оптический логический элемент и способы его соответствующего изготовления и оптической адресации, а также его использование в оптическом логическом устройстве

Формула изобретения

1. Мультистабильный оптический логический элемент, содержащий светочувствительный органический материал (1), который может подвергнуться фотохимическому циклу при облучении светом одной или более подходящих длин волн, в котором фотохимический цикл в дополнение к физическому основному состоянию содержит одно или более метастабильных физических состояний, в котором физическое состояние логического элемента изменяется в фотохимическом цикле посредством возбуждения перехода из одного метастабильного состояния в другое метастабильное состояние, или посредством возбуждения перехода из основного состояния в метастабильное состояние и наоборот, в котором физическому состоянию присваивается определенное логическое значение, и в котором изменение физического состояния логического элемента вызывает изменение его логического значения и происходит посредством оптической адресации логического элемента при записи, считывании, сохранении, стирании и переключении присвоенного логического значения, отличающийся тем, что логический элемент в исходном состоянии, а также перед тем как к нему происходит адресация, находится в метастабильном состоянии, созданном заранее, со значительной долей молекулярной заселенности упомянутого органического материала в упомянутом метастабильном состоянии.

2. Мультистабильный оптический логический элемент, который является непосредственно адресуемым с помощью адресации, происходящей к нему через оптические излучатели и детекторы непосредственно без вмешательства активных оптических средств, содержащий светочувствительный органический материал (1), который может подвергнуться фотохимическому циклу при облучении светом одной или более подходящих длин волн, в котором фотохимический цикл в дополнение к физическому основному состоянию содержит одно или более метастабильных физических состояний, в котором физическое состояние логического элемента изменяется в фотохимическом цикле посредством возбуждения перехода из одного метастабильного состояния в другое метастабильное состояние, или посредством возбуждения перехода из основного состояния в метастабильное состояние и наоборот, в котором физическому состоянию присваивается определенное логическое значение, и в котором изменение физического состояния логического элемента вызывает изменение его логического значения и происходит посредством оптической адресации логического элемента при записи, считывании, сохранении, стирании и переключении присвоенного логического значения, отличающийся тем, что логический элемент в исходном состоянии, а также перед тем как к нему происходит адресация, находится в метастабильном состоянии, созданном заранее, со значительной долей молекулярной заселенности упомянутого органического материала в упомянутом метастабильном состоянии, тем, что светочувствительный органический материал (1) обеспечен в структуре, подобной пленке, и тем, что в структуре, подобной пленке или в непосредственной близости от нее, предусмотрен по меньшей мере один источник (2) хроматического света для оптической адресации светочувствительного органического материала, и по меньшей мере один светочувствительный оптический детектор (5) для детектирования физического/логического состояния светочувствительного органического материала.

3. Оптический логический элемент по любому из п. 1 или 2, отличающийся тем, что этим исходным метастабильным состоянием является метастабильное состояние, которое наиболее близко к основному состоянию в конце фотохимического цикла.

4. Оптический логический элемент по любому из п. 1 или 2, отличающийся тем, что светочувствительным материалом являются молекулы протеина или соединения, подобного протеину.

5. Оптический логический элемент по п. 4, отличающийся тем, что протеином является бактериородопсин или относящееся к нему соединение.

6. Оптический логический элемент по п. 5, отличающийся тем, что исходным метастабильным состоянием является состояние М бактериородопсина.

7. Оптический логический элемент по п. 5, отличающийся тем, что исходным метастабильным состоянием является состояние Q бактериородопсина.

8. Оптический логический элемент по п. 2, отличающийся тем, что структура, подобная пленке, содержит матрицу оптически прозрачного материала, и что светочувствительный материал (1) обеспечивается в матрице.

9. Оптический логический элемент по п. 8, отличающийся тем, что матрица представляет собой оптически прозрачный полимер.

10. Оптический логический элемент по п. 2, отличающийся тем, что источником (2) хроматического цвета является источник света с перестраиваемой длиной волны.

11. Оптический логический элемент по п. 10, отличающийся тем, что источником (2) света с перестраиваемой длиной волны является светоизлучающий полимерный диод, причем перестройка длины волны излучения осуществляется посредством управления напряжением возбуждения диода.

12. Оптический логический элемент по п. 2, в котором обеспечивается более одного источника (2) хроматического цвета, отличающийся тем, что источники (2) хроматического цвета настраиваются на длины волн или спектральные полосы мощности, которые соответственно согласуются с длинами волн возбуждения или с полосами поглощения основного состояния, а также с одним или более метастабильными состояниями фотохимического цикла светочувствительного материала.

13. Оптический логический элемент по п. 2, отличающийся тем, что светочувствительным оптическим детектором (5) является мультиспектральный оптический детектор.

14. Оптический логический элемент по п. 2, отличающийся тем, что светочувствительным оптическим детектором (5) является светопоглощающий полимерный диод.

15. Оптический логический элемент по п. 2, в котором обеспечивается более одного светочувствительного оптического детектора, отличающийся тем, что детекторы настраиваются на длины волн или спектральные полосы, которые соответственно согласуются с длинами волн возбуждения или с полосами поглощения основного состояния, а также с одним или более метастабильным состоянием фотохимического цикла.

16. Способ изготовления светочувствительного органического материала, который может подвергнуться фотохимическому циклу при облучении светом одной или более подходящих длин волн, в котором фотохимический цикл в дополнение к основному физическому состоянию содержит одно или более метастабильных физических состояний, в котором светочувствительный органический материал используется в качестве переключаемого носителя или носителя данных в мультистабильном логическом элементе по п. 1 или 2, отличающийся тем, что облучают светочувствительный органический материал в основном состоянии светом со спектральной полосой мощности или длиной волны, которая инициирует фотохимический цикл и создает желательное исходное метастабильное состояние в фотохимическом цикле посредством упомянутого облучения, происходящего в течение достаточно длительного времени, для того, чтобы заставить значительную долю молекулярной заселенности органического материала перейти в упомянутое исходное метастабильное состояние, причем упомянутое исходное метастабильное состояние присваивается определенному логическому значению логического элемента.

17. Способ по п. 16, в котором светочувствительным органическим материалом является бактериородопсин, отличающийся тем, что состояние М бактериородопсина создают как желательное исходное метастабильное состояние.

18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что фотохимический цикл инициируют и состояние М создают посредством облучения бактериородопсина светом со спектральной полосой мощности, которая соответствует полосе поглощения основного состояния bR, или светом с длиной волны, которая соответствует длине волны возбуждения основного состояния bR, причем облучение заканчивают, когда значительная доля молекул бактериородопсина достигла состояния М.

19. Способ по п. 16, в котором светочувствительным органическим материалом является бактериородопсин, отличающийся тем, что состояние Q бактериородопсина создают как желательное исходное метастабильное состояние.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что фотохимический цикл инициируют и состояние Q создают посредством облучения бактериородопсина светом со спектральной полосой мощности, которая в значительной степени соответствует полосе поглощения основного состояния bR и состояния О бактериородопсина, причем упомянутое облучение продолжают до того момента, когда значительная доля молекул бактериородопсина достигает состояния Q.

21. Способ по п. 19, отличающийся тем, что фотохимический цикл инициируют и состояние Q создают посредством облучения бактериородопсина светом двух различных длин волн, причем первая длина волны в значительной степени соответствует длине волны возбуждения основного состояния bR бактериородопсина, и вторая длина волны в значительной степени соответствует длине волны возбуждения состояния О бактериородопсина, причем упомянутое облучение продолжают до того момента, когда значительная доля молекул бактериородопсина достигает состояния Q.

22. Способ оптической адресации оптического логического элемента по п. 1 или 2, со светочувствительным органическим материалом, изготовленным по способу по п. 16, такой, что оптический логический элемент находится в исходном метастабильном состоянии, в котором оптическая адресация содержит шаги записи, считывания, сохранения, стирания и переключения логического значения, присвоенного оптическому логическому элементу, отличающийся тем, что он включает в себя (а) шаг записи и сохранения, содержащий возбуждение перехода из исходного метастабильного состояния в другое метастабильное состояние или в основное состояние, если логическое значение, присвоенное в предыдущем состоянии, должно быть изменено на логическое значение, присвоенное другому метастабильному состоянию или основному состоянию, а в противоположном случае - сохранение неизменным исходного метастабильного состояния; (б) шаг считывания, содержащий детектирование фактического состояния оптического логического элемента для того, чтобы определить присвоенное логическое значение; (в) шаг стирания, содержащий возбуждение перехода из основного состояния, если оптический логический элемент находится в этом состоянии, еще раз инициируя фотохимический цикл, который переключает оптический логический элемент обратно в метастабильное состояние, или, если оптический логический элемент уже находится в исходном метастабильном состоянии, сохранение последнего неизменным, или возбуждение перехода из другого метастабильного состояния, если оптический логический элемент находится в этом состоянии, и обратно в исходное метастабильное состояние, либо сначала обратно в основное состояние, для того, чтобы затем инициировать фотохимический цикл, который переключает оптический логический элемент обратно в исходное метастабильное состояние, либо, без прохождения через основное состояние, непосредственно к исходному метастабильному состоянию; и (г) шаг переключения, содержащий возбуждение перехода из текущего состояния в другое состояние с одновременным или немедленным последующим детектированием другого состояния.

23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что переход из одного состояния в другое состояние на шаге записи и сохранения возбуждается посредством облучения светом со спектральной полосой мощности или длиной волны, которые настраиваются соответственно на полосу поглощения или длину волны возбуждения исходного метастабильного состояния.

