ОПТИ́ЧЕСКИЙ КОМПЬЮ́ТЕР

ОПТИ́ЧЕСКИЙ КОМПЬЮ́ТЕР, про­грамм­но управ­ляе­мое уст­рой­ст­во для об­ра­бот­ки, хра­не­ния и пе­ре­да­чи ин­фор­ма­ции, в ко­то­ром осн. но­си­те­лем ин­фор­ма­ции яв­ля­ет­ся оп­ти­че­ское из­лу­че­ние. По срав­не­нию с элек­трич. сиг­на­ла­ми оп­ти­че­ское из­лу­че­ние име­ет ряд пре­иму­ществ бла­го­да­ря сле­дую­щим свой­ст­вам: 1) про­пу­ск­ная спо­соб­ность ин­фор­мац. ка­на­ла, обус­лов­лен­ная час­то­той оп­тич. из­лу­че­ния (10¹²–10¹⁶ Гц), мо­жет со­став­лять сот­ни Тбит/с; 2) пе­ре­да­ча ин­фор­ма­ции про­ис­хо­дит со ско­ро­стью све­та; 3) в ли­ней­ной сре­де све­то­вые пуч­ки рас­про­стра­ня­ют­ся не­за­ви­си­мо друг от дру­га; 4) ин­фор­ма­цию мож­но ко­ди­ро­вать по­сред­ст­вом час­тот­ных, фа­зо­вых, ам­пли­туд­ных, по­ля­ри­за­ци­он­ных и вре­менны́х пе­ре­мен­ных элек­трич. по­ля све­то­вой вол­ны; 5) све­то­вые по­ля мо­гут быть дву­мер­ны­ми (изо­бра­же­ния) или трёх­мер­ны­ми (го­ло­грам­мы); 6) не­чув­ст­ви­тель­ность к элек­тро­маг­нит­ным по­ме­хам. В пол­но­стью оп­тиче­ском ком­пь­ю­те­ре элек­трон­ные схе­мы и про­во­да бу­дут за­ме­не­ны мик­ро­ла­зе­ра­ми, вол­но­во­да­ми, фо­тон­но-кри­стал­лич. струк­ту­ра­ми и др. эле­мен­та­ми на­но­фо­то­ни­ки, ко­то­рые сде­ла­ют его зна­чи­тель­но ме­нее за­трат­ным энер­ге­ти­че­ски, бо­лее лёг­ким и ком­пакт­ным и, по оцен­кам, позво­лят уве­ли­чить ско­рость вы­чис­ле­ний на 7 по­ряд­ков.

К осн. ком­по­нен­там О. к. мож­но от­нести пол­но­стью оп­ти­че­ские ло­гич. вен­ти­ли, сум­ма­то­ры, про­цес­со­ры, сис­те­мы хра­не­ния ин­фор­ма­ции, меж­со­еди­не­ния и мо­ду­ля­то­ры, ко­то­рые фор­ми­ру­ют, пе­ре­да­ют, пре­об­ра­зу­ют ин­фор­ма­ци­он­ные и управ­ляю­щие све­то­вые по­то­ки и осу­ще­ст­в­ля­ют др. опе­ра­ции над ни­ми. На 2013 дос­та­точ­но хо­ро­шо раз­ра­бо­та­ны отд. ком­по­нен­ты О. к., од­на­ко пол­но­стью он по­ка не реа­ли­зо­ван. Су­ще­ст­ву­ют оп­то­элек­трон­ные сис­те­мы с оп­тич. ядром об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции, ко­то­рые, тем не ме­нее, на­зы­ва­ют оп­тич. ком­пь­ю­те­ра­ми.

Ис­то­ри­че­ски пер­вы­ми оп­тич. уст­рой­ст­ва­ми об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции ста­ли оп­тич. про­цес­со­ры, ис­поль­зо­вав­шие ана­ло­го­вые ме­то­ды. В 1984 Б. Джен­кинс и др. (США) про­де­мон­ст­ри­ро­ва­ли пер­вый циф­ро­вой оп­тич. про­цес­сор, ос­но­ван­ный на прин­ци­пах би­нар­ной ло­ги­ки и вы­пол­няв­ший дос­та­точ­но слож­ную по­сле­до­ва­тель­ность опе­ра­ций. В 1990 ком­па­ния «Bell Labs» (США) соз­да­ла ма­кет про­цес­со­ра на ос­но­ве дву­мер­ных мат­риц из бис­та­биль­ных оп­то­элек­трон­ных эле­мен­тов раз­мер­но­стью 4 × 8. Для од­но­врем. ра­бо­ты всех эле­мен­тов мат­ри­ца ос­ве­ща­лась из­лу­че­ни­ем по­лу­про­вод­ни­ко­во­го ла­зе­ра че­рез го­ло­гра­фич. ре­шёт­ку, фор­ми­ро­вав­шую 32 све­то­вых пуч­ка с прак­ти­че­ски оди­на­ко­вой ин­тен­сив­но­стью. Про­цес­сор со­сто­ял из че­ты­рёх оп­тич. мо­ду­лей, объ­еди­нён­ных в коль­цо; в ка­ж­дом на­хо­дились мат­ри­ца, 2 по­лу­про­вод­ни­ко­вых ла­зе­ра и 2 про­стран­ст­вен­ные мас­ки для обес­пе­че­ния свя­зей ме­ж­ду эле­мен­та­ми про­цес­со­ра. Сис­те­ма име­ла сле­дую­щие па­ра­мет­ры: раз­ряд­ность 32 би­та; так­то­вая час­то­та 1,1 МГц, ско­рость пе­ре­да­чи дан­ных 40 Мбит/с. При этом ве­ли­чи­на энер­гии на од­но пе­ре­клю­че­ние со­став­ля­ла все­го лишь 2·10^–14 Дж, что бы­ло на 6 по­ряд­ков мень­ше ве­ли­чи­ны энер­гии пе­ре­клю­че­ния в элек­трон­ных ком­пь­ю­те­рах то­го вре­ме­ни. В 1991 П. Гил­фойл и др. (США) пред­ста­ви­ли ком­пь­ю­тер DOC-II (Digital Optical Com­puter), в ко­то­ром ана­ло­гич­но пер­вым ана­ло­го­вым О. к. ис­поль­зо­ван прин­цип оп­тич. век­тор­но-мат­рич­но­го ум­но­же­ния, од­на­ко зна­че­ния век­то­ра и мат­ри­цы в DOC-II яв­ля­лись ло­гич. бу­лев­ски­ми ве­ли­чи­на­ми. Век­тор фор­ми­ро­вал­ся из­лу­че­ни­ем 64 ла­зер­ных дио­дов; мат­ри­ца пред­став­ля­ла со­бой про­стран­ст­вен­ный мо­ду­ля­тор све­та из 64 × 128 ка­на­лов на ос­но­ве аку­сто­оп­тич. брэг­гов­ских яче­ек из GaP. Ско­рость пе­ре­да­чи дан­ных в DOC-II со­став­ля­ла 100 Мбит/с, час­то­та пе­ре­клю­че­ний – по­ряд­ка 10¹² с^–1 при ис­поль­зо­ва­нии 64 па­рал­лель­ных ка­на­лов, энер­гия на од­но пе­ре­клю­че­ние со­став­ля­ла 7,15·10^–15 Дж (ок. 30 тыс. фо­то­нов).

В 2003 поя­вил­ся пер­вый ком­мерч. сиг­наль­ный про­цес­сор с оп­тич. ядром – «En­Light 256». Он про­из­во­дит 8·10¹² опе­ра­ций с 8-би­то­вы­ми чис­ла­ми в се­кун­ду: за 1 такт (8 нс) оп­тич. яд­ро осу­ще­ст­в­ля­ет ум­но­же­ние век­то­ра из 256 8-би­то­вых чи­сел на 8-би­то­вую мат­ри­цу раз­мер­но­стью 256 × 256. Оп­тич. яд­ро вклю­ча­ет: ли­ней­ку из 256 вер­ти­каль­но-из­лу­чаю­щих ла­зе­ров; мат­ри­цу из 256 × 256 ин­те­граль­но-оп­тич. про­стран­ст­вен­ных мо­ду­ля­то­ров на ос­но­ве по­лу­про­вод­ни­ко­вых струк­тур GaAs/GaAlAs, ра­бо­таю­щих на от­ра­же­ние; ли­ней­ку из 256 фо­то­при­ём­ни­ков, ко­то­рые ин­тег­ри­ро­ва­ны в мас­сив ана­ло­го­во-све­то­во­го пре­об­ра­зо­ва­ния; две оп­тич. сис­те­мы, пе­ре­но­ся­щие изо­бра­же­ние из­лу­че­ния ла­зе­ров на мат­ри­цу, а от­ра­жён­но­го из­лу­че­ния – на ли­ней­ку фо­то­при­ём­ни­ков. Вы­пол­не­ние опе­ра­ций в оп­тич. циф­ро­вом сиг­наль­ном про­цес­со­ре за­клю­ча­ет­ся в из­ме­не­нии зна­че­ний про­пус­ка­ния яче­ек про­стран­ст­вен­но­го мо­ду­ля­то­ра. «EnLight 256» спо­со­бен в ре­аль­ном вре­ме­ни об­ра­ба­ты­вать до 15 ви­део­ка­на­лов стан­дар­та HDTV, мо­жет ис­поль­зо­вать­ся для рас­по­зна­ва­ния го­ло­са, че­ло­ве­че­ских лиц, об­ра­бот­ки изо­бра­же­ний и т. д.

Наи­бо­лее ре­аль­но по­яв­ле­ние пол­но­стью оп­тич. ком­пь­ю­те­ров на ос­но­ве фо­тон­но-кри­стал­лич. струк­тур, по­сколь­ку на их ос­но­ве уже соз­да­ны це­пи (по­доб­ные элек­трон­ным) для управ­ле­ния све­то­вы­ми по­то­ка­ми, ла­зер­ные ис­точ­ни­ки и оп­тич. вен­ти­ли; их так­же мож­но ин­тег­ри­ро­вать на отд. оп­тич. чи­пе.