圖5是用于本發(fā)明的光發(fā)射有機(jī)聚合物二極管的光發(fā)射域，圖6是示意地表示光敏有機(jī)材料的制備和產(chǎn)生期望亞穩(wěn)態(tài)的光致循環(huán)，圖7是示意地表示光敏有機(jī)材料的制備和產(chǎn)生另一期望亞穩(wěn)態(tài)的光致循環(huán)，圖8是示意地表示根據(jù)本發(fā)明用于光學(xué)尋址之方法的第一實(shí)施例，其中光敏有機(jī)材料是細(xì)菌視紫紅質(zhì)，圖8a是表示用于寫和存儲(chǔ)的步驟，圖8b是表示用于讀的步驟，圖8c是表示用于擦的步驟，圖9是示意地表示用于光學(xué)尋址之方法的另一實(shí)施例，其中光敏有機(jī)材料是細(xì)菌視紫紅質(zhì)，圖9a是表示用于寫和存儲(chǔ)的步驟，圖9b是表示用于讀的步驟，圖9c是表示用于擦的步驟，圖10是示意地表示根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換步驟的不同實(shí)施例，其中光敏有機(jī)材料是細(xì)菌視紫紅質(zhì)，圖10a是表示第一轉(zhuǎn)換操作，圖10b是表示第二轉(zhuǎn)換操作，圖10c是表示第三轉(zhuǎn)換操作，圖10d是表示第四轉(zhuǎn)換操作，圖11是其中本發(fā)明采用的光學(xué)邏輯單元的優(yōu)選實(shí)施例，圖12a，b是其中采用本發(fā)明特征的光學(xué)邏輯單元的另一優(yōu)選實(shí)施例。
公知幾種光敏有機(jī)材料，它們都具有在不同波長(zhǎng)的光輻射下可以進(jìn)行光致循環(huán)的特性?；诟【狒?fulgide)或浮精酸酐衍生物的光致變色有機(jī)材料例如在用分別漂白和彩色狀態(tài)的吸收波長(zhǎng)的光輻射下從非漂白到彩色狀態(tài)并返回來進(jìn)行光致循環(huán)(Kirkby &al.，Optical nonlinearity and bistability in photochromic thinfilms，Optics Communications，56，4，pp.288-292(1985))。
對(duì)于全息數(shù)據(jù)記錄，已經(jīng)提出了使用基于摻在光致變色螺惡嗪(spirooxazin)或螺吡喃(spiropyran)染料中聚合物的光致變色染料系統(tǒng)，其通過在對(duì)應(yīng)激發(fā)波長(zhǎng)的光下產(chǎn)生的光化轉(zhuǎn)變形成穩(wěn)定和無色結(jié)構(gòu)(Weiss & al.，Holographic recording and all-opticalmodulation in photochromic polymers，Optics Letters 18，3，pp.1089-1091(1993))。
但是，特別地，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯單元使用蛋白質(zhì)分子或類蛋白質(zhì)化合物以及作為這些的例子，可以提及葉綠素蛋白質(zhì)絡(luò)合物(complex)和視網(wǎng)膜蛋白質(zhì)絡(luò)合物(Bazhenor & al.，Biopolymersfor Real-Time Optical Processing，Optical Processing andComputing，Academic Press PP.103-144(1989))。
細(xì)菌視紫紅質(zhì)屬于視網(wǎng)膜蛋白質(zhì)絡(luò)合物，并且作為玻璃基片上的膜或作為低溫膜，已經(jīng)以聚合物母體中膜的形式使用。在液氮溫度下，抑制光致循環(huán)的熱反應(yīng)，并且該光致循環(huán)僅包括基態(tài)bR和在該溫度下穩(wěn)定的中間狀態(tài)K。從bR到K轉(zhuǎn)變的光化時(shí)間常數(shù)大約10ps，并且通過紅光(600nm波長(zhǎng))輻射，細(xì)菌視紫紅質(zhì)返回基態(tài)bR。在-50度的溫度下，該光致循環(huán)被M狀態(tài)中斷并且從此通過用410nm波長(zhǎng)的光輻射，細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子能夠返回bR狀態(tài)(ibid.p.120)。
根據(jù)本發(fā)明，特別地，蛋白質(zhì)最好是細(xì)菌視紫紅質(zhì)或者是相關(guān)的化合物。細(xì)菌視紫紅質(zhì)和其突變株體或者化學(xué)改性是化合物，其是目前數(shù)據(jù)光學(xué)存儲(chǔ)研究所最為關(guān)心的。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯存儲(chǔ)單元和方法之實(shí)施例的下述討論因此將特別地關(guān)注基于細(xì)菌視紫紅質(zhì)或其突變株體和其化學(xué)改性以及細(xì)菌視紫紅質(zhì)的光致循環(huán)的實(shí)施例。
細(xì)菌視紫紅質(zhì)是形式上公知的通常作為鹵細(xì)菌的鹵細(xì)菌全細(xì)菌鹽(salinarium)的微有機(jī)物紫色膜中的集光蛋白質(zhì)。細(xì)菌視紫紅質(zhì)具有的分子量是26000。全細(xì)菌鹽在鹽沼澤中生長(zhǎng)，在這里鹽濃度高于海水濃度大約6倍。紫色膜是通過當(dāng)氧氣濃度變得太低而不能支持呼吸時(shí)由細(xì)菌形成的。通過光的吸收，蛋白質(zhì)將質(zhì)子激發(fā)到膜上并產(chǎn)生用作替換能源的化學(xué)滲透勢(shì)。細(xì)菌視紫紅質(zhì)一定要成活在溫度可以超過65℃度的作為鹽沼澤的環(huán)境中達(dá)長(zhǎng)的時(shí)間周期的事實(shí)，要求能承受熱和光化學(xué)壓力的強(qiáng)健蛋白質(zhì)。實(shí)驗(yàn)表明細(xì)菌視紫紅質(zhì)可以承受高達(dá)140℃度的溫度，并且在任何情況下通常承受80℃度的溫度。蛋白質(zhì)的循環(huán)性，即其可以進(jìn)行光化學(xué)循環(huán)的次數(shù)超過106，該值基本上大于絕大部分的合成光致變色材料。因此，細(xì)菌視紫紅質(zhì)非常適合于根據(jù)本發(fā)明的例如光學(xué)邏輯單元的技術(shù)應(yīng)用，并且盡管其基本上是生物材料，仍然能夠提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒質(zhì)。
當(dāng)細(xì)菌視紫紅質(zhì)吸收光時(shí)，其進(jìn)行產(chǎn)生中間狀態(tài)的光致循環(huán)，具有在電磁光譜的整個(gè)可見光范圍內(nèi)的吸收最大值。這示意地表示在圖1a中，其表示出細(xì)菌視紫紅質(zhì)光致循環(huán)并且展示出由光誘導(dǎo)的具體轉(zhuǎn)變的順序。光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變或激發(fā)轉(zhuǎn)變用陰影箭頭表示，同時(shí)非陰影箭頭表示了因熱弛豫導(dǎo)致的轉(zhuǎn)變。綠光將細(xì)菌視紫紅質(zhì)從基態(tài)bR轉(zhuǎn)變成中間狀態(tài)K，然后弛豫和形成M狀態(tài)，之后為O狀態(tài)。M態(tài)的停留時(shí)間依賴于在其中的溫度和所用細(xì)菌視紫紅質(zhì)的突變株體。如果O態(tài)的細(xì)菌視紫紅質(zhì)受到紅光作用，要發(fā)生所謂的轉(zhuǎn)移反應(yīng)。O狀態(tài)變換到P狀態(tài)，其將快速弛豫到Q狀態(tài)，一種已經(jīng)表現(xiàn)出長(zhǎng)時(shí)間周期穩(wěn)定的細(xì)菌視紫紅質(zhì)的結(jié)構(gòu)形式。在使用天冬氨酸殘余物85和96的細(xì)菌視紫紅質(zhì)的不同突變株體中，Q狀態(tài)的壽命可以超過幾年。如果天冬氨酸85用諸如天冬酰胺的非極化氨基酸代替，則禁止穩(wěn)定M狀態(tài)的形成，并且初始光致循環(huán)很快形成O狀態(tài)(或者非常象O狀態(tài)的中間狀態(tài))(R.R.Birge，Ann.Rev.Phys.Chem，41，pp，683-733(1990))。但是，如果Q狀態(tài)的細(xì)菌視紫紅質(zhì)用藍(lán)光照射，其將返回到基態(tài)bR。如果O狀態(tài)不用紅光照射，其將在短時(shí)間弛豫中返回到基態(tài)bR。具有長(zhǎng)壽命的兩個(gè)狀態(tài)的任何一個(gè)現(xiàn)在都可以指定為二進(jìn)制的邏輯值0或1，因此，在細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子中以這些狀態(tài)的一個(gè)或另一個(gè)存儲(chǔ)信息變成了可能。
圖1b是細(xì)菌視紫紅質(zhì)初始光致循環(huán)的示意圖。適合于用在根據(jù)本發(fā)明光學(xué)邏輯單元的中心光化學(xué)轉(zhuǎn)變以通常繞示意圖順時(shí)針方向的順序表示在示意圖中。bR表示細(xì)菌視紫紅質(zhì)的基態(tài)，大寫字母表示光致循環(huán)的不同狀態(tài)。括號(hào)中的數(shù)字以納米表示細(xì)菌視紫紅質(zhì)的不同狀態(tài)或種類的吸收帶的中心波長(zhǎng)。由光誘導(dǎo)激發(fā)引起的轉(zhuǎn)變用hν表示，并且可能具有時(shí)間常數(shù)tv，同時(shí)，由熱反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)變用在大約室溫下第一級(jí)馳豫時(shí)間的時(shí)間常數(shù)tp表示。
用中心在約570nm的光照射基態(tài)或靜態(tài)bR的細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子產(chǎn)生具有很短壽命的激發(fā)態(tài)K。正如所示，K態(tài)具有中心在約600nm的吸收帶寬，這意味著如果由bR態(tài)激發(fā)的功率帶寬展寬到600nm之上，則K態(tài)的分子將返回到基態(tài)bR。然而，假定該轉(zhuǎn)變具有低的量子效率，并且作為K態(tài)是不穩(wěn)定的并很快轉(zhuǎn)變到L狀態(tài)，大多數(shù)K態(tài)分子將在光致循環(huán)中被驅(qū)動(dòng)，即使說一些分子可以循環(huán)返回到基態(tài)bR。具有中心圍繞410nm吸收帶的中間狀態(tài)M將在1-3ms的短時(shí)間間隔內(nèi)熱弛豫到中間狀態(tài)M，該中間狀態(tài)M再次熱馳豫到中間狀態(tài)O。所述M狀態(tài)在不同改性的細(xì)菌視紫紅質(zhì)中具有相對(duì)長(zhǎng)的壽命，其有可能最多達(dá)到幾分鐘，因此，如果不要求文檔存儲(chǔ)在很長(zhǎng)的時(shí)間間隔，則有可能使用它代表邏輯狀態(tài)0或1之一。這里提及實(shí)際中的M態(tài)由兩個(gè)狀態(tài)M1和M2構(gòu)成，它們實(shí)際上有相同的吸收譜。要補(bǔ)充的是，在先前企圖借助使用M狀態(tài)來在細(xì)菌視紫紅質(zhì)中全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)期間，觀察到靈敏度和對(duì)比度的逐漸衰減，后面要顯示的一些事情是由于通過對(duì)P和Q狀態(tài)轉(zhuǎn)移反應(yīng)的活動(dòng)分子的衰減引起的(R.R.Birge，privatecommunication，1996)。從示意圖可以看出，對(duì)M狀態(tài)，通過用中心圍繞410nm吸收中心波長(zhǎng)的光輻射，M狀態(tài)可以返回到基狀態(tài)。但是，中心大約為基狀態(tài)bR之吸收中心波長(zhǎng)即570nm的光當(dāng)然不將M狀態(tài)驅(qū)動(dòng)返回到bR狀態(tài)。O狀態(tài)具有640nm的吸收中心波長(zhǎng)，因此，如果其用中心圍繞該波長(zhǎng)的功率帶寬的光輻射，使得在光致循環(huán)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)移反應(yīng)，則它將轉(zhuǎn)變到具有相對(duì)長(zhǎng)壽命(達(dá)到幾分鐘)的中間狀態(tài)P。P狀態(tài)將熱弛豫到最穩(wěn)定的光致循環(huán)中間狀態(tài)，即具有壽命可能達(dá)到幾年的Q狀態(tài)。因此Q狀態(tài)可以用于代表將保持幾年的邏輯狀態(tài)。除了穩(wěn)定的基態(tài)之外，因此當(dāng)細(xì)菌視紫紅質(zhì)將是存儲(chǔ)媒體，其中根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯單元將用在適合于文檔存儲(chǔ)之光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件的情況時(shí)，Q狀態(tài)是最合適的狀態(tài)。
如果Q狀態(tài)用具有中心在380nm的Q狀態(tài)吸收波長(zhǎng)功率帶寬的藍(lán)光輻射，則Q狀態(tài)將轉(zhuǎn)變成基狀態(tài)bR，同時(shí)無時(shí)間表示的箭頭還表示Q狀態(tài)將熱弛豫到基狀態(tài)bR，但它具有幾年的時(shí)間常數(shù)。通過具有中心圍繞490nm的P狀態(tài)吸收頻率的功率帶寬的光的吸收，P狀態(tài)將返回到O狀態(tài)。O狀態(tài)此外在通常光致循環(huán)中熱弛豫返回到基狀態(tài)bR，具有室溫下4ms的時(shí)間常數(shù)。
為了進(jìn)一步觀察細(xì)菌視紫紅質(zhì)的光致循環(huán)，其在圖1c中圖形地表示出。外部循環(huán)代表光致循環(huán)順時(shí)針的過程，從基態(tài)bR和此后經(jīng)過中間狀態(tài)K，L，M，N和O返回到基態(tài)bR。光致循環(huán)的轉(zhuǎn)移反應(yīng)由內(nèi)環(huán)行弧代表，具有從O態(tài)到達(dá)的P和Q態(tài)。具有相對(duì)長(zhǎng)壽命的亞穩(wěn)態(tài)即M，P和Q用陰影表示。圓扇區(qū)代表光致循環(huán)的面積，其包括按本發(fā)明的目的作為穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)Q和bR。光致循環(huán)中的光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變作為本發(fā)明的要點(diǎn)由數(shù)字箭頭表示。然而示意圖中，忽略了對(duì)本發(fā)明不重要的非常短壽命的中間狀態(tài)。相同的處理適用于這種情況，其中實(shí)際中的中間狀態(tài)是由幾個(gè)具有近似相同吸收譜的狀態(tài)組成。
細(xì)菌視紫紅質(zhì)的不同種類或狀態(tài)的吸收譜示于圖2中，當(dāng)為了產(chǎn)生激發(fā)到另一狀態(tài)而輻射種類時(shí)，其也給出了合適的功率帶寬的說明。例如可以看出，中心圍繞600nm功率帶寬的使用將產(chǎn)生狀態(tài)N，bR，K和O，但是，這種輻射的結(jié)果將至少使很大部分分子布居從bR激發(fā)并達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的Q狀態(tài)。當(dāng)然，通過用中心在570nm的光脈沖連續(xù)地輻射基態(tài)bR可以獲得相同結(jié)果，使得bR態(tài)轉(zhuǎn)變到O狀態(tài)，并且還同時(shí)連續(xù)地用中心在640nm的光照射細(xì)菌視紫紅質(zhì)，可選擇地，在數(shù)毫秒的耦合之后，使得O狀態(tài)轉(zhuǎn)變到P狀態(tài)。其含義應(yīng)當(dāng)在下面進(jìn)行更密切的討論。從圖2將可以看出，通過用380nm或者例如360-400nm功率帶寬的光輻射Q狀態(tài)的分子，可以有效地將Q狀態(tài)激發(fā)到基態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明，開始時(shí)和在尋址之前的邏輯單元將處于預(yù)先產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)。例如該初始的亞穩(wěn)態(tài)最好可以處在細(xì)菌視紫紅質(zhì)的M狀態(tài)，它在該情況下將具有合適的長(zhǎng)壽命，使得在希望的光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案中它可以代表一個(gè)或二個(gè)邏輯狀態(tài)0或1。但更優(yōu)選的是初始的亞穩(wěn)態(tài)為細(xì)菌視紫紅質(zhì)的Q狀態(tài)，正如上述，其具有許多年的壽命。
其中光敏材料在此是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的光學(xué)邏輯單元可以提供為層狀結(jié)構(gòu)并且在為了特定應(yīng)用，用將有效地引起轉(zhuǎn)變到長(zhǎng)期穩(wěn)定之Q狀態(tài)的功率帶寬黃光來輻射處于基態(tài)bR的細(xì)菌視紫紅質(zhì)來事先準(zhǔn)備好該光學(xué)邏輯單元。光致循環(huán)中從bR到后續(xù)不穩(wěn)定K狀態(tài)的轉(zhuǎn)變具有高的量子效率，同時(shí)從K狀態(tài)返回到bR態(tài)的光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變具有可想而知的低量子效率，因此在實(shí)際上，相當(dāng)比例的bR態(tài)的分子隨后將到達(dá)O狀態(tài)。通過使用包括bR態(tài)和O態(tài)吸收帶的功率帶寬，對(duì)于二狀態(tài)的對(duì)應(yīng)任何一個(gè)，可能通過使用具有對(duì)應(yīng)于吸收中心波長(zhǎng)之波長(zhǎng)的光，O狀態(tài)將轉(zhuǎn)變到P狀態(tài)，它通過幾分鐘的熱馳豫，將轉(zhuǎn)變到長(zhǎng)期穩(wěn)定的或亞穩(wěn)的狀態(tài)Q。該過程是累加的，即細(xì)菌視紫紅質(zhì)用合適帶寬或波長(zhǎng)的黃光照射的時(shí)間愈長(zhǎng)，越來越多的分子將轉(zhuǎn)變到Q狀態(tài)。當(dāng)然不管從O狀態(tài)到P狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是否具有低的量子效率，一般大約為0.01-0.02。但是，借助以這種方式用黃光連續(xù)照射，K狀態(tài)正如所述將以低量子效率激發(fā)返回到基態(tài)bR，O狀態(tài)將以近似4ms的典型時(shí)間常數(shù)熱弛豫返回到bR態(tài)，但是光致循環(huán)然后僅僅將循環(huán)進(jìn)行并由于累加效應(yīng)增加產(chǎn)額。由于光敏材料的制備發(fā)生在光學(xué)邏輯單元被引入規(guī)定應(yīng)用的很久之前，這種方式中的細(xì)菌視紫紅質(zhì)可以用相當(dāng)比例的Q狀態(tài)的分子布居來制備和存儲(chǔ)。在優(yōu)選實(shí)施例中，Q狀態(tài)因此是實(shí)際的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之一，其將用作為代表邏輯1或邏輯0。由于實(shí)際的原因，下面將假設(shè)Q狀態(tài)代表邏輯1，bR狀態(tài)代表邏輯0。
因此在寫或讀操作之前的邏輯單元可以實(shí)際地看作為Q狀態(tài)。如果將寫入或存儲(chǔ)的邏輯值是1，以這種方式進(jìn)行邏輯單元中數(shù)據(jù)的寫或存儲(chǔ)現(xiàn)在是非常簡(jiǎn)單的，為此目的通過細(xì)菌視紫紅質(zhì)基本上是Q狀態(tài)已經(jīng)在邏輯單元中進(jìn)行了表示并因此具有邏輯值1。相反，如果在邏輯單元中其被寫入邏輯0，通過受到用中心在Q狀態(tài)吸收中心波長(zhǎng)即380nm并因此是藍(lán)光的光照射邏輯單元即細(xì)菌視紫紅質(zhì)之影響的寫或存儲(chǔ)過程，現(xiàn)在這是非常簡(jiǎn)單地發(fā)生的。因此邏輯單元從狀態(tài)1到狀態(tài)O轉(zhuǎn)變，然后該狀態(tài)將長(zhǎng)久地存儲(chǔ)在細(xì)菌視紫紅質(zhì)bR狀態(tài)。因此，其中用作為根據(jù)本發(fā)明邏輯單元中的可開關(guān)或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體的在此是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的光敏有機(jī)材料之操作將是簡(jiǎn)單的，因?yàn)閷懟虼鎯?chǔ)操作被歸結(jié)為只有當(dāng)已表示邏輯1將被變化到邏輯0時(shí)用確定波長(zhǎng)的藍(lán)光輻射。但是，根據(jù)本發(fā)明在光學(xué)邏輯單元尋址方面的操作將結(jié)合圖8，9和10的討論進(jìn)行較詳細(xì)地討論。
現(xiàn)在參考圖3來說明根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯單元是怎樣作為鄰近尋址光學(xué)邏輯單元實(shí)現(xiàn)的?；镜泥徑鼘ぶ饭鈱W(xué)邏輯單元在前述的專利申請(qǐng)No.980407中公開，其已經(jīng)被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)人。
圖3示意地表示了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯單元的實(shí)現(xiàn)。在此是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的光敏材料以層狀結(jié)構(gòu)1提供。
鄰近結(jié)構(gòu)1之光敏材料提供了發(fā)射體或光源2，其最好是光發(fā)射聚合物二極管的形式。通過連接到電流源9的兩個(gè)電極3，4驅(qū)動(dòng)電壓VE施加到光發(fā)射聚合物二極管2。光發(fā)射聚合物二極管2是鄰近光敏材料1提供的，在此光敏材料是將驅(qū)動(dòng)進(jìn)行光致循環(huán)的細(xì)菌視紫紅質(zhì)。這意味著電極3一定是透明的。而且，用于驅(qū)動(dòng)細(xì)菌視紫紅質(zhì)進(jìn)行光致循環(huán)的光發(fā)射二極管2一定是電壓可調(diào)制的，其意味著，在目前情況下，它將與實(shí)現(xiàn)呈該種電壓可調(diào)制聚合物二極管形式的光發(fā)射二極管是相關(guān)的，該種電壓可調(diào)制聚合物二極管例如在前述國(guó)際專利申請(qǐng)WO95/31515中公開并與較詳細(xì)討論的這個(gè)參考有關(guān)。光發(fā)射二極管2的對(duì)面和同樣鄰近細(xì)菌視紫紅質(zhì)的結(jié)構(gòu)1提供了光生伏打或光電導(dǎo)探測(cè)器，其最好也是呈層狀結(jié)構(gòu)并提供有電極6，7，電極6，7將由檢測(cè)光的探測(cè)器輸出的信號(hào)電壓VD傳導(dǎo)到?jīng)]有示出的探測(cè)器放大器10。這里很明顯，面對(duì)細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)1的探測(cè)器電極6一定是透明的。
呈光發(fā)射聚合物二極管形式的電壓可調(diào)彩色光源已經(jīng)在上述國(guó)際專利申請(qǐng)WO95/31515的參考中進(jìn)行了討論，它還由M.Bergren &al.，Nature 372，pp.444-446(1994)進(jìn)行了進(jìn)一步的較詳細(xì)地公開。通過改變施加在電極上的驅(qū)動(dòng)電壓VE，這種光發(fā)射聚合物二極管將發(fā)射不同波長(zhǎng)的光。用于這種光發(fā)射聚合物二極管的所示概念是相對(duì)普遍的，通過合適選擇光發(fā)射材料，所發(fā)射光輻射的譜特性可以被控制在寬范圍內(nèi)?？紤]本發(fā)明所公開的，在希望具有對(duì)在不同狀態(tài)細(xì)菌視紫紅質(zhì)之光吸收特性的光譜適應(yīng)性時(shí)，應(yīng)當(dāng)假設(shè)光發(fā)射聚合物二極管在低電壓VE下發(fā)射黃光并且隨著電壓的增加而增加藍(lán)光的發(fā)射。這在圖4a-c中有較詳細(xì)地表示，其中圖4a表示光譜特性和在施加電壓VE為5V下的強(qiáng)度。發(fā)射基本上以紅光的形式發(fā)生，具有大約為630nm的光譜峰。這里功率因數(shù)為100％。圖4b中，電壓增加到16V，功率因數(shù)下降到50％?？梢钥闯觯獍l(fā)射聚合物二極管仍然保持在大約630nm的發(fā)射峰，但是同時(shí)獲得了增加的大約400nm的藍(lán)光發(fā)射。在施加電壓為21V功率因數(shù)為20％時(shí)，530nm之上波長(zhǎng)的發(fā)射降低了，基本上獲得了具有高強(qiáng)度中心在430nm的藍(lán)光發(fā)射峰。電壓控制發(fā)射體2，即上述國(guó)際專利申請(qǐng)WO95/31515公開的光發(fā)射聚合物二極管，包括若干物理上分開的光發(fā)射域11，這示于可看作對(duì)發(fā)射體層示意剖面的圖5中。域11埋置在例如本身可以為聚合物的透明基體12中，每個(gè)域僅包含一種類型的光發(fā)射聚合物，即具有主要發(fā)射黃光或紅光的窄帶隙或者具有發(fā)射藍(lán)光的寬帶隙的光發(fā)射聚合物。如果域11較大并以相對(duì)大的距離分隔開，這將由于從光發(fā)射二極管的不可預(yù)計(jì)和無規(guī)則光發(fā)射而產(chǎn)生問題，并且具有落在細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)之給定中點(diǎn)上的在對(duì)應(yīng)紅光和藍(lán)光之間不良空間重疊中的某些光束幾何形狀。上述WO95/31515的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)展示出目前至少有可能獲得域之間從幾個(gè)10nm到最多幾個(gè)100nm范圍內(nèi)的典型尺寸和距離，使得聚合物層的尺度因子或基體12的厚度對(duì)應(yīng)于域部分，因?yàn)橛蛎黠@地一定要接觸基體表面上的電極3，4。因此，由空間離散光發(fā)射引起的效應(yīng)用非常小在通常為幾個(gè)nm的范圍的光發(fā)射聚合物二極管將是可檢測(cè)的。另一方面，還顯示出通過減小域的尺寸11可以基本上減小光發(fā)射聚合物二極管2的尺寸，使得可以避免可能的不利空間效應(yīng)，甚至具有10nm或左右的光發(fā)射二極管的尺寸。然后，發(fā)射體層的厚度將是可比較的，并且其至少在理論上可以推出有可能實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯單元，具有最多為幾個(gè)nm的尺寸和對(duì)應(yīng)厚度。
光生伏打或光電導(dǎo)探測(cè)器5是對(duì)應(yīng)于發(fā)射體2或彩色光源即使用對(duì)應(yīng)的聚合物二極管和具有現(xiàn)在作為光吸收的域來實(shí)現(xiàn)的，使得在光譜上與光強(qiáng)度相關(guān)的所檢測(cè)變量將在電極上產(chǎn)生檢測(cè)器的信號(hào)電壓或者輸出電壓VD。同樣，在這種情況下，檢測(cè)器5一定要調(diào)諧到發(fā)射體2的光譜特性。而且，對(duì)于檢測(cè)器5，對(duì)光發(fā)射聚合物二極管2而言，可以獲得相同的尺度因子，域8的尺寸確定了層厚度，很明顯，層厚度一定要與域段是適應(yīng)的，使得能夠取得電極6，7的接觸。
可以看出，作為這里公開的光學(xué)邏輯單元是按鄰近可尋址實(shí)現(xiàn)的，并且，如果通過呈折射或衍射單元方式的在細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)外部和它與發(fā)射體之間提供的光學(xué)有源結(jié)構(gòu)，光被導(dǎo)引到光敏有機(jī)材料的話，其避免了將出現(xiàn)的尺寸因子上的限制。在那種情況下，光學(xué)邏輯單元的尺寸將受到所使用光輻射之波長(zhǎng)限制。圖11還示出其中光學(xué)邏輯單元是通過呈小透鏡形式之光學(xué)有源結(jié)構(gòu)被尋址的光學(xué)邏輯器件的實(shí)施例，下面將參考該圖進(jìn)行討論。
現(xiàn)在，結(jié)合圖6-9并在假定光學(xué)邏輯單元將用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之下討論制備、寫入、讀出和擦除的操作。所有的圖6-9表示了用已經(jīng)畫成橢圓的四個(gè)邏輯單元實(shí)現(xiàn)的操作，并在用實(shí)際狀態(tài)bR、M、Q表示的相關(guān)操作中對(duì)于每一個(gè)步驟是重復(fù)的。
圖6表示了利用產(chǎn)生作為初始亞穩(wěn)態(tài)之M態(tài)的光致循環(huán)的細(xì)菌視紫紅質(zhì)的制備。如果選擇了細(xì)菌視紫紅質(zhì)的突變體，M狀態(tài)的壽命可以擴(kuò)展到幾分鐘。通過用藍(lán)光(λ近似為410nm)輻射產(chǎn)生寫入，由此M狀態(tài)返回到bR狀態(tài)。很明顯，M狀態(tài)將極少適合于文檔存儲(chǔ)，但是，其中數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)在短時(shí)間間隔內(nèi)或在易失性存儲(chǔ)器中，M狀態(tài)可以有利地是初始狀態(tài)并表示成邏輯1，也可能為0。而且，有利地是，作為初始狀態(tài)的M狀態(tài)使快速擦除和復(fù)位成為可能，例如在室溫下，M→bR→M的循環(huán)時(shí)間最多是稍微大于100μs。
圖8a-c分別表示了寫/存儲(chǔ)、讀和擦除的步驟，其中初始亞穩(wěn)態(tài)是M態(tài)，并且對(duì)于說明書概述部分中已經(jīng)說明的，該初始亞穩(wěn)態(tài)幾乎不需要進(jìn)一步的解釋。如果期望細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)，則細(xì)菌視紫紅質(zhì)將用黃光(λ近似為380nm)來預(yù)先制備并被初始化到Q狀態(tài)，正如圖7中所示。
現(xiàn)在細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)最初處于Q狀態(tài)。通過由施加使發(fā)射藍(lán)光的和使在所示點(diǎn)的細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)變到bR狀態(tài)的足夠高電壓的發(fā)射體或光敏有機(jī)二極管來進(jìn)行寫入，如圖9a所示。通過將低電壓施加到發(fā)射體使光發(fā)射二極管發(fā)射黃光來進(jìn)行讀出，如圖9b所示。依賴于細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)是否是處于bR或Q狀態(tài)，黃光將在或大或小的程度上被吸收。因此，通過測(cè)量由檢測(cè)器輸出的信號(hào)電壓，能夠確定細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)的邏輯狀態(tài)。
一旦細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)從Q轉(zhuǎn)變到bR狀態(tài)，如圖9c所示，其可以通過用與bR和O狀態(tài)同時(shí)進(jìn)行相互作用之波長(zhǎng)的光輻射來返回到Q狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)于復(fù)位或擦除操作。如果光學(xué)邏輯單元被用于為ROM或WROM之?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器件形式的光學(xué)邏輯器件并且使用了可以發(fā)射兩種顏色之光輻射的發(fā)射體，例如為電壓可調(diào)制有機(jī)光發(fā)射二極管，則寫和讀操作按下述進(jìn)行。
根本上，應(yīng)當(dāng)再次假設(shè)細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)被生產(chǎn)制備成Q狀態(tài)，即在尋址之前開始時(shí)邏輯單元處于預(yù)先產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)Q狀態(tài)，它可以保持幾年，除非它受到藍(lán)光的輻射。而且，正如別處所假設(shè)的，細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子的Q狀態(tài)被定義為邏輯1。用藍(lán)光的輻射將細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子從Q狀態(tài)變到代表邏輯0的基態(tài)bR，并且現(xiàn)在通過將初始Q狀態(tài)變到bR狀態(tài)發(fā)生寫入。用高電平的短持續(xù)時(shí)間電壓脈沖激活發(fā)射體，使得混合的藍(lán)光和黃光輻射細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)。黃光譜分量并不改變細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子的邏輯狀態(tài)。由處于bR基態(tài)之分子吸收的黃光啟動(dòng)光致循環(huán)，但是P和Q狀態(tài)的轉(zhuǎn)移不會(huì)發(fā)生，因?yàn)楣饷}沖持續(xù)時(shí)間假設(shè)為小于到達(dá)O狀態(tài)所必須的循環(huán)時(shí)間。即使用相對(duì)長(zhǎng)的光脈沖持續(xù)時(shí)間，黃光的光譜分量也將是弱的，不足以驅(qū)動(dòng)絕大部分O狀態(tài)的分子越過到達(dá)P狀態(tài)。藍(lán)光的光譜分量主要由M和Q狀態(tài)的分子吸收，使得這兩者轉(zhuǎn)變到bR狀態(tài)。從Q到bR狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是寫操作，即從邏輯狀態(tài)1變到邏輯狀態(tài)0。
通過用低電平的短持續(xù)時(shí)間電壓脈沖激活發(fā)射體發(fā)生讀出，使得僅黃光輻射細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)。依賴于細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)中bR態(tài)分子的相對(duì)布居，較大部分或較小部分的光通過該結(jié)構(gòu)并由下面的檢測(cè)器單元檢測(cè)。通過細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)的低透過率意味著其中大部分的分子處于bR狀態(tài)或邏輯狀態(tài)0，同時(shí)吸收藍(lán)光光譜分量的處于Q狀態(tài)的大布居給出黃光的較好透過率并對(duì)應(yīng)于邏輯狀態(tài)1。正如這里討論的，這意味著WORM方案，即數(shù)據(jù)僅可以一次寫入和此后多次讀出。寫入也可以發(fā)生在WORM應(yīng)用的生產(chǎn)地點(diǎn)。上述寫入和讀出方案可以直接地?cái)U(kuò)展，使得有獲得再次擦除和寫入數(shù)據(jù)的可能性。應(yīng)當(dāng)再次假設(shè)寫入、讀出和擦除是基于細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)之鄰近尋址的使用，該細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)具有在兩個(gè)光譜范圍內(nèi)發(fā)射的電壓可調(diào)制發(fā)射體即二色發(fā)射體。
圖1光致循環(huán)的詳細(xì)研究展示出在600nm等深點(diǎn)(isobesticpoint)附近用于在bR和O狀態(tài)吸收的恒定輻射將使Q狀態(tài)起接收器的作用。由bR狀態(tài)分子吸收的600nm光啟動(dòng)光致循環(huán)，因?yàn)樵诖嗣恳稽c(diǎn)上的分子是用600nm波長(zhǎng)的光輻射的。光致循環(huán)僅有兩個(gè)轉(zhuǎn)變狀態(tài)在600nm有顯著的吸收，即K和O狀態(tài)。K狀態(tài)的分子將吸收一些光并返回bR狀態(tài)，使得通過分子的轉(zhuǎn)變有不希望的從bR到Q狀態(tài)的返回反應(yīng)。然而，K狀態(tài)的停留時(shí)間短到二毫秒，因此顯著的比幾個(gè)毫秒停留時(shí)間的Q狀態(tài)短，但是其中在相關(guān)波長(zhǎng)上的摩爾吸收率與K狀態(tài)的是可比較的。在用600nm波長(zhǎng)光輻射的影響下從O到P狀態(tài)轉(zhuǎn)變的分子最后在Q狀態(tài)結(jié)束，同時(shí)剩余部分返回bR狀態(tài)。
如果照射繼續(xù)足夠長(zhǎng)時(shí)間間隔的話，返回到bR狀態(tài)的分子將重復(fù)地循環(huán)，因?yàn)樵诿總€(gè)循環(huán)中一部分被轉(zhuǎn)移到P和Q狀態(tài)。因此在足夠長(zhǎng)的周期中，所有的分子將結(jié)束在Q狀態(tài)，假定從Q狀態(tài)到bR狀態(tài)的自發(fā)轉(zhuǎn)變速率是忽略不計(jì)的。
上述慢的但與低強(qiáng)度光源兼容的操作可以與在上述國(guó)際專利申請(qǐng)WO96/21228中公開的相比較，其中黃光脈沖啟動(dòng)光致循環(huán)，并且當(dāng)所激發(fā)的分子到達(dá)O狀態(tài)時(shí)使用紅光脈沖。在后者的情況下，可以到達(dá)非常高的速度，但是同時(shí)必須使用具有高強(qiáng)度并發(fā)射幾個(gè)波長(zhǎng)的光源。
如果發(fā)射體做成使得其在低電壓下發(fā)射大約600nm波長(zhǎng)的紅光和在較高電壓下發(fā)射紅和藍(lán)光的話，使用上述公開的用于讀和寫數(shù)據(jù)的兩個(gè)波長(zhǎng)的相對(duì)簡(jiǎn)單的方案將仍然是可能的。通過高電壓脈沖并且如果輻射時(shí)間足夠短，僅僅藍(lán)光將影響處于非轉(zhuǎn)變狀態(tài)的分子布居，即，將分子從Q狀態(tài)轉(zhuǎn)變到bR狀態(tài)的話，現(xiàn)在將發(fā)生寫入。通過用紅光掃描細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)即利用發(fā)射體的低電壓脈沖，將發(fā)生讀出。如果輻射時(shí)間足夠短，這將不影響處于Q和bR狀態(tài)的分子布居。但是對(duì)bR狀態(tài)之光譜適應(yīng)性現(xiàn)在將變壞，將可以影響讀出速度。
通過用紅光連續(xù)地照射，即發(fā)射體加低電壓超過某一時(shí)間周期，可以實(shí)現(xiàn)刪除或擦除/復(fù)位。必須的周期依賴于若干因素，例如處于Q狀態(tài)的希望分子布居，光學(xué)結(jié)構(gòu)，發(fā)射體效率，溫度和光譜適應(yīng)性，但是它通常比一般寫和讀操作要用更長(zhǎng)的時(shí)間。這不是必要的任何問題，因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中，擦除/復(fù)位可以不連續(xù)的發(fā)生或者經(jīng)過管理協(xié)議發(fā)生，由此不會(huì)干擾寫/讀操作。
在圖6-9的圖文表明輻射用高強(qiáng)度光進(jìn)行時(shí)，可以理解，如果操作具有臨界時(shí)間因子，即是由給定時(shí)間常數(shù)限制，輻射還可以選擇為用相對(duì)低強(qiáng)度但超過較長(zhǎng)時(shí)間周期的光來進(jìn)行。
總地來講，還有可能使用根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯單元，其不僅用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且還呈可以從一種狀態(tài)到另一狀態(tài)轉(zhuǎn)變的單元型邏輯元件的形式并有可能復(fù)位到0，因?yàn)闉榱死鐚?shí)現(xiàn)邏輯代數(shù)操作之目的，這種單元型邏輯元件可以用作為形成邏輯門或建立光學(xué)邏輯網(wǎng)絡(luò)或器件。這種使用的例子例如可以是呈光學(xué)邏輯門形式的光學(xué)邏輯網(wǎng)絡(luò)，目的是實(shí)現(xiàn)諸如與，非等布爾功能。這種邏輯代數(shù)或布爾操作對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的，不需要對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的討論。但是應(yīng)當(dāng)理解，通過使用兩個(gè)值(二進(jìn)制)邏輯，實(shí)現(xiàn)諸如邏輯乘法(conjunction)、邏輯自匯接(autjunction)、邏輯速度連接(veljunction)、邏輯等價(jià)和邏輯隱含功能的光學(xué)邏輯門包括兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯單元并連接到公共輸出。邏輯非當(dāng)然可以由單個(gè)光學(xué)邏輯單元實(shí)現(xiàn)。
優(yōu)選的是，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯單元的轉(zhuǎn)變意味著同時(shí)和立即地隨著第二狀態(tài)的檢測(cè)，引起從光學(xué)邏輯單元的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一狀態(tài)。如果各個(gè)狀態(tài)最初是穩(wěn)定的或者是亞穩(wěn)定的，檢測(cè)將在未限定的時(shí)間連續(xù)點(diǎn)上發(fā)生并對(duì)應(yīng)于通常的讀操作。如圖10a所示，表示為I的第一狀態(tài)能夠是亞穩(wěn)態(tài)M或是亞穩(wěn)態(tài)Q，表示為II的第二狀態(tài)能夠是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的bR態(tài)，或者反之亦然，和由用調(diào)制到分別用于M或Q狀態(tài)之吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)的光輻射和調(diào)制到用于bR的吸收帶的光來檢測(cè)bR所引起的從M狀態(tài)或Q狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。圖10b表示了利用bR狀態(tài)作為初始狀態(tài)I和分別將M和Q狀態(tài)作為第二狀態(tài)II的轉(zhuǎn)換。圖10c表示了從Q狀態(tài)I到M狀態(tài)II的轉(zhuǎn)變，圖10d表示了從M狀態(tài)I到Q狀態(tài)II的轉(zhuǎn)變。圖10a-d所示的各個(gè)轉(zhuǎn)變是處于由被調(diào)制到用于初始狀態(tài)I的各個(gè)吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)的光引起的每個(gè)單獨(dú)的情況。具體對(duì)于從Q狀態(tài)到M狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，當(dāng)很大部分處于bR狀態(tài)的分子已經(jīng)到達(dá)M狀態(tài)時(shí)中斷該輻射，并且由此從M狀態(tài)到Q狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，輻射繼續(xù)直到很大部分處于bR狀態(tài)的分子已經(jīng)到達(dá)Q狀態(tài)，或者，如果輻射用被分別調(diào)制到隨著為光致循環(huán)中M狀態(tài)之O狀態(tài)的吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)的光發(fā)生，則輻射繼續(xù)直到處于M狀態(tài)的分子基本上已經(jīng)到達(dá)Q狀態(tài)。
從圖10a可以看出，通過使用M狀態(tài)或Q狀態(tài)作為初始狀態(tài)I和基態(tài)bR作為第二狀態(tài)II，轉(zhuǎn)換可以非常快的發(fā)生。從基態(tài)bR到M狀態(tài)的復(fù)位(或設(shè)置為零)的進(jìn)行僅僅稍微大于100ms，同時(shí)從基態(tài)bR到Q狀態(tài)的復(fù)位要用較長(zhǎng)的時(shí)間，一般為幾個(gè)毫秒。而且，通過使用基態(tài)bR或Q狀態(tài)作為初始狀態(tài)I和M狀態(tài)作為第二狀態(tài)II，轉(zhuǎn)換可以對(duì)應(yīng)地進(jìn)行得很快，(圖10b，c)，具有從M狀態(tài)到bR狀態(tài)非?？斓膹?fù)位和具有從M狀態(tài)到Q狀態(tài)慢的復(fù)位(＞2ms)。如果根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯單元用于實(shí)現(xiàn)例如邏輯門和光學(xué)邏輯器件中的網(wǎng)絡(luò)，則希望轉(zhuǎn)換將快速發(fā)生，這意味著選取其中轉(zhuǎn)變到第二狀態(tài)是僅由光化學(xué)反應(yīng)引起的即因此是純激發(fā)過程的初始狀態(tài)是有利的。復(fù)位或設(shè)置為0即將光學(xué)邏輯單元帶回到基態(tài)通常在時(shí)間方面并不重要，因此復(fù)位包括熱馳豫過程將是無關(guān)緊要的。在具有大量光學(xué)邏輯單元的光學(xué)邏輯器件中，光學(xué)邏輯單元還可以平行轉(zhuǎn)換和復(fù)位，器件的轉(zhuǎn)換速率然后將由可以同時(shí)尋址的邏輯單元的多少確定。
但是，對(duì)于轉(zhuǎn)換操作，這兩個(gè)狀態(tài)是穩(wěn)態(tài)或是亞穩(wěn)態(tài)并不是必要條件。仍然可以認(rèn)為，通過引起光致循環(huán)中從初始亞穩(wěn)態(tài)或從基態(tài)到短的非穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變可以有效進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，使得轉(zhuǎn)換和復(fù)位可以非常非?？斓陌l(fā)生。例如，在使用細(xì)菌視紫紅質(zhì)作為光敏材料的情況下，這可以通過使用基態(tài)bR作為初始狀態(tài)和通過例如為非常短壽命的K狀態(tài)作為光致循環(huán)中隨后的另一狀態(tài)能夠進(jìn)行。從bR態(tài)到K態(tài)的轉(zhuǎn)變，其是激發(fā)誘導(dǎo)反應(yīng)，僅具有10微微秒的激發(fā)時(shí)間常數(shù)，它依賴于強(qiáng)度、吸收系數(shù)和量子效率。但是在那部分光致循環(huán)中出現(xiàn)了未表示出的非穩(wěn)態(tài)J，其位于bR態(tài)和K態(tài)之間，但其對(duì)于轉(zhuǎn)換沒有任何有意義的效果。K狀態(tài)的停留時(shí)間最大為幾個(gè)毫秒，此后K狀態(tài)將馳豫到L狀態(tài)。這意味著K狀態(tài)的檢測(cè)一定要及時(shí)精確調(diào)制。在大約100毫秒之后，通過熱馳豫，K狀態(tài)轉(zhuǎn)變到M狀態(tài)，這意味著通過用410nm波長(zhǎng)的光輻射M狀態(tài)，光學(xué)邏輯單元在該轉(zhuǎn)換操作中可以被設(shè)置為零，使得將有從M狀態(tài)返回bR狀態(tài)的激發(fā)轉(zhuǎn)變。
如果檢測(cè)在吸收中進(jìn)行的話，K狀態(tài)的兩毫秒的非常短的檢測(cè)窗口可以產(chǎn)生問題?？赡艿慕鉀Q方法是讓檢測(cè)在發(fā)射中進(jìn)行。假設(shè)細(xì)菌視紫紅質(zhì)在K狀態(tài)中發(fā)熒光，并且該熒光發(fā)射可以用具有比使用吸收檢測(cè)情況下更好靈敏度的檢測(cè)器檢測(cè)。到目前為止，對(duì)細(xì)菌視紫紅質(zhì)之不同非穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的熒光特性有太少的知識(shí)。對(duì)可用于本發(fā)明的其它光敏有機(jī)材料的情況也是如此，但是如果轉(zhuǎn)換操作是使用這種材料的非穩(wěn)態(tài)，熒光的檢測(cè)即發(fā)射中的檢測(cè)在轉(zhuǎn)換操作很快地發(fā)生并且檢測(cè)窗口非常窄時(shí)明顯地有優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明，多穩(wěn)態(tài)光學(xué)邏輯單元和其光學(xué)尋址的方法可以用在用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的光學(xué)邏輯器件中。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)理解，光學(xué)邏輯單元被結(jié)合在光學(xué)邏輯網(wǎng)絡(luò)中，借助于可實(shí)現(xiàn)這些功能的光學(xué)邏輯門來完成代數(shù)操作，或者借助于可實(shí)現(xiàn)這些操作的寄存器來完成二進(jìn)制算術(shù)操作。這種光學(xué)邏輯門或光學(xué)算術(shù)寄存器可以由類似于對(duì)應(yīng)基于半導(dǎo)體器件的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并且是在文獻(xiàn)中公開的和本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的之外，使得這里不需要詳細(xì)討論所要求的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
這種光學(xué)邏輯器件不需要用鄰近可尋址光學(xué)邏輯單元實(shí)現(xiàn)，采用呈微透鏡矩陣(microlens matrices)形式之光學(xué)有源結(jié)構(gòu)的兩維(平面)存儲(chǔ)器件的方案在圖11中示意地表示出和分解透視出。這里，光學(xué)邏輯單元的光敏材料具有呈層形式的結(jié)構(gòu)，其形成為這些結(jié)構(gòu)的陣列13，每個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)可以看成陣列中的單元。指定給光敏有機(jī)材料陣列13中的每個(gè)單元，提供有索引發(fā)射體陣列14，并且在發(fā)射體陣列和光敏有機(jī)材料之間提供有對(duì)應(yīng)索引的空間光調(diào)制器SLM，或者一層(sheet)小透鏡或微透鏡15。實(shí)際上在靠近透鏡層15提供的矩陣13的結(jié)構(gòu)分別適應(yīng)性地形成為小透鏡。代替小透鏡或微透鏡，即折射結(jié)構(gòu)，還可以使用衍射結(jié)構(gòu)。在相對(duì)側(cè)面上和有機(jī)光敏材料陣列13下，然后提供有檢測(cè)器陣列16，其用對(duì)應(yīng)方式進(jìn)行索引，具有光敏有機(jī)材料的每個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)。該器件中光學(xué)邏輯單元的尋址由光束表示出，并且對(duì)陣列13中光敏材料的聚焦利用光束頂角表示出。對(duì)應(yīng)的光學(xué)邏輯器件從專利文獻(xiàn)中公知，但其采用了燒結(jié)膜、熒光層和其它有可能用于寫和讀之狀態(tài)改變的媒體。上述基于根據(jù)本發(fā)明之光學(xué)邏輯單元的光學(xué)邏輯器件將形成為兩維層狀，在層中提供有不同的元件，其要求是在發(fā)射體和指定光學(xué)邏輯單元之間應(yīng)當(dāng)有唯一關(guān)系，某些是可以通過使用空間光調(diào)制器SLM取得的。對(duì)于一些操作模式，例如數(shù)據(jù)讀出，在沒有任何干涉空間光調(diào)制器的情況下，可以使用一個(gè)-多個(gè)關(guān)系。這意味著例如檢測(cè)器不再需要是陣列，但是能夠全局地實(shí)現(xiàn)。
如果使用根據(jù)本發(fā)明的鄰近可尋址光學(xué)邏輯單元，自然不再需要使用呈透鏡或衍射單元形式的光學(xué)有源結(jié)構(gòu)，也不再需要空間光調(diào)制器。然后通過大的連接片層可以形成光學(xué)邏輯器件，并且這些片層再次相互堆積，使得提供立體光學(xué)邏輯器件。這種光學(xué)邏輯器件在國(guó)際專利申請(qǐng)PCT/NO97/00154中公開了并轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)人。在此引用作為參考。
圖12a中所示陣列中鄰近尋址光學(xué)邏輯單元的配置，其中陣列的單層，即發(fā)射體14，光敏有機(jī)材料13和檢測(cè)器16分解透視表示出。陣列由m*n邏輯單元構(gòu)成，在圖12a中實(shí)際表示為5*5陣列。在發(fā)射體陣列14上，已經(jīng)提供了圖3的電極3，4，并且在電極3，4之間的每個(gè)交點(diǎn)中的光發(fā)射二極管由施加電壓VE產(chǎn)生。結(jié)果，發(fā)射體或光發(fā)射二極管將發(fā)射作用在陣列13中例如為細(xì)菌視紫紅質(zhì)的光敏有機(jī)材料上的光。檢測(cè)在檢測(cè)器陣列16中進(jìn)行，其中在所提供電極6，7之間的每個(gè)交點(diǎn)中的照射對(duì)應(yīng)地產(chǎn)生光吸收檢測(cè)器二極管。以這種方式形成的光學(xué)邏輯單元表示為OLE1，3，為了簡(jiǎn)單的緣故，在現(xiàn)在情況下每層陣列13，14，16表示為5*5陣列。
圖12a所示的光學(xué)邏輯器件現(xiàn)在能夠用于形成立體光學(xué)邏輯器件，其包括若干層或陣列S1，....SX。這種邏輯器件以剖面圖表示在12b中，并且在每個(gè)單層S中，提供有發(fā)射體陣列14，有機(jī)光敏材料13的陣列和檢測(cè)器陣列16。正如圖12a所示，提供有電極3，4；6，7，并且光學(xué)邏輯單元形成在分別為電極3和4和對(duì)應(yīng)電極6，7之交點(diǎn)之間。在每層S之間和有可能還在器件上表面和下表面上，可以提供電的或者可能還為光的隔離層。為簡(jiǎn)單的緣故，圖12b所示的器件建議以立方體實(shí)現(xiàn)，具有5*5*5個(gè)光學(xué)邏輯單元，因此總共為125。層S1中光學(xué)邏輯單元OLE的擴(kuò)展示于圖12B并且可以對(duì)應(yīng)圖12a所示的光學(xué)邏輯單元OLE1，3。
由于每個(gè)光學(xué)邏輯單元是鄰近尋址的，即發(fā)射體和檢測(cè)器兩者已在靠近光敏有機(jī)材料提供和位于器件內(nèi)，僅有的實(shí)際問題是，m*n陣列應(yīng)當(dāng)包括多少單元以及多少層S應(yīng)當(dāng)互相堆積。
如果光學(xué)邏輯器件以圖11所示實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際的實(shí)施例中，可以包括大量的提供在兩維頁層中的邏輯單元。光學(xué)邏輯單元的大小將由于使用光學(xué)有源結(jié)構(gòu)受到限制，因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)設(shè)置為對(duì)于光學(xué)邏輯單元可以實(shí)現(xiàn)為多小的極限值。粗略地說，這意味著光學(xué)邏輯單元的面積將大約正比于波長(zhǎng)的平方λ2，存儲(chǔ)密度因此將反比于λ2，使得在1cm2的面積上，可以實(shí)現(xiàn)具有大約108個(gè)根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯單元的光學(xué)邏輯器件。
相反，如果光學(xué)邏輯器件是基于使用根據(jù)本發(fā)明的圖12a，b所示的鄰近可尋址光學(xué)邏輯單元，尺度因子上的唯一限制至少在理論上是光敏材料的分子大小和在發(fā)射體中域的可實(shí)現(xiàn)的最小程度。實(shí)際實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)前可以實(shí)現(xiàn)的光學(xué)邏輯單元具有數(shù)十個(gè)納米的尺度，并且對(duì)于發(fā)射體電極和檢測(cè)器為對(duì)應(yīng)小的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，使得可實(shí)現(xiàn)元件尺寸可以在2500nm2和10000nm2之間。最壞地說，這意味著每cm2有1010個(gè)光學(xué)邏輯單元并且可以用對(duì)應(yīng)層厚度來立體地實(shí)現(xiàn)，在1cm3中有可能獲得1015個(gè)鄰近尋址光學(xué)邏輯單元。還有可能取得一個(gè)量級(jí)大小的線性尺度的改善，因此在1cm3中有可能實(shí)現(xiàn)1018個(gè)根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)邏輯單元。為了給出這種光學(xué)邏輯器件存儲(chǔ)容量的指示，可以建議其對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)1013頁的普通書籍，這對(duì)于大多數(shù)文檔存儲(chǔ)是足夠了。
最后，應(yīng)當(dāng)注意，在本發(fā)明和作為例子在國(guó)際專利申請(qǐng)WO96/21228中所引用的現(xiàn)有技術(shù)之間有本質(zhì)差別，其中光敏有機(jī)材料即細(xì)菌視紫紅質(zhì)以體材料形式使用，例如在立方體形小容器中。這使得必須具有分頁操作用于訪問在細(xì)菌視紫紅質(zhì)中形成的相關(guān)頁，這再一次導(dǎo)致在前文中所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
在本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)之間及使用呈層狀結(jié)構(gòu)形式的細(xì)菌視紫紅質(zhì)間接產(chǎn)生的技術(shù)之間另一本質(zhì)差別是使用Q狀態(tài)作為尋址或?qū)懖僮鞯幕A(chǔ)。為這個(gè)目的，正如所述，光學(xué)邏輯器件是在制造過程中制備的，使得細(xì)菌視紫紅質(zhì)預(yù)先處于Q狀態(tài)。這在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)中具有深遠(yuǎn)的含義。首先，從bR態(tài)到Q態(tài)的轉(zhuǎn)變不構(gòu)成用于應(yīng)用的時(shí)間臨界因子，以及該過程是附加累積的。因此具有低強(qiáng)度的光可以用在制備中，除此而外，可以使用最小化的光發(fā)射二極管。與此相反，根據(jù)WO96/21228的寫過程使用bR態(tài)作為基礎(chǔ)，并且在從O到P狀態(tài)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)上滿足臨界時(shí)間窗口，這里有必要使用高強(qiáng)度的光，一般為激光，目的是引起顯著的轉(zhuǎn)移反應(yīng)。
第二，給出足夠強(qiáng)度的藍(lán)光光源，寫和讀操作可以非?？斓陌l(fā)生，因?yàn)檫@意味著是在分子狀態(tài)之間即對(duì)于從Q狀態(tài)到bR狀態(tài)的寫或者為了從bR狀態(tài)再初始化而擦Q狀態(tài)的光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變速率。結(jié)果避免了細(xì)菌視紫紅質(zhì)光致循環(huán)中其它狀態(tài)之間的慢的熱馳豫轉(zhuǎn)變。第三，讀操作不干擾分子的邏輯狀態(tài)，因此沒有必要有刷新程序。
即使參考使用細(xì)菌視紫紅質(zhì)作為光敏有機(jī)材料和使用細(xì)菌視紫紅質(zhì)光致循環(huán)中的狀態(tài)已經(jīng)基本上示例說明了本發(fā)明，當(dāng)然應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不限于使用細(xì)菌視紫紅質(zhì)或相關(guān)的化合物作為光敏有機(jī)材料，但是在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以等價(jià)地使用任何可以進(jìn)行光致循環(huán)并具有類似于細(xì)菌視紫紅質(zhì)之特性的其它光敏有機(jī)材料。
權(quán)利要求
1.多穩(wěn)態(tài)光學(xué)邏輯單元，包括光敏有機(jī)材料(1)，其能夠通過用一個(gè)或多個(gè)合適波長(zhǎng)的光的輻射進(jìn)行光致循環(huán)，其中除了物理基態(tài)之外，光致循環(huán)包括一個(gè)或多個(gè)亞穩(wěn)物理狀態(tài)，其中通過引起從一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)到另一亞穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變或通過引起從基態(tài)到亞穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變以及反之亦然，使邏輯單元的物理狀態(tài)在光致循環(huán)中變化，其中物理狀態(tài)設(shè)定為確定的邏輯值，并且其中邏輯單元物理狀態(tài)的改變引起其邏輯值的改變和通過尋址邏輯單元光學(xué)地用于寫、讀、存儲(chǔ)、擦除和指定邏輯值的轉(zhuǎn)換來進(jìn)行，特征在于在初始和尋址之前的邏輯單元處于預(yù)先產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)。
2.鄰近可尋址多穩(wěn)態(tài)光學(xué)邏輯單元，包括光敏有機(jī)材料(1)，其能夠通過用一個(gè)或多個(gè)合適波長(zhǎng)的光的輻射進(jìn)行光致循環(huán)，其中除了物理基態(tài)之外，光致循環(huán)包括一個(gè)或多個(gè)亞穩(wěn)物理狀態(tài)，其中通過引起從一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)到另一亞穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變或通過引起從基態(tài)到亞穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變以及反之亦然，使邏輯單元的物理狀態(tài)在光致循環(huán)中變化，其中物理狀態(tài)設(shè)定為確定的邏輯值，并且其中邏輯單元物理狀態(tài)的改變引起其邏輯值的改變和通過尋址邏輯單元光學(xué)地用于寫、讀、存儲(chǔ)、擦除和轉(zhuǎn)換指定的邏輯值來進(jìn)行，特征在于在初始和尋址之前的邏輯單元處于預(yù)先產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)，在于光敏有機(jī)材料(1)以基本上膜狀結(jié)構(gòu)或作為膜狀結(jié)構(gòu)提供和靠近該結(jié)構(gòu)或在該結(jié)構(gòu)中(1)至少彩色光源(2)被提供用于光敏有機(jī)材料的光學(xué)尋址和至少一種彩色敏感光學(xué)檢測(cè)器(5)用于光敏有機(jī)材料之物理/邏輯狀態(tài)的檢測(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的光學(xué)邏輯單元，特征在于初始亞穩(wěn)態(tài)是最靠近光致循環(huán)結(jié)束時(shí)之基態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的光學(xué)邏輯單元，特征在于光敏材料是蛋白質(zhì)分子或蛋白質(zhì)類的化合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的光學(xué)邏輯單元，特征在于蛋白質(zhì)是細(xì)菌視紫紅質(zhì)或相關(guān)的化合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的光學(xué)邏輯單元，特征在于初始亞穩(wěn)態(tài)是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的M狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的光學(xué)邏輯單元，特征在于初始亞穩(wěn)態(tài)是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的Q狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)邏輯單元，特征在于膜狀結(jié)構(gòu)包括光學(xué)透明材料的基體，和在于光敏材料(1)提供在基體中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的光學(xué)邏輯單元，特征在于基體是光學(xué)上透明的聚合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)邏輯單元，特征在于彩色光源(2)是波長(zhǎng)可調(diào)制的光源。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的光學(xué)邏輯單元，特征在于波長(zhǎng)可調(diào)制的光源(2)是光發(fā)射聚合物二極管，波長(zhǎng)調(diào)制是通過控制二極管的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行的。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)邏輯單元，其中提供了超過一種彩色光源(2)，特征在于彩色光源(2)被調(diào)制到分別對(duì)應(yīng)于光敏材料光致循環(huán)中基態(tài)和一個(gè)或多個(gè)亞穩(wěn)態(tài)之激發(fā)波長(zhǎng)或吸收帶的波長(zhǎng)或功率帶寬。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)邏輯單元，特征在于彩色敏感光檢測(cè)器(5)是多光譜光檢測(cè)器。
14.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)邏輯單元，特征在于彩色敏感光檢測(cè)器(5)是光吸收聚合物二極管。
15.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)邏輯單元，其中提供了超過一個(gè)彩色敏感光檢測(cè)器，特征在于檢測(cè)器被調(diào)制到分別對(duì)應(yīng)于光致循環(huán)中基態(tài)和一個(gè)或多個(gè)亞穩(wěn)態(tài)之激發(fā)波長(zhǎng)或吸收帶的波長(zhǎng)或帶寬。
16.一種制備光敏有機(jī)材料的方法，該光敏有機(jī)材料通過用一個(gè)或多個(gè)合適波長(zhǎng)的光的輻射能夠進(jìn)行光致循環(huán)，其中除了物理基態(tài)之外，該光致循環(huán)包括一個(gè)或多個(gè)亞穩(wěn)物理狀態(tài)，其中光敏有機(jī)材料用作為根據(jù)權(quán)利要求1或2的多穩(wěn)態(tài)邏輯單元中的可轉(zhuǎn)換或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體，其中該方法的特征在于用起始光致循環(huán)并在光致循環(huán)中產(chǎn)生希望初始亞穩(wěn)態(tài)的功率帶寬或波長(zhǎng)的光來輻射處于基態(tài)的光敏有機(jī)材料，所述初始亞穩(wěn)態(tài)對(duì)于邏輯單元指定為確定的邏輯值。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中光敏有機(jī)材料是細(xì)菌視紫紅質(zhì)，特征在于細(xì)菌視紫紅質(zhì)的M狀態(tài)被產(chǎn)生作為希望的初始亞穩(wěn)態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，特征在于光致循環(huán)被初始化，通過用對(duì)應(yīng)基態(tài)bR吸收帶的功率帶寬的光或者用對(duì)應(yīng)基態(tài)bR激發(fā)波長(zhǎng)的波長(zhǎng)的光輻射細(xì)菌視紫紅質(zhì)產(chǎn)生M狀態(tài)，當(dāng)很大部分細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子已到達(dá)M狀態(tài)時(shí)結(jié)束輻射。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中光敏有機(jī)材料是細(xì)菌視紫紅質(zhì)，特征在于細(xì)菌視紫紅質(zhì)的Q狀態(tài)產(chǎn)生作為希望的初始亞穩(wěn)態(tài)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，特征在于光致循環(huán)被初始化，通過用基本上對(duì)應(yīng)細(xì)菌視紫紅質(zhì)基態(tài)bR和O狀態(tài)之吸收帶的功率帶寬的光輻射細(xì)菌視紫紅質(zhì)產(chǎn)生Q狀態(tài)，輻射繼續(xù)直到很大部分細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子已到達(dá)Q狀態(tài)時(shí)為止。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，特征在于光致循環(huán)被初始化，通過用兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光輻射細(xì)菌視紫紅質(zhì)產(chǎn)生Q狀態(tài)，第一波長(zhǎng)基本上對(duì)應(yīng)細(xì)菌視紫紅質(zhì)基態(tài)bR激發(fā)波長(zhǎng)，第二波長(zhǎng)基本上對(duì)應(yīng)細(xì)菌視紫紅質(zhì)O狀態(tài)激發(fā)波長(zhǎng)，輻射繼續(xù)直到很大部分細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子已到達(dá)Q狀態(tài)時(shí)為止。
22.一種用于根據(jù)權(quán)利要求1或2光學(xué)邏輯單元之光學(xué)尋址的方法，具有根據(jù)權(quán)利要求15方法制備的光敏有機(jī)材料，使得光學(xué)邏輯單元處于初始亞穩(wěn)態(tài)，其中光學(xué)尋址包括寫、讀、存儲(chǔ)、擦除和轉(zhuǎn)換指定到光學(xué)邏輯單元之邏輯值，并且其中該方法的特征在于a)寫和存儲(chǔ)步驟包括如果在前面的狀態(tài)中指定的邏輯值將被改變到指定為其它亞穩(wěn)態(tài)或基態(tài)的邏輯值，引起初始亞穩(wěn)態(tài)到另一亞穩(wěn)態(tài)或到基態(tài)的轉(zhuǎn)變，并且在相反的情況下保持該亞穩(wěn)態(tài)不變，b)讀步驟包括為了確定指定的邏輯值，檢測(cè)光學(xué)邏輯單元實(shí)際狀態(tài)的實(shí)際狀態(tài)，c)擦除步驟包括如果光學(xué)邏輯單元處于基狀態(tài)，通過再次啟動(dòng)將光學(xué)邏輯單元轉(zhuǎn)變返回到亞穩(wěn)態(tài)的光致循環(huán)，引起從基態(tài)的轉(zhuǎn)變，或者如果光學(xué)邏輯單元已經(jīng)處于初始亞穩(wěn)態(tài)，保持后者不變，或者如果光學(xué)邏輯單元處于另一亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)并返回到初始亞穩(wěn)態(tài)，引起從另一亞穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變，或者首先轉(zhuǎn)變返回到基態(tài)用于此后啟動(dòng)將光學(xué)邏輯單元轉(zhuǎn)變返回到初始亞穩(wěn)態(tài)的光致循環(huán)，或者在沒有通過基態(tài)的情況下直接轉(zhuǎn)變到初始亞穩(wěn)態(tài)。d)以及轉(zhuǎn)換步驟包括隨著另一狀態(tài)的檢測(cè)的同時(shí)或之后立即，引起從當(dāng)前狀態(tài)到另一狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，特征在于寫和存儲(chǔ)步驟中從一狀態(tài)到另一狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是通過用被分別調(diào)制到初始亞穩(wěn)態(tài)之吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)的功率帶寬或波長(zhǎng)的光輻射引起的。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中光敏有機(jī)材料是細(xì)菌視紫紅質(zhì)，初始亞穩(wěn)態(tài)是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的Q狀態(tài)，特征在于功率帶寬或波長(zhǎng)被分別調(diào)制到Q狀態(tài)的吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，特征在于讀步驟中用于確定指定邏輯值的光學(xué)邏輯單元實(shí)際狀態(tài)的檢測(cè)是通過用被分別調(diào)制到基態(tài)之吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)的功率帶寬或波長(zhǎng)的光輻射引起的，吸收是通過被調(diào)制到吸收帶的檢測(cè)器檢測(cè)的。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中光敏有機(jī)材料是細(xì)菌視紫紅質(zhì)，特征在于功率帶寬或波長(zhǎng)被分別調(diào)制到細(xì)菌視紫紅質(zhì)基態(tài)bR的吸收帶和/或激發(fā)波長(zhǎng)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，特征在于輻射是以如此低的強(qiáng)度或如此短的持續(xù)時(shí)間之脈沖發(fā)生，使得來自基態(tài)bR的光致循環(huán)基本上未啟動(dòng)。
28.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，特征在于擦除步驟中從基態(tài)到初始亞穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變是受到用被分別調(diào)制到基態(tài)之吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)的功率帶寬或波長(zhǎng)的光的連續(xù)輻射作用，使得光致循環(huán)被再一次啟動(dòng)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中光敏材料是細(xì)菌視紫紅質(zhì)，初始亞穩(wěn)態(tài)是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的Q狀態(tài)，特征在于功率帶寬或波長(zhǎng)被分別調(diào)制到細(xì)菌視紫紅質(zhì)基態(tài)bR和細(xì)菌視紫紅質(zhì)O狀態(tài)的吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，特征在于輻射是連續(xù)地或者以足夠強(qiáng)度或長(zhǎng)度之脈沖發(fā)生的，使得將處于細(xì)菌視紫紅質(zhì)基態(tài)bR的很大部分分子轉(zhuǎn)變到Q狀態(tài)。
31.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，特征在于在轉(zhuǎn)換步驟中從當(dāng)前狀態(tài)到另一狀態(tài)并且同時(shí)或立即跟隨著第二狀態(tài)檢測(cè)的轉(zhuǎn)變分別是由用被調(diào)制到當(dāng)前狀態(tài)之吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)的功率帶寬或波長(zhǎng)的光的輻射和用被調(diào)制到第二狀態(tài)之吸收帶的功率帶寬或波長(zhǎng)的光的輻射引起的，在所述第二狀態(tài)中光的吸收是由被調(diào)制到該吸收帶的檢測(cè)器檢測(cè)的。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中光敏材料是細(xì)菌視紫紅質(zhì)，其中第一狀態(tài)是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的亞穩(wěn)態(tài)M或Q之一，第二狀態(tài)是細(xì)菌視紫紅質(zhì)的基態(tài)bR，或者第一狀態(tài)是基態(tài)bR，第二狀態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)M或Q之一，或者第一狀態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)Q，第二狀態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)M，或者第一狀態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)M，第二狀態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)Q，特征在于a)從M狀態(tài)或Q狀態(tài)到基態(tài)bR的轉(zhuǎn)變是通過用被調(diào)制到M或Q的吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)的光的輻射引起的，bR的檢測(cè)是用被調(diào)制到bR吸收帶的光進(jìn)行的，b)從基態(tài)bR到M狀態(tài)或到Q狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是用分別被調(diào)制到細(xì)菌視紫紅質(zhì)bR和O狀態(tài)的吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)的光的輻射引起的，當(dāng)很大部分處于bR的分子已經(jīng)到達(dá)M時(shí)輻射結(jié)束，或者輻射繼續(xù)直到很大部分處于bR的分子已經(jīng)到達(dá)Q為止，M或Q的檢測(cè)是用被調(diào)制到分別為M或Q之吸收帶的光進(jìn)行的，c)從Q狀態(tài)到M狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是通過用被調(diào)制到Q的吸收帶和激發(fā)波長(zhǎng)的光的輻射引起的，使得Q轉(zhuǎn)變到基態(tài)bR，之后新的光致循環(huán)通過用被調(diào)制到bR的吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)的光的輻射啟動(dòng)，當(dāng)很大部分處于bR的分子已經(jīng)到達(dá)M時(shí)輻射中斷，M的檢測(cè)是用被調(diào)制到M之吸收帶的光進(jìn)行的，d)從M狀態(tài)到Q狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是通過I)用被調(diào)制到M的吸收帶或激發(fā)波長(zhǎng)的光的輻射直到M狀態(tài)的分子基本上已經(jīng)轉(zhuǎn)變到基態(tài)bR和通過用被分別調(diào)制到bR和在光致循環(huán)中隨M之后的O狀態(tài)的吸收帶的或者基態(tài)bR和O狀態(tài)激發(fā)波長(zhǎng)的光的連續(xù)輻射引起的，輻射繼續(xù)直到很大部分處于bR的分子已經(jīng)到達(dá)Q時(shí)為止，或者II)通過用被分別調(diào)制到在光致循環(huán)中隨M之后的O狀態(tài)的吸收帶或者激發(fā)波長(zhǎng)的光的輻射引起的，輻射繼續(xù)直到處于M態(tài)的分子已經(jīng)基本上到達(dá)Q時(shí)為止，在任何情況下，檢測(cè)是用被調(diào)制到Q之吸收帶的光進(jìn)行的。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，特征在于檢測(cè)是用足夠低強(qiáng)度或足夠短持續(xù)時(shí)間的光脈沖進(jìn)行的，使得處于該狀態(tài)的將被檢測(cè)的分子基本上保持在該狀態(tài)。
34.根據(jù)權(quán)利要求1或2的多穩(wěn)態(tài)光學(xué)邏輯單元的使用，和在用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的光學(xué)邏輯器件中根據(jù)權(quán)利要求21的多穩(wěn)態(tài)光學(xué)邏輯單元之光學(xué)尋址的方法的使用。
全文摘要
在多穩(wěn)態(tài)光學(xué)邏輯單元中,具有光敏有機(jī)材料(1),其通過用光輻射能夠進(jìn)行具有幾個(gè)物理狀態(tài)的光致循環(huán),其中物理狀態(tài)被指定為能夠通過光學(xué)尋址單元而改變的邏輯值,尋址開始之前的單元處于預(yù)先產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)。通過提供至少彩色光源(1)用于光學(xué)尋址和至少一個(gè)彩色敏感光檢測(cè)器(5)靠近光敏材料,已將多穩(wěn)態(tài)光學(xué)邏輯單元做成可鄰近尋址的。在用于制備光敏材料(1)的方法中,希望的初始亞穩(wěn)態(tài)在光致循環(huán)中產(chǎn)生并為單元指定了確定的邏輯值。在用于光學(xué)邏輯單元光學(xué)尋址的方法中,用于分別寫和存儲(chǔ)、讀、擦和轉(zhuǎn)換的步驟包括產(chǎn)生光致循環(huán)中狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變和狀態(tài)的檢測(cè)。在用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的光學(xué)邏輯器件中的使用。
文檔編號(hào)G11C13/02GK1265746SQ98807929
公開日2000年9月6日 申請(qǐng)日期1998年6月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月6日
發(fā)明者H·G·古德森, G·I·萊斯塔德, P·E·諾爾達(dá)爾 申請(qǐng)人:薄膜電子有限公司