24. Способ по п. 23, в котором светочувствительным органическим материалом является бактериородопсин, и исходным метастабильным состоянием является состояние Q бактериородопсина, отличающийся тем, что спектральную полосу мощности или длину волны настраивают соответственно на полосу поглощения или длину волны возбуждения состояния Q.

25. Способ по п. 22, отличающийся тем, что детектирование действительного состояния оптического логического элемента для определения присвоенного логического значения на шаге считывания возбуждают посредством облучения светом на спектральной полосе мощности или длине волны, которые настраивают соответственно на полосу поглощения или длину волны возбуждения основного состояния, причем поглощение детектируется детектором, настроенным на полосу поглощения.

26. Способ по п. 25, в котором светочувствительным органическим материалом является бактериородопсин, отличающийся тем, что спектральную полосу мощности или длину волны настраивают соответственно на полосу поглощения и/или длину волны возбуждения основного состояния bR бактериородопсина.

27. Способ по п. 26, отличающийся тем, что облучение осуществляют с помощью импульса с интенсивностью настолько низкой или с длительностью настолько короткой, что фотохимический цикл из основного состояния bR по существу, не инициируется.

28. Способ по п. 22, отличающийся тем, что переход из основного состояния в исходное метастабильное состояние на шаге стирания производят посредством непрерывного облучения светом со спектральной полосой мощности или длиной волны, которые настраивают соответственно на полосу поглощения или длину волны возбуждения основного состояния таким образом, что фотохимический цикл инициируется еще раз.

29. Способ по п. 28, в котором светочувствительным органическим материалом является бактериородопсин, и исходным метастабильным состоянием является состояние Q бактериородопсина, отличающийся тем, что спектральную полосу мощности или длину волны настраивают соответственно на полосы поглощения или длины волны возбуждения основного состояния bR бактериородопсина и состояния О бактериородопсина.

30. Способ по п. 29, отличающийся тем, что облучение осуществляют непрерывно или импульсами с интенсивностью или длительностью, достаточными для того, чтобы переместить значительную долю молекул из основного состояния бактериородопсина в состояние Q.

31. Способ по п. 22, отличающийся тем, что переход из текущего состояния в другое состояние с одновременным или немедленным последующим детектированием второго состояния на шаге переключения возбуждают соответственно посредством облучения светом на спектральной полосе мощности или длине волны, которые настраивают соответственно на полосу поглощения или длину волны возбуждения текущего состояния, и посредством облучения светом на спектральной полосе мощности или длине волны, которые настраивают соответственно на полосу поглощения второго состояния, причем поглощение света в упомянутом втором состоянии детектируется детектором, настроенным на эту полосу поглощения.

32. Способ по п. 31, в котором светочувствительным органическим материалом является бактериородопсин, в котором первым состоянием является либо одно из метастабильных состояний М или Q бактериородопсина и вторым состоянием является основное состояние bR бактериородопсина, либо первым состоянием является основное состояние bR и вторым состоянием является одно из метастабильных состояний М или Q, либо первым состоянием является метастабильное состояние Q, а вторым состоянием является метастабильное состояние М, либо первым состоянием является метастабильное состояние М, а вторым состоянием является метастабильное состояние Q, отличающийся тем, что а) переход из состояния М или Q в основное состояние bR возбуждают посредством облучения светом, настроенным на полосу поглощения или длину волны возбуждения состояний М или Q, а детектирование состояния bR осуществляют со светом, настроенным на полосу поглощения состояния bR, б) переход из основного состояния bR в состояние М или в состояние Q возбуждают посредством облучения светом, соответственно настроенным на полосу поглощения или длину волны возбуждения bR, настроенным на полосы поглощения или длины волн возбуждения для состояния bR и состояния О бактериородопсина, причем облучение соответственно заканчивают, когда значительная доля молекул, находящихся в состоянии bR, достигла состояния М, или продолжают до того момента, когда значительная доля молекул, находящихся в состоянии bR, достигнет состояния Q, а детектирование состояний М или Q осуществляют со светом, настроенным на полосу поглощения для состояний М или Q, соответственно, в) переход из состояния Q в состояние М возбуждают посредством облучения светом, настроенным на полосу поглощения и длину волны возбуждения состояния Q, таким образом, что состояние Q переходит в основное состояние bR, после чего новый фотохимический цикл инициируют посредством облучения светом, настроенным на полосу поглощения или длину волны возбуждения bR, причем облучение прерывают, когда значительная доля молекул, находящихся в состоянии bR, достигает состояния М, и детектирование состояния М осуществляют со светом, настроенным на полосу поглощения состояния М, и г) переход из состояния М в состояние Q, возбуждаемый I) посредством облучения светом, настроенным на полосу поглощения или длину волны возбуждения М, до того момента, когда молекулы, находящиеся в состоянии М, в основном перешли в состояние bR, и, посредством последующего облучения светом, соответственно настроенным на полосы поглощения состояния bR и состояния О, которое следует после состояния М в фотохимическом цикле, или на длины волн возбуждения состояния bR и состояния О, причем облучение продолжают до того момента, когда значительная доля молекул, находящихся в состоянии bR, достигнет состояния Q, или II) посредством облучения светом, настроенным соответственно на полосу поглощения или длину волны возбуждения состояния О, которое следует после состояния М в фотохимическом цикле, причем облучение продолжают до того момента, когда молекулы, находящиеся в состоянии М, в основном, достигли состояния Q, и детектирование в любом случае осуществляют со светом, настроенным на полосу поглощения Q.

33. Способ по п. 32, отличающийся тем, что детектирование осуществляют с помощью импульса с интенсивностью настолько низкой или с длительностью настолько короткой, чтобы молекулы, находящиеся в этом состоянии, которое должно детектироваться, в основном оставались в этом состоянии.

34. Использование мультистабильного оптического логического элемента по п. 1 или 2, и способа оптической адресации мультистабильного оптического логического элемента по п. 22 в оптическом логическом устройстве для хранения и обработки данных.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается мультистабильного оптического логического элемента и, более конкретно, непосредственно адресуемого мультистабильного оптического логического элемента, который является непосредственно адресуемым с помощью адресации, имеющей место для него с использованием оптических излучателей и детекторов непосредственно без вмешательства активных оптических средств, содержащий светочувствительный органический материал, который может подвергнуться фотохимическому циклу при облучении светом одной или более подходящих длин волн, в котором фотохимический цикл в дополнение к основному физическому состоянию содержит одно или более метастабильных физических состояний, в котором физическое состояние логического элемента изменяется в фотохимическом цикле посредством возбуждения перехода из одного метастабильного состояния в другое метастабильное состояние, или посредством возбуждения перехода из основного состояния и метастабильное состояние и наоборот, в котором физическому состоянию присваивается определенное логическое значение и в котором изменение физического состояния логического элемента вызывает изменение его логического значения и происходит посредством оптической адресации логического элемента для записи, считывания, сохранения, стирания и переключения присвоенного логического значения. Изобретение также касается способа изготовления светочувствительного органического материала, который может подвергнуться фотохимическому циклу облучением светом одной или более подходящих длин волн, в котором фотохимический цикл, в дополнение к основному физическому состоянию, содержит одно или более метастабильных физических состояний и в котором светочувствительный органический материал используется в мультистабильном логическом элементе в качестве переключаемого носителя или носителя данных, как заявлено выше.

Изобретение также содержит способ оптической адресации оптического логического элемента, как заявлено выше, со светочувствительным органическим материалом, приготовленным вышеупомянутым способом, так, что оптический логический элемент находится в исходном метастабильном физическом состоянии, и в котором оптическая адресация содержит шаги записи, считывания, сохранения, стирания и переключения логического значения, присвоенного оптическому логическому элементу.

Наконец, изобретение касается использования мультистабильного оптического логического элемента и способа оптической адресации мультистабильного оптического логического элемента.

Цифровые компьютеры сегодня по существу основаны на использовании полупроводниковой технологии, то есть на электронных схемах, которые запускаются и переключаются электрическими токами. В случае, если желательно особенно быстрое сохранение и выборка данных, имеются используемые для этой цели носители данных, которые также основаны на полупроводниковой технологии. Для массового хранения данных более чем десятилетия используются магнитные носители данных, которые имеют то преимущество, что сохраненные данные могут быть быстро стерты, а новые данные могут быть еще раз сохранены в этих носителях данных. Для запоминания больших объемов данных, которые должны быть сохранены только однажды, а затем после этого должны только считываться, в последние годы заметно возрастающее использование имеют оптические носители данных типа WORM (оптический диск для однократной записи и многократного считывания). Примерами таких носителей являются CD-ROM (постоянное запоминающее устройство на компакт-диске) и лазерный диск, которые не только используются для хранения баз данных и других по существу информационно-несущих файлов, но которые получили широкое распространение и популярность как носители данных для программных продуктов, используемых в аудиовизуальных средствах информации, например, для сохранения музыки и кино.

В более поздние годы также были предложения сохранять и обрабатывать данные посредством только оптических устройств. Оптическая обработка данных вообще имеет ряд преимуществ по сравнению с обработкой данных, основанной на обычной полупроводниковой технологии, например, такой, как кремниевая технология. Оптическая обработка данных может в любом случае теоретически увеличивать емкость, доступную для обработки и хранения данных, по меньшей мере на один порядок величины выше той, которая возможна с известной на сегодня полупроводниковой технологией. Дополнительно ожидается, что оптическая обработка данных должна дать повышенные защищенность от ошибок и скорость обработки, и, хотя это соответствует возможности быстрой обработки данных, вместе с тем устройства для оптического хранения и обработки данных могут быть сделаны существенно меньшими.

Чтобы реализовать потенциальную возможность, которую, по-видимому, подразумевают оптическое сохранение и оптическая обработка данных, необходимо найти носитель, который позволяет реализовать технологию подходящим способом. В частности, интерес был сконцентрирован на светочувствительных органических материалах, например, различных протеинах, и в этой связи должна быть вообще говоря сделана ссылка на статью Robert R. Birge, "Protein-Based Computers", Scientific American, March 1995, pp. 2-7. Примером светочувствительного органического материала такого типа служит бактериородопсин, который является биологически создаваемым белковым соединением и подробно обсуждается в вышеупомянутой статье Birge. Он может производиться в крупных масштабах посредством ферментации и имеет высокую химическую и физическую стабильность. Когда бактериородопсин освещается светом подходящей длины волны, он испытывает изменения, которые проявляют себя различными способами, включая модификацию оптических поглощающих свойств. Эти изменения, как описано в статье Birge, соединяются с переходом из основного состояния bR в разнообразные отчетливо выделенные энергетические состояния, обозначаемые как К, L, М и т.д., каждое из которых имеет время жизни, на которое можно повлиять тепловым и/или оптическим воздействием. Последовательное продвижение из основного состояния и далее через набор таких состояний впоследствии обозначается как фотохимический цикл бактериородопсина.

Возможность оптического хранения данных и оптической обработки данных в бактериородопсине была реализована несколько лет назад. Способ сохранения данных, в этой связи, должен был заключаться в том, чтобы перевести бактериородопсин из состояния bR, которое, например, может представлять логический 0, в промежуточное состояние в фотохимическом цикле, имеющее длительное время жизни; это промежуточное состояние может быть обозначено как метастабильное состояние и, например, представлять логическую 1. Когда натуральный бактериородопсин возбуждается светом, он, однако, проходит через полный фотохимический цикл и возвращается в основное состояние bR в течение миллисекунд, причем самым долгоживущим промежуточным состоянием является М состояние. Большие исследовательские усилия были направлены на то, чтобы изменить первоначальную молекулу BR таким образом, чтобы ее время жизни в М состоянии увеличилось, например, посредством экспериментов с мутантами и использованием химических модификаций. Они закончились тем, что время жизни М состояния было увеличено до нескольких секунд и даже минут, однако это все же слишком короткое время относительно того времени, которое считается необходимым для архивного хранения данных, а именно, многие годы или даже десятилетия. Как бы то ни было, М состояние исследовалось с целью использования для оптического хранения данных, при котором информация должна сохраняться и воспроизводиться в течение коротких интервалов времени, или при котором сохраненные данные постоянно должны подвергаться регенерации. Также возможно прерывать время пребывания в М состоянии посредством освещения синим светом, что эффективно соответствует операции удаления или стирания. Ограниченное время жизни в М состоянии, однако, является отрицательным фактором в отношении практического использования, поскольку последние подразумевали бы относительно сложные аппаратные средства, и все это дает ограниченную емкость. Другой недостаток базовых схем хранения данных на М состоянии бактериородопсина - временная задержка, которая является неотъемлемым фактором в фотохимическом цикле, соответствуя типичной задержке порядка 100 мкс от момента, когда основное состояние bR, например, возбуждается световым импульсом, и до того момента, когда достигается состояние М.

Также были сделаны попытки разработать подходящий носитель для оптического хранения данных, посредством такой модификации светочувствительного материала, при которой он подвергался бы необратимому изменению при освещении светом подходящей длины волны. Такие материалы могут сделать возможной простую операцию записи, сопровождаемую произвольным числом операций считывания, но данные не могут быть стерты и записаны еще раз. Следовательно, эти материалы способны реализовать оптическую память типов ROM (постоянное запоминающее устройство) и WROM (оптический диск для однократной записи и многократного считывания), но не "стираемого" типа.

Недавно были предложены, и это очевидно из вышеупомянутой статьи Birge, базовые схемы оптического хранения данных на ветвящихся процессах в фотохимическом цикле бактериородопсина. С начальной точкой в основном состоянии bR, короткий импульс желтого/зеленого света инициирует фотохимический цикл, после чего бактериородопсин спонтанно подвергается последовательности состояний в фотохимическом цикле и достигает О состояния приблизительно через 6 мс. Если бактериородопсин хранится в темноте, то он возвращается в состояние bR через несколько миллисекунд, причем точный временной масштаб зависит от температуры. Однако, если бактериородопсин освещается красным светом, когда он находится в О состоянии, то он перейдет в Р состояние, из которого он спонтанно переходит в Q состояние в течение нескольких минут. Состояние Q является стабильным в течение длительных периодов времени, даже нескольких лет, если бактериородопсин хранится в темноте. Однако, при облучении синим светом, он возвратится к состоянию bR.

Должно быть сразу очевидно, что этот ветвящийся процесс в фотохимическом цикле бактериородопсина доведет до совершенства возможности операций записи, считывания и стирания в накопителях на основе бактериородопсина, которые могут удерживать сохраненную информацию в течение длительных периодов времени. Опубликованное международное патентное описание WO 96/21228 (автор Birge) с названием "Branched photocycle optical memory device" раскрывает, например, объемную оптическую память, которая хранит информацию с высокой плотностью в трех измерениях, посредством селективного активизирования фотохимической ветвящейся реакции из краткосрочного теплового промежуточного состояния в первичном фотохимическом цикле в светочувствительном носителе данных на основе протеина. В этой связи используется так называемый лазер "выборки страницы", который активизирует выбранный плоский слой или страницу носителя данных на некоторой длине волны света, а также используются лазеры данных, которые излучают выбранные лучи данных на другой длине волны света, и которые являются ортогональными к выбранному слою или странице. В предпочтительном варианте воплощения, носитель раскрывается как бактериородопсин, а луч выборки страницы инициирует фотохимический цикл из основного состояния, или состояния покоя bR, в промежуточное состояние О, в котором луч данных взаимодействует с промежуточным состоянием О таким образом, чтобы сформировать ветвящиеся состояния Р и Q. Лучи данных не взаимодействуют до большой степени с состоянием bR, или с состояниями Р или Q. Различные операции считывания используют одну и ту же длину волны для выборки страницы и данных.

Если бактериородопсин используется в устройстве согласно патенту WO 96/21228, то фотохимический цикл инициируется в основном состоянии bR посредством короткого желтого/зеленого светового импульса; после чего бактериородопсин пройдет ряд состояний в фотохимическом цикле и достигнет О состояния приблизительно через 6 мс. Если теперь бактериородопсин больше не освещается, то состояние О возвратится в основное состояние bR через несколько миллисекунд, причем точный временной масштаб зависит от температуры. Однако, если бактериородопсин в состоянии О освещается красным светом, то он ответвится в состояние Q, откуда он спонтанно переходит через состояние Q в течение нескольких минут. Если бактериородопсин не освещается, то состояние Q устойчиво в течение длительных периодов времени, возможно многих лет. Однако, если бактериородопсин освещается синим светом, то он переходит обратно в основное состояние bR. В способе для осуществления хранения данных согласно патенту WO 96/21228, объемный элемент в пределах, например, тела кубической формы, которое содержит бактериородопсин, выбирается посредством специально сформированного освещения объемного элемента желтым или зеленым светом. Следовательно, молекулы бактериородопсина в освещенном объемном элементе проходят через фотохимический цикл, и перейдут в состояние Р, если они после этого освещаются красным светом. Обычно свет фокусируется таким образом, что создается подобный пластинке тонкий световой луч, и этим определяется сечение в форме слоя или страницы данных бактериородопсина в объеме. Это сечение в форме слоя дает слой с позициями памяти, в которых страница данных может быть записана и считана раздельно от бактериородопсина в объемных элементах, которые не подвергались действию желтого или зеленого света выборки страницы. Таким образом, становится возможным хранить данные в трехмерном объеме бактериородопсина.

Однако, вышеупомянутый способ не просто осуществить в практических устройствах хранения данных, он также имеет некоторые существенные слабости. Для того, чтобы достичь высокой объемной плотности данных, свет выборки страницы должен быть очень интенсивным и равномерным в пределах очень четко определенной пространственной области, с резкими границами интенсивности. Для того, чтобы сформировать луч, подразумевается использование лазерного луча и относительно сложной оптики. Во-вторых, необходимо очень точно управлять последовательностью освещения, которая содержит использование трех отдельных длин волн. Оптимальная синхронизация последовательности является температурно-зависимой. В-третьих, скорости считывания и записи ограничиваются постоянными времени фотохимического цикла, которые приводят к временам доступа в диапазоне миллисекунд. В-четвертых, считывание сохраненных данных будет снижать их контраст, так, что становится необходимой регенерация после некоторого числа, например 1000, операций считывания.

Из норвежского патентного описания 980407, вытекающего из патента РCT/ 97/00154, который получает приоритет из норвежского патентного описания 962475, принадлежащего настоящему заявителю и тем самым включенного здесь ссылкой, известен оптический логический элемент, в частности, метастабильный логический элемент с многими состояниями, содержащий оптический запоминающий материал, который под влиянием электромагнитного или электрического поля или приложенной энергии может переходить из одного физического или химического состояния в другое физическое или химическое состояние. Запоминающий материал в этом оптическом логическом элементе обеспечивается в виде первого слоя, а также обеспечивается смежный к этому слою активатор, который подводит энергию в запоминающий материал. Активатор может быть выполнен в виде второго слоя, смежного к первому слою, или обеспечиваться интегрированным в первом слое. Оптический детектор, который детектирует состояние запоминающего материала, обеспечивается, например, в виде третьего слоя, смежного к первому слою, таким образом, что оптический логический элемент образует один целый компонент из всех трех интегрированных слоев. Оптический логический элемент может функционировать как отдельная ячейка хранения данных, так и как бистабильный оптический переключатель. Активатор, который вызывает изменение состояния в запоминающем материале, формируется посредством одного или более, прямого или косвенного средства испускания излучения, обращение и адресация к которому может осуществляться электрически. Предпочтительно, средством испускания излучения является светоизлучающий диод и, в частности, полимерный диод. Дополнительно, средством испускания излучения также может быть полупроводниковый лазер. Способ создания оптического логического элемента раскрывается в норвежском патентном описании 980407, в котором элемент был выполнен непосредственно-адресуемым, то есть, активация запоминающего материала и детектирование его состояния изменения имеет место в пределах самого оптического логического элемента и смежно с запоминающим материалом, так, что нет необходимости использования сложной внешней оптики для того, чтобы вводить свет в запоминающий материал. Оптические логические элементы, согласно этому патентному описанию, могут дополнительно быть объединены в планарных структурах в интегральное оптическое логическое устройство, и эти планарные структуры могут снова быть сложены таким образом, что обеспечивается истинно объемное оптическое логическое устройство, содержащее большое число оптических логических элементов, которые все могут быть непосредственно адресованы по отдельности. Реализация оптического логического элемента с непосредственной адресацией имеет, как следствие, то, что они могут быть выполнены с размерами, которые гораздо меньше, чем, например, размеры ячеек хранения, выполненных в известной полупроводниковой технологии, или размеры оптических ячеек хранения, которые адресуются посредством света, поступающего снаружи по оптически активным структурам, таким как преломляющие и дифракционные элементы, для которых подразумевается, что размеры ячейки хранения, то есть оптического логического элемента, будут ограничиваться длиной волны используемого света.

Как упомянуто выше, согласно норвежскому патентному описанию 980407, для непосредственной адресации могут использоваться испускающие излучение средства в виде светоизлучающих полимерных диодов. Такие светоизлучающие полимерные диоды раскрыты в опубликованном международном патентном описании WO 95/31515 под названием: "Colour source and method for its fabrication", права на которое были переданы настоящему заявителю и которое тем самым включено ссылкой. Такие светоизлучающие полимерные диоды могут излучать свет на нескольких длинах волн, посредством изменения напряжения возбуждения диодов. Диоды могут излучать свет на различных длинах волн, например, в основном красный - при низком напряжении возбуждения и синий - при более высоком напряжении возбуждения, в то время как промежуточные напряжения могут давать пик излучения как в красной, так и в синей области спектра с изменяющимися интенсивностями. Диоды изготовили в виде тонкой полимерной пленки, с толщиной приблизительно 10 нм и с протяженностью отдельных диодов незначительно большей. Интегрированные в качестве средства испускания излучения в оптическом логическом элементе, они, следовательно, будут совместимы с оптическими логическими элементами соответствующих размеров.

Теперь, основываясь на вышеупомянутом уровне предшествующей техники, первая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить оптический логический элемент, который дает существенное упрощение операций адресации.

Вторая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить оптический логический элемент, в котором операции адресации могут быть реализованы в виде непосредственной адресации для записи, считывания, хранения, переключения или стирания информации, сохраненной в оптическом логическом элементе.

Третья задача настоящего изобретения заключается в том, что информационно несущее состояние оптического логического состояния элемента будет неизменным в течение очень длительного периода времени, так что данные могут быть сохранены в течение нескольких лет без потери и без необходимости какой-либо регенерации.

Четвертая задача настоящего изобретения заключается в том, что, в особенности операции записи, считывания и адресации будут происходить очень быстро и без того, чтобы на них существенно влияли термически управляемые постоянные времени в фотохимическом цикле используемого светочувствительного материала.

Пятая задача настоящего изобретения заключается в том, что считывание данных должно происходить неразрушающим способом, т.е. регенерация состояния, которое представляет выходную информацию в оптическом логическом элементе, не является необходимой.

Шестая задача настоящего изобретения заключается в том, что данные должны записываться и считываться в оптическом логическом элементе в очень компактных и дешевых устройствах записи/считывания, которые потребляют небольшую мощность.

Седьмая задача настоящего изобретения заключается в том, что оптический логический элемент должен быть миниатюризован таким образом, что может быть достигнута очень высокая пространственная, а также объемная плотность хранения данных в устройствах хранения данных, основанных на использовании таких оптических логических элементов, и в котором адресация должна происходить посредством простой непосредственной процедуры.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является реализация логических операций в этих пленках из светочувствительного органического материала, которые могут подвергаться фотохимическому циклу, например, из бактериородопсина и материалов, подобных бактериородопсину.

Наконец, задача настоящего изобретения также состоит в том, чтобы обеспечить оптический логический элемент, который является энергонезависимым, который может быть объединен в оптическое логическое устройство с возможностью параллельной адресации с высокой емкостью, которое может работать при циклическом функционировании без проблем, и кроме того, может быть изготовлено с очень низкой стоимостью.

Эти вышеупомянутые и другие задачи и преимущества реализуются согласно изобретению с помощью оптического логического элемента, который отличается тем, что логический элемент в исходном состоянии, а также перед тем как к нему происходит адресация, находится в метастабильном состоянии, созданном заранее, со значительной долей молекулярной населенности упомянутого органического материала, находящейся в упомянутом метастабильном состоянии, или с оптическим логическим элементом, который является непосредственно адресуемым и, согласно изобретению, кроме этого, отличающийся тем, что логический элемент в исходном состоянии, а также перед тем как к нему происходит адресация, находится в метастабильном состоянии, созданном заранее, со значительной долей молекулярной населенности упомянутого органического материала, находящейся в упомянутом метастабильном состоянии, что светочувствительный органический материал обеспечивается в структуре, в значительной степени подобной пленке, или в виде структуры, подобной пленке, и что в смежной или в этой же структуре для оптической адресации светочувствительного органического материала обеспечивается по меньшей мере источник хроматического света, и по меньшей мере один цветочувствительный оптический детектор для детектирования физического/логического состояния светочувствительного органического материала.

Предпочтительно, светочувствительным материалом согласно изобретению являются молекулы протеина или подобные протеину соединения, и даже еще предпочтительнее, бактериородопсин или относящееся к нему соединение.

Далее, согласно изобретению, исходным метастабильным состоянием предпочтительно является М состояние бактериородопсина или Q состояние бактериородопсина. Согласно изобретению, также предпочтительно, чтобы источник хроматического света являлся источником света с перестраиваемой длиной волны, и даже более предпочтительно, чтобы источником освещения с перестраиваемой длиной волны являлся светоизлучающий полимерный диод, причем перестройка длины волны излучения осуществляется посредством управления напряжением возбуждения диода. Согласно изобретению, цветочувствительным оптическим детектором может предпочтительно быть мультиспектральный оптический детектор. Также предпочтительно, когда, согласно изобретению, цветочувствительным оптическим детектором является светопоглощающий полимерный диод. Если обеспечивается более чем один цветочувствительный оптический детектор, предпочтительно, чтобы детекторы настраивались на длины волн или спектральные полосы, которые соответственно согласуются с длинами волн возбуждения или с полосами поглощения основного состояния, а также с одним или более метастабильным состоянием фотохимического цикла.

Способ изготовления светочувствительного органического материала, согласно настоящему изобретению отличается тем, что, посредством облучения светочувствительного органического материала в основном состоянии светом со спектральной полосой мощности или длиной волны, которая инициирует фотохимический цикл и создает желательное исходное метастабильное состояние в фотохимическом цикле, посредством упомянутого облучения, происходящего в течение достаточно длительного времени для того, чтобы заставить значительную фракцию молекулярной населенности органического материала перейти в упомянутое исходное метастабильное состояние, причем упомянутое исходное метастабильное состояние присваивается определенному логическому значению логического элемента.

Если светочувствительным органическим материалом является бактериородопсин, то, согласно изобретению, М состояние бактериородопсина или Q состояние бактериородопсина предпочтительно создаются в качестве желательного исходного метастабильного состояния.

Способ оптической адресации оптического логического элемента согласно настоящему изобретению, отличается тем, что включает в себя: шаг записи и сохранения, содержащий возбуждение перехода из исходного метастабильного состояния в другое метастабильное состояние или в основное состояние, если логическое значение, присвоенное в предыдущем состоянии, должно быть изменено на логическое значение, присвоенное другому метастабильному состоянию или основному состоянию, а в противоположном случае - сохранение неизменным исходного метастабильного состояния; шаг считывания, содержащий детектирование фактического состояния оптического логического элемента для того, чтобы определить присвоенное логическое значение; шаг стирания, содержащий возбуждение перехода из основного состояния, если оптический логический элемент находится в этом состоянии, еще раз инициируя фотохимический цикл, который переключает оптический логический элемент обратно в метастабильное состояние, или, если оптический логический элемент уже находится в исходном метастабильном состоянии, сохранение последнего неизменным, или возбуждение перехода из другого метастабильного состояния, если оптический логический элемент находится в этом состоянии, и обратно в исходное метастабильное состояние, либо сначала обратно в основное состояние, для того, чтобы затем инициировать фотохимический цикл, который переключает оптический логический элемент обратно в исходное метастабильное состояние, либо, без прохождения через основное состояние, непосредственно к исходному метастабильному состоянию; и шаг переключения, содержащий возбуждение перехода из текущего состояния в другое состояние с одновременным или немедленным последующим детектированием другого состояния.

Согласно изобретению, мультистабильный оптический логический элемент и способ для его адресации используется в оптическом логическом устройстве для сохранения и обработки данных.

Дополнительные признаки и преимущества различных задач настоящего изобретения будут очевидны из остальных зависимых пунктов формулы изобретения.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1 а, б, в схематично изображает фотохимический цикл светочувствительного органического материала, в данном случае - бактериородопсина;

фиг. 2 изображает электронные спектры поглощения бактериородопсина для различных состояний в фотохимическом цикле;

фиг.3 изображает непосредственно адресуемый оптический логический элемент согласно настоящему изобретению;

фиг. 4 а, б, в изображают электролюминесцентные спектры светоизлучающего полимерного диода, который используется в настоящем изобретении;

фиг. 5 изображает светоизлучающие домены в светоизлучающем полимерном диоде, который используется в настоящем изобретении;

фиг. 6 схематично изображает приготовление светочувствительного органического материала и фотохимический цикл, который создает желательное метастабильное состояние;

фиг. 7 схематично изображает приготовление светочувствительного органического материала и фотохимический цикл, который создает другое желательное метастабильное состояние;

фиг.8 схематично изображает первый вариант воплощения способа оптической адресации согласно изобретению, в котором светочувствительным органическим материалом является бактериородопсин;

фиг.8а изображает шаг записи и сохранения;

фиг.8б - шаг считывания;

фиг.8в - шаг стирания;

фиг.9 схематично изображает другой вариант воплощения способа оптической адресации, в котором светочувствительным органическим материалом является бактериородопсин;

фиг.9а изображает шаг записи и сохранения;

фиг.9б - шаг считывания;

фиг.9в - шаг стирания;

фиг.10 схематично изображает различные варианты воплощения шага переключения в соответствии с настоящим изобретением, в котором светочувствительным органическим материалом является бактериородопсин;

фиг.10а изображает операцию первого переключения;

фиг.10б - операцию второго переключения;

фиг.10в - операцию третьего переключения;

фиг.10г - операцию четвертого переключения;

фиг.11 изображает предпочтительный вариант воплощения оптического логического элемента, в котором применяется настоящее изобретение;

фиг. 12 а, б изображают другие предпочтительные варианты воплощения оптического логического устройства, в котором применяются признаки настоящего изобретения.

Известно несколько светочувствительных органических материалов, которые все имеют свойство, состоящее в том, что они могут подвергаться фотохимическому циклу посредством облучения светом различных длин волн. Фотохромные органические материалы, основанные на фульгиде или на производных фульгида, например, подвергаются фотохимическому циклу перехода из не обесцвеченного к окрашенному состоянию и обратно посредством облучения светом на длинах волн поглощения для обесцвеченного и окрашенного состояний, соответственно (Kirkby и соавторы. Optical nonlinearity and bistability in photochromic thin films. Optics Communications, 56,4, pp. 288-292 (1985)).

Для голографической регистрации данных было предложено использовать фотохромные системы красителей, основанные на полимерах, в которые легированы фотохромные красители спирооксазина или спиропирана, которые образуют стабильные и бесцветные формы посредством фотохимических переходов, генерируемых с помощью света на соответствующей длине волны возбуждения (Weiss и соавторы. Holographic recording and all-opticai modulation in photochromic polymers. Optics Letters 18,3, pp.1089-1091 (1993)).

Частным случаем, однако, является оптический логический элемент согласно изобретению, предназначенный для использования с молекулами протеина или соединения, подобного протеину, и в качестве таких примеров может быть упомянут хлорофилловый протеиновый комплекс и ретинальный протеиновый комплекс (Bazhenor и соавторы. Biopolymers for Real- Time Optical Processing, in Optical Processing and Computing, pp.103-144. Academic Press (1989)).

Бактериородопсин принадлежит к ретинальному протеиновому комплексу и используется в виде мембран в полимерных матрицах, в качестве мембран на стеклянной подложке или в качестве низкотемпературных мембран. При температуре жидкого азота тепловые реакции фотохимического цикла подавляются, и фотохимический цикл содержит только основное состояние bR и промежуточное состояние К, которые являются устойчивыми при этой температуре. Фотохимическая постоянная времени для переходов из состояния bR в состояние К составляет приблизительно 10 пкс и посредством облучения красным светом (длина волны 600 нм) бактериородопсин возвращается в основное состояние bR. При температуре - 50^oС этот фотохимический цикл прервется состоянием М, а из него молекулы бактериородопсина могут возвратиться в состояние bR посредством облучения светом на длине волны 410 нм (там же, стр. 120).

Согласно настоящему изобретению, особенно предпочтительно, что протеином является бактериородопсин или относящееся к нему соединение. Бактериородопсин и его мутанты или химические модификации представляют собой соединения, которые в настоящее время являются наиболее полно исследованными с целью оптического хранения данных. Следовательно, дальнейшее обсуждение вариантов воплощений оптического логического элемента и способов согласно изобретению будет направлено особенно на варианты воплощений, которые основаны на бактериородопсине или его мутантах и химических модификациях, а также на фотохимический цикл бактериородопсина.

Бактериородопсин представляет собой светособирающий протеин в фиолетово-окрашенной мембране микроорганизма, который формально известен как Halobacterium salinarium, обычно как Наlobacterium halobium. Бактериородопсин имеет молекулярный вес порядка 26000. Halobacterium salinarium растет в соленых болотах, в которых концентрация солей приблизительно в шесть раз выше, чем в морской воде. Фиолетово-окрашенная мембрана образуется бактериями, когда концентрация кислорода становится слишком низкой для того, чтобы поддерживать дыхание. Посредством поглощения света протеин выделяет протон над мембраной и создает химический осмотический потенциал, который служит как альтернативный источник энергии. Тот факт, что бактериородопсин должен выживать во враждебно относящейся к нему окружающей среде, такой, как соленое болото, в котором температура может превышать 65^oС в течение длительных периодов времени, требует прочного протеина, который будет противостоять тепловым и фотохимическим нагрузкам. Эксперименты дают основание предполагать, что бактериородопсин может выдерживать такие высокие температуры, как 140^oС, и в любом случае обычно выдерживает 80^oС. Цикличность протеина, то есть число раз, которое он может пройти фотохимический цикл, превышает 10⁶, значение, которое является существенно более высоким, чем у большинства синтетических фотохромных материалов. Бактериородопсин, следовательно, хорошо подходит для технического применения, такого, как оптический логический элемент согласно настоящему изобретению и является, хотя это в основном биологический материал, способным обеспечить долговременный стабильный носитель данных.

Когда бактериородопсин поглощает свет, он подвергается фотохимическому циклу, в котором создается промежуточное состояние с максимумами поглощения во всей видимой области электромагнитного спектра. Схематично это изображается на фиг.1а, которая иллюстрирует фотохимический цикл бактериородопсина и предлагает последовательность специальных преобразований, которые индуцируются посредством света. Индуцированные светом переходы, или возбужденные переходы обозначены заштрихованными стрелками, в то время как не заштрихованные стрелки обозначают переходы, обусловленные тепловой релаксацией. Зеленый свет преобразует основное состояние bR бактериородопсина в промежуточное состояние К, которое, после этого, релаксирует и формирует состояние М, а после этого состояние О. Время пребывания в состоянии М зависит, среди прочего, как от температуры, так и от мутанта используемого бактериородопсина. Если бактериородопсин в состоянии О подвергается действию красного света, то имеет место так называемая ветвящаяся реакция. Состояние О переходит в состояние Р, которое быстро релаксирует в состояние Q, форма бактериородопсина, которая, как было показано, является устойчивой в течение очень длительного периода времени. В различных мутантах бактериородопсина, в которых используются аспарагиновые кислотные остатки 85 и 96, время жизни состояния Q может удлиняться до нескольких лет. Если аспарагиновая кислота 85 заменяется неполярной аминокислотой типа аспаргина, формирование устойчивого состояния М подавляется, и первичный фотохимический цикл очень быстро формирует состояние О (или промежуточное состояние, очень сильно похожее на состояние О) (R.R. Birge, Ann. Rev. Phys. Chem, 41, pp, 683-733 (1990)). Однако, если бактериородопсин в состоянии Q освещается синим светом, то он возвращается в состояние bR. Если состояние О не освещается красным светом, оно за короткое время релаксирует обратно в состояние bR. Любому из двух состояний с длительным временем жизни теперь может быть присвоено бинарное логическое значение 0 или 1, и, следовательно, становится возможным хранить информацию в молекулах бактериородопсина, которые находятся в одном или другом из этих состояний.

Фиг.1б изображает диаграмму первичного фотохимического цикла бактериородопсина. Центральные фотохимические преобразования, которые являются уместными для использования в оптическом логическом элементе согласно настоящему изобретению, изображаются на диаграмме в последовательности, которая, вообще говоря, идет по часовой стрелке вокруг диаграммы. Символ bR обозначает основное состояние бактериородопсина, а заглавные буквы обозначают различные состояния фотохимического цикла. Цифры в круглых скобках обозначают центральную длину волны полос поглощения различных состояний или разновидностей бактериородопсина, выраженную в нанометрах. Переходы, которые вызываются фотоиндуцированным возбуждением, обозначаются значком h, a также постоянными времени t, в то время как переходы, которые возбуждаются посредством тепловых реакций, обозначаются постоянной времени t_p для времен релаксации первого порядка, при температуре, приблизительно равной комнатной.

Освещение молекул бактериородопсина в основном состоянии или в состоянии bR покоя, светом, сосредоточенным вблизи 570 нм, создает возбужденное состояние К, которое имеет очень короткое время жизни. Как должно быть видно, состояние К имеет полосу поглощения, которая сосредоточена вблизи 600 нм, и это подразумевает, что, если ширина спектра мощности возбуждения состояния bR простирается за 600 нм, молекулы в состоянии К возвратятся в основное состояние bR. Этот переход, однако, имеет предположительно низкий квантовый выход, и поскольку состояние К нестабильно и очень быстро переходит в состояние L, большинство молекул в состоянии К будут переходить далее в фотохимический цикл, даже при том, что некоторые молекулы могут совершить циклический переход обратно в основное состояние bR. Промежуточное состояние М, которое имеет полосу поглощения, сосредоточенную вблизи 410 нм, будет в пределах короткого промежутка времени 1-3 мс термически релаксировать в промежуточное состояние N, которое снова термически релаксирует в промежуточное состояние О. Состояние М может, как упоминалось, иметь относительно длительное время жизни в различных модификациях бактериородопсина, возможно до нескольких минут, и, следовательно, оно вероятно могло бы использоваться для того, чтобы представлять одно из логических состояний, 0 или 1, если не требуется архивного хранения в течение очень длинных промежутков времени. Здесь может быть упомянуто, что состояние М в действительности состоит из двух состояний M₁ и М₂, которые имеют практически идентичные спектры поглощения. Можно добавить, что в течение предыдущих попыток голографического хранения данных в бактериородопсине с использованием состояния М, наблюдалась постепенная потеря чувствительности и контраста, что, как было показано позднее, вызывается потерей активных молекул посредством ветвящейся реакции в состояния Р и Q (R.R. Birge, частное сообщение, 1996 г.). Из диаграммы должно быть видно, что состояние М возвращается в основное состояние, при облучении светом, сосредоточенным вблизи центральной длины волны 410 нм поглощения для состояния М. Свет, сосредоточенный вблизи центральной длины волны поглощения состояния bR, а именно 570 нм, не будет, однако, переводить состояние М обратно в состояние bR. Состояние О имеет центральную длину волны поглощения 640 нм, и, следовательно, если оно облучается светом со спектральной полосой мощности возбуждения, сосредоточенной вблизи этой длины волны, так что возникает ветвящаяся реакция в фотохимическом цикле, то будет происходить переход в промежуточное состояние Р, которое имеет относительно длительное время жизни, до нескольких минут. Состояние Р будет термически релаксировать в наиболее устойчивое из всех состояний промежуточного звена фотохимического цикла, а именно, в состояние Q, которое имеет время жизни, вероятно, удлиняющееся до нескольких лет. Следовательно, состояние Q может использоваться для того, чтобы представлять логическое состояние, которое должно сохраняться годы. Следовательно, в дополнение к стабильному состоянию bR, состояние Q является состоянием, которое наилучшим образом удовлетворяет требованиям, если бактериородопсин должен использоваться как носитель данных, в случаях, для которых оптический логический элемент согласно изобретению должен использоваться в оптическом устройстве хранения данных, удовлетворяющем требованиям архивного хранения.

Если состояние Q облучается синим светом со спектральной полосой мощности возбуждения, сосредоточенной на длине волны 380 нм поглощения состояния Q, то оно переходит в основное состояние bR, вместе с тем, стрелка _p также указывает, что состояние Q будет термически релаксировать в основное состояние bR, но с постоянной времени, которая составляет несколько лет. Состояние Р будет, при поглощении света со спектральной полосой мощности, сосредоточенной вблизи длины волны 490 нм поглощения состояния Р, возвращаться в состояние О. Состояние О, кроме того, термически релаксирует в нормальном фотохимическом цикле обратно в основное состояние bR с постоянной времени, равной 4 мс при комнатной температуре.

Чтобы далее визуализировать фотохимический цикл оактериородопсина, он изображается графически на фиг.1в. Внешняя окружность представляет направление фотохимического цикла по часовой стрелке, из основного состояния bR и далее через промежуточные состояния К, L, М, N и О, и обратно в основное состояние bR. Ветвящаяся реакция фотохимического цикла представлена внутренней круговой дугой с состояниями Р и Q, которые достигаются из состояния О. Метастабильные состояния со сравнительно длительными временами жизни, то есть М, Р и Q, изображаются заштрихованными. Сектор окружности представляет область фотохимического цикла, которая содержит состояния Q и bR, которые, для целей изобретения, рассматриваются как устойчивые. Фотоиндуцированные переходы в фотохимическом цикле, являющиеся важными в настоящем изобретении, обозначены пронумерованными стрелками. В диаграмме, однако, опущены очень короткоживущие промежуточные состояния, не имеющие значения для изобретения. То же самое применимо для случая, в котором промежуточное состояние в действительности состоит из нескольких состояний с приблизительно идентичными спектрами поглощения.

Спектры поглощения различных образцов или состояний бактериородопсина изображены на фиг.2, которая также показывает подходящие спектральные полосы мощности при освещении образцов, для того, чтобы произвести возбуждение перехода в другое состояние. Например, должно быть видно, что использование спектральной полосы мощности, сосредоточенной вблизи 600 нм, будет создавать состояния N, bR, К и О, но следствием облучения такого типа будет, по меньшей мере, то, что существенная доля молекулярной населенности будет переводиться из состояния bR и других состояний, в относительно устойчивое состояние Q. Конечно, то же самое может быть достигнуто посредством непрерывного облучения основного состояния bR световыми импульсами, с центральной длиной волны 570 нм, так, что основное состояние bR переходит в состояние О, а также если одновременно непрерывно

освещать бактериородопсин светом, сосредоточенным на длине волны 640 нм, приблизительно через 2 мс, таким образом, чтобы состояние О переходило в состояние Р. Смысл этого будет в дальнейшем обсуждаться более подробно. Из фиг. 2 еще должно быть видно, что состояние Q может быть эффективно переведено в основное состояние bR посредством облучения молекул в состоянии Q светом с длиной волны 380 нм или, например, светом в спектральном диапазоне 360-400 нм.

Согласно изобретению, первоначально, а также перед адресацией, логический элемент должен находиться в метастабильном состоянии, сформированном заранее. Предпочтительно, этим исходным метастабильным состоянием может быть, например, состояние М бактериородопсина, которое в этом случае должно иметь подходящее длительное время жизни, для того, чтобы оно могло представлять одно или два логических состояния 0 или 1 в желательной оптической схеме хранения данных. Более предпочтительным, однако, является исходное метастабильное состояние Q бактериородопсина, которое, как упоминалось, имеет время жизни многие годы.

Оптический логический элемент, в котором светочувствительный материал, в данном случае - бактериородопсин, может быть обеспечен в слоисто-подобной структуре и приготовлен заранее для конкретного применения посредством облучения бактериородопсина, который находится в основном состоянии bR, желтым светом со спектральной полосой мощности, которая эффективно вызывает переход в долгоживущее устойчивое состояние Q. Переход из состояния bR в последующее нестабильное состояние К в фотохимическом цикле имеет высокий квантовый выход, в то время как фотоиндуцированный переход из состояния К обратно в основное состояние bR имеет, предположительно, низкий квантовый выход, и следовательно, на практике значительная доля молекул в состоянии bR успешно достигнет состояния О. Посредством использования спектральной полосы мощности, которая содержит как полосы поглощения состояния bR, так и полосы поглощения состояния О, можно, используя свет с длинами волн, соответствующими центральной длине волны поглощения соответственно для каждого из двух состояний, перевести состояние О в состояние P, которое посредством тепловой релаксации за несколько минут переходит в долгоживущее устойчивое или метастабильное состояние Q. Процесс является кумулятивным, то есть, чем дольше бактериородопсин освещается желтым светом с подходящей спектральной полосой или длинами волн, тем больше молекул переходят в состояние Q. Не имеет значения, что переход из состояния О в состояние Р имеет низкий квантовый выход, по-видимому, порядка 0,01-0,02. Однако, при непрерывном освещении желтым светом таким способом, состояние К, как упоминалось, будет также одновременно возбуждаться обратно в основное состояние bR с низким квантовым выходом, а состояние О будет термически релаксировать с типичной постоянной времени, приблизительно равной 4 мс, обратно в основное состояние bR, но тогда фотохимический цикл только циркулирует, с увеличивающимся выходом вследствие кумулятивного эффекта. Поскольку приготовление светочувствительного материала происходит намного раньше того, как оптический логический элемент должен быть использован для намеченной цели, бактериородопсин может быть таким способом подготовлен и сохранен со значительной долей населенности молекул в состоянии Q. Следовательно, в предпочтительном варианте воплощения, состояние Q - одно из двух практически устойчивых состояний, которое должно использоваться для представления или логической 1, или логического 0. По практическим соображениям, в дальнейшем будет предполагаться, что состояние Q представляет логическую 1, а состояние bR - логический 0.

Следовательно, логический элемент перед операцией записи или считывания памяти, может фактически рассматриваться как находящийся в состоянии Q. Запись или хранение данных в логическом элементе теперь происходит очень просто тем способом, что если логическое значение, которое должно быть записано или сохранено, является 1, оно уже представлено в логическом элементе посредством бактериородопсина, для этой цели по существу находящегося в состоянии Q, и, следовательно, имеющем логическое значение 1. Если, наоборот, в логическом элементе должен быть записан логический 0, то теперь это осуществляется очень просто посредством процесса записи или процесса сохранения, вызванного освещением логического элемента, то есть бактериородопсина, светом, сосредоточенным на центральной длине волны поглощения состояния Q, а именно 380 нм, т.е. синим светом. Следовательно, логический элемент переходит из состояния 1 в состояние 0, и это состояние затем будет постоянно храниться в бактериородопсине в состоянии bR. Следовательно, операции, в которых в качестве переключаемого носителя или носителя данных в логическом элементе будет, согласно изобретению, использоваться светочувствительный органический материал, в данном случае - бактериородопсин, упрощаются, поскольку операции записи или сохранения сведены к облучению синим светом на определенной длине волны и только, если уже представленная логическая 1 будет заменяться на логический 0. Операции, связанные с адресацией оптического логического элемента в соответствии с настоящим изобретением, будут, однако, обсуждаться более подробно в связи с обсуждением фиг.8, 9 и 10.

Теперь со ссылкой на фиг.3 будет поясняться, каким образом оптический логический элемент согласно настоящему изобретению может быть реализован в виде непосредственно адресуемого оптического логического элемента. В основном, непосредственно адресуемые оптические логические элементы известны из норвежского патентного описания 980407, на которое ранее уже ссылались и права на которое были переданы настоящему заявителю.

Фиг. 3 схематично изображает реализацию оптического логического элемента согласно настоящему изобретению. Светочувствительный материал, в данном случае - бактериородопсин, обеспечивается в виде слоисто-подобной структуры 1.

Смежно со светочувствительным материалом структуры 1 обеспечивается излучатель 2 или источник света, предпочтительно в виде светоизлучающего полимерного диода. Светоизлучающий полимерный диод 2 запитывается напряжением _E возбуждения через два электрода 3, 4, которые подключены к источнику тока 9. Светоизлучающий полимерный диод обеспечивается смежно со светочувствительным материалом 1, в этом случае бактериородопсин будет работать в фотохимическом цикле. Это подразумевает, что электрод 3 должен быть прозрачным. Далее, светодиод 2 для управления возбуждением бактериородопсина в фотохимическом цикле, должен управляться перестраиваемым напряжением, которое подразумевает, что в настоящем случае будет уместно реализовать светоизлучающий диод в виде полимерных диодов, управляемых перестраиваемым напряжением, например таких, как те, которые раскрыты в вышеупомянутом международном патентном описании WO 95/31515 и, в связи с этой ссылкой, обсуждаются несколько более подробно. Напротив светоизлучающего диода 2, и более того смежно к структуре 1 бактериородопсина, обеспечивается фотогальванический или фотопроводящий детектор, предпочтительно также в виде слоисто-подобной структуры; детектор обеспечивается электродами 6, 7, которые проводят напряжение VD сигнала, получаемого на выходе детектора при детектировании света, к усилителю 10 сигнала детектора. Также очевидно, что в данном случае электрод 6 детектора, который обращен к структуре 1 бактериородопсина, должен быть прозрачным.

Перестраиваемые напряжением источники хроматического света в виде светоизлучающих полимерных диодов, как уже обсуждалось со ссылкой на вышеупомянутое международное патентное описание WO 95/31515, также далее раскрываются более подробно М. Веrgren с соавторами, Nature 372, pp. 444-446 (1994). Посредством варьирования напряжения V_E возбуждения, прикладываемого к электродам, такие светоизлучающие полимерные диоды будут излучать свет на различных длинах волн. Представленные концепции светоизлучающих полимерных светодиодов такого типа являются относительно общими, а спектральные характеристики испускаемого светового излучения могут управляться в широких пределах посредством подходящего выбора светоизлучающего материала. Учитывая изложение настоящего изобретения, где желательна спектральная адаптация к поглощающим свойствам бактериородопсина в различных состояниях, следует предположить, что светоизлучающий полимерный диод испускает желтый свет при низком напряжении _E и проявляет увеличивающееся излучение синего света при увеличении напряжения. Это изображается более подробно на фиг. 4a-в, где фиг. 4а изображает спектральные характеристики и интенсивность при приложенном напряжении V_E, равном 5 В. По существу, излучение происходит в виде красного света со спектральным пиком на длине волны приблизительно 630 нм. Коэффициент мощности здесь равен 100%. На фиг.4б напряжение увеличивается до 16 В, а коэффициент мощности уменьшается до 50%. Видно, что светоизлучающий полимерный диод все еще сохраняет пик излучения на длине волны приблизительно 630 нм, но одновременно наблюдается увеличивающееся излучение синего света на длине волны приблизительно 400 нм. При приложенном напряжении 21 В с коэффициентом мощности 20%, излучение на длинах волн более 530 нм снижается, а по существу наблюдается пик излучения синего света с высокой интенсивностью, сосредоточенный на длине волны 430 нм. Управляемый напряжением излучатель 2, который является светоизлучающим полимерным диодом, как раскрывается в вышеупомянутом международном патентном описании WO 95/31515, содержит множество физически разделенных светоизлучающих доментов 11, так, как изображено на фиг.5, которая может рассматриваться как схематическое сечение через слой излучателя. Домены 11 вложены в прозрачную матрицу 12, которая, например, может быть сама полимером, и каждый домен содержит только один тип светоизлучающего полимера, т.е., либо с узкой запрещенной зоной, который излучает главным образом в желтой или красной области, либо с широкой запрещенной зоной, который излучает в синей области спектра. Если бы домены 11 были велики и разнесены на достаточно большое расстояние, это могло бы вызывать проблемы, обусловленные непредсказуемым и нерегулярным световым излучением от светодиода, и при некоторых оптических конфигурациях пучка в плохом пространственном перекрытии между соответственно красным и синим светом, который падает на данную среднюю точку в структуре бактериородопсина. Экспериментальные исследования, см. вышеупомянутый патент WO 95/31515, показали, что в настоящее время имеется возможность достигнуть по меньшей мере характеристических размеров и расстояний между доменами в диапазоне от нескольких десятков нанометров и до нескольких сотен нанометров, так, что масштабный множитель слоя полимера или толщины матрицы 12 соответствует сечению домена, поскольку очевидно, что домены должны контактировать с электродами 3, 4 на поверхностях матрицы. Эффекты, которые вызываются пространственной дискретизацией светового излучения, будут, следовательно, обнаружимы с помощью очень маленьких светоизлучающих полимерных диодов, обычно в масштабе нескольких нм. С другой стороны, также имеются признаки того, что размер светоизлучающих полимерных диодов 2 может быть по существу уменьшен посредством снижения протяженности доменов 11 таким образом, чтобы можно было избежать возможных неблагоприятных пространственных эффектов даже при протяженности светоизлучающих диодов порядка 10 нм или близко к этому. Тогда толщина слоя излучателя будет сравнимой, и из этого следует, что, по меньшей мере теоретически, согласно настоящему изобретению будет возможно реализовать оптические логические элементы с размерами почти несколько нанометров и соответствующей толщины.

Фотогальванический или фотопроводящий детектор 5 реализуется соответствующим излучателю 2 или источнику хроматического света, а именно, посредством использования соответствующих полимерных диодов и с доменами теперь в качестве поглотителей света, таким образом, что обнаруженная вариация в спектральной зависимости световой интенсивности будет создавать на электродах напряжение сигнала или выходное напряжение V_D, детектора. Аналогично, детектор 5 должен быть в этом случае настроен на спектральные свойства излучателя 2. Кроме того, для детектора 5 достигаются те же самые масштабные множители, что и относящиеся к светоизлучающему полимерному диоду 2, причем размеры доменов 8 определяют толщину слоя. Очевидно, толщина слоя должна быть сравнимой с сечением домена, таким образом, чтобы достигалось контактирование электродов 6, 7.

Должно быть видно, что оптический логический элемент, как раскрывается здесь, реализуется в виде непосредственно адресуемого и можно избежать ограничений на масштабные множители, которые присутствовали бы, если бы свет направлялся к светочувствительному органическому материалу через оптически активные структуры в виде преломляющих или дифракционных элементов, обеспеченных вне структуры бактериородопсина, между ним и излучателем. В этом случае, размер оптического логического элемента будет ограничиваться длиной волны используемого светового излучения. Вариант воплощения оптического логического устройства, в котором оптические логические элементы адресуются через оптически активные структуры в виде маленьких линз, также изображается на фиг.11, и будет обсуждаться ниже со ссылкой на эту фигуру.

Теперь, со ссылкой на фиг.6-9, будут обсуждаться операции подготовки, записи, считывания и стирания, при предположении, что оптический логический элемент должен использоваться для хранения данных. Все фиг.6-9 изображают операции, реализованные с четырьмя логическими элементами, которые нарисованы в виде эллипсоидов и повторяются для каждого шага в соответствующей операции, с индикацией фактического состояния bR, M, Q.

Фиг. 6 изображает приготовление бактериородопсина с использованием фотохимического цикла, который создает состояние М в качестве исходного метастабильного состояния. Если выбирается мутант бактериородопсина, время жизни в состоянии М может быть увеличено до нескольких минут. Запись происходит посредством облучения синим светом ( = приблизительно 410 нм), посредством чего состояние М возвращается в основное состояние bR. Очевидно, что состояние М будет менее подходящим для архивного хранения, но в тех случаях, когда данные должны храниться на коротких временных промежутках или в памяти, не сохраняющей информацию при выключении электропитания, состояние М может быть предпочтительным исходным состоянием и представлять логическую 1, возможно 0. Еще преимуществом является то, что состояние М в качестве исходного состояния обеспечивает возможность быстрого стирания и возврата в исходное состояние, поскольку время цикла М--> Rb --> М в большинстве случаев несколько больше 100 мкс при комнатной температуре.

Фиг. 8а-в изображают соответственно шаги записи/сохранения, считывания и стирания, в которых исходным метастабильным состоянием является состояние М и, с учетом того, что было упомянуто в общей части описания, едва ли нуждаются в дальнейшем пояснении. Если желательно долговременное устойчивое хранение данных в структуре бактериородопсина, бактериородопсин должен быть заранее приготовлен с помощью желтого света ( = приблизительно 380 нм) и инициализирован в состояние Q, как это изображается на фиг.7.

Теперь структура бактериородопсина первоначально находится в состоянии Q. Запись происходит, как изображается на фиг.9а, посредством подачи на излучатели или светочувствительные органические диоды, напряжения питания, которое является достаточно высоким для того, чтобы излучался синий свет, и переводил структуру бактериородопсина в освещенной точке в основное состояние bR. Считывание происходит, как изображается на фиг.9б, посредством приложения к излучателю низкого напряжения, под действием которого светоизлучающие диоды излучают желтый свет. В зависимости от того, находится ли структура бактериородопсина в состоянии bR, или в состоянии Q, желтый свет будет поглощаться в большей или меньшей степени. Таким образом, измеряя напряжение сигнала на выходе детектора, можно определить логическое состояние структуры бактериородопсина.

Как только структура бактериородопсина перешла из состояния Q в состояние bR, она может, как изображается на фиг.9в, быть возвращена в состояние Q посредством облучения светом на длине волны, которая одновременно взаимодействует с состояниями bR и О, что соответствует операции возвращения в исходное состояние или стирания. Если оптический логический элемент должен использоваться в оптическом логическом устройстве в виде устройства хранения данных типа ПЗУ (ROM) или типа WORM (оптический диск для однократной записи и многократного считывания), и с использованием излучателя, который может излучать световое излучение двух цветов, например, перестраиваемый напряжением органический светоизлучающий диод, то операции записи и считывания происходят следующим образом.

В сущности, снова предполагается, что структура бактериородопсина фабричным образом приготовлена в состоянии Q, то есть что логический элемент первоначально, перед адресацией, находится в метастабильном состоянии, созданном заранее. В этом состоянии Q он может оставаться в течение нескольких лет, если он не облучается синим светом. Кроме того, также предполагается, что состояние Q молекул бактериородопсина задается как логическая 1. Облучение синим светом переводит молекулы бактериородопсина из состояния Q в состояние bR, которое представляет логический 0, и теперь запись происходит посредством изменения исходного состояния Q в основное состояние bR. Излучатель активизируется коротким импульсом напряжения высокого уровня, такого, что структуру бактериородопсина облучает смесь синего и желтого света. Желтая спектральная составляющая не изменяет логического состояния молекул бактериородопсина. Желтый свет, поглощенный молекулами в состоянии bR, инициирует фотохимический цикл, но ветвление состояний Р и Q не происходит, так как предполагается, что продолжительность светового импульса меньше, чем время цикла, которое необходимо для достижения состояния О. Даже при относительно длительной продолжительности световых импульсов спектральные составляющие в желтой области будут слабы и неэффективны для того, чтобы перевести значительную долю молекул из состояния О в состояние Р. Спектральная составляющая синей области главным образом поглощается молекулами в состояниях М и Q, так что оба состояния переходят в состояние bR. Переход из состояния Q в состояние bR является операцией записи, то есть изменением логического состояния 1 на логическое состояние 0.

Считывание происходит посредством активизирования излучателя коротким импульсом напряжения низкого уровня, таким образом, что структуру бактериородопсина облучает только желтый свет. В зависимости от относительной населенности молекул в состоянии bR в структуре бактериородопсина, большая или меньшая часть света проходит через структуру и детектируется нижележащим элементом детектора. Низкое пропускание света через структуру бактериородопсина подразумевает, что большая населенность молекул в нем находится в состоянии bR или логическом состоянии 0, в то время как большая населенность в состоянии Q, которое поглощает спектральные составляющие в синей области, дает лучшее пропускание желтого света и соответствует логическому состоянию 1. Как обсуждалось здесь, это подразумевает схему WORM (оптический диск для однократной записи и многократного считывания), то есть данные могут быть только однажды записаны, а после этого считываться многократно. Запись может также иметь место на месте производства программных продуктов WORM. Вышеупомянутые схемы для записи и считывания могут быть очевидным способом продлены так, чтобы еще раз получалась возможность стирания и записи данных. Еще раз следует предположить, что запись, считывание и стирание основаны на использовании непосредственной адресации структуры бактериородопсина с помощью перестраиваемого напряжением излучателя, который излучает в двух спектральных диапазонах, то есть двухцветного излучателя.

Более внимательное исследование фотохимического цикла на фиг.1 показывает, что постоянное облучение вблизи изоберической точки 600 нм для поглощения в состояниях bR и О будет обеспечивать функционирование состояния Q в качестве приемника. Поглощение света на длине волны 600 нм молекулами в состоянии bR инициирует фотохимический цикл, поскольку молекулы в каждой точке бактериородопсина освещаются светом с длиной волны 600 нм. Только два из переходных состояний фотохимического цикла имеют значительное поглощение на 600 нм, а именно, состояния К и О. Молекулы в состоянии К будут поглощать некоторое количество света и возвращаться в состояние bR, так что будет иметь место нежелательная реакция возвращения к переходу молекул из состояния bR в состояние Q. Время пребывания в состоянии К, однако, является коротким - почти 2 мкс и, следовательно, значительно короче, чем в состоянии О, которое имеет время жизни порядка нескольких миллисекунд, но для которого молярная поглотительная способность на соответствующей длине волны сопоставима с таковой для состояния К. Молекулы, которые переходят из состояния О в состояние Р под влиянием облучения светом на длине волны 600 нм, в конце концов заканчивают переход в состоянии Q, в то время как остающаяся часть возвращается в состояние bR.

Если освещение продолжается в течение достаточно длительных промежутков времени, молекулы, которые возвращаются в состояние bR, будут неоднократно циркулировать, тогда как часть их ответвляется в состояния Р и Q в каждом цикле. Следовательно, в течение достаточно длительного периода все молекулы останутся в состоянии Q, учитывая, что скорость спонтанного перехода из состояния Q в состояние bR является ничтожной.

Вышеупомянутые операции, которые являются медленными, но совместимыми с источниками света низкой интенсивности, могут быть сопоставлены с теми, которые были раскрыты в вышеупомянутом международном патентном описании WO 96/21228, в котором импульс желтого света инициирует фотохимический цикл, а красный импульс используется тогда, когда возбужденные молекулы достигают состояния О. В последнем случае достигаются намного более высокие скорости, но одновременно необходимо использовать световые источники высокой интенсивности, которые излучают на нескольких длинах волн.

Относительно простая схема с использованием двух длин волн для считывания и записи данных, как раскрыто выше, будет все еще возможной, если излучатель сделан таким, что он излучает красный свет на длине волны приблизительно 600 нм при низком напряжении и красный и синий свет при более высоких напряжениях. Запись будет теперь происходить при подаче импульсов с более высоким напряжением, а если время облучения достаточно короткое, то только синий свет будет влиять на населенность в непереходных состояних, то есть, посредством перемещения молекул из состояния Q в состояние bR. Считывание происходит посредством освещения структуры бактериородопсина красным светом, то есть при подаче импульсов с более низким напряжением излучателя. Если время облучения является достаточно коротким, то считывание не будет затрагивать населенность в состояниях bR и Q. Спектральная адаптация к основному состоянию bR, однако, теперь хуже, какие-либо другие факторы могут влиять на скорость считывания.

Удаление, или операция стирания/возврата в исходное состояние, может быть достигнута непрерывным освещением красным светом, то есть излучатель запитывается низким напряжением в течение определенного временного периода. Длительность необходимого периода зависит от ряда факторов, например, желательной населенности в состоянии Q, оптической архитектуры, эффективности излучателя, температурной и спектральной адаптации, но, вообще говоря, занимает значительно больше времени, чем обычные операции записи и считывания. Это не обязательно приведет к проблемам, так как во многих применениях, операции стирания/сброса могут происходить не связанными, или быть подчинены протоколу управления, посредством которого операции записи/считывания не нарушаются.

Там, где текст на фиг. 6-9 поясняет, что происходит облучение светом высокой интенсивности, должно быть понятно, что, если операция имеет критический временной фактор, то есть ограничивается заданной постоянной времени, альтернативно, может иметь место также облучение светом относительно низкой интенсивности, но за более длинный период времени.

Также вполне возможно использовать оптический логический элемент согласно изобретению не только для сохранения данных, но также и в виде элементарной логической ячейки, которая может переключаться из одного состояния в другое, и возможно, вновь возвращаться в исходное положение 0; такие элементарные логические ячейки могут использоваться для формирования логических элементов или построения оптических логических схем или устройств с намерением, например, выполнения логических алгебраических операций. Примером использования такого типа могут, например, быть оптические логические схемы в виде оптических логических элементов для выполнения логических функций, таких, как И, НЕ и т.д. Такая логическая алгебра или булевы операции хорошо известны специалистам, и нет необходимости обсуждать их более подробно. Однако, должно быть понятно, что при использовании двузначной (бинарной) логики, оптический логический элемент, который выполняет функции типа логической конъюнкции, логической дизъюнкции, логической эквивалентности и логической импликации, согласно изобретению состоит из двух оптических логических элементов, подключенных к общему выходу. Логическое отрицание, конечно, может быть реализовано с помощью одного оптического логического элемента.

Предпочтительно, переключение оптического логического элемента согласно изобретению подразумевает возбуждение перехода из текущего состояния оптического логического элемента в другое состояние с одновременным и немедленным последующим детектированием второго состояния. Если соответствующие состояния первоначально являются устойчивыми или метастабильными, детектирование может происходить в неопределенный последующий момент времени и соответствует обычной операции чтения. Как изображается на фиг.10а, первое обозначенное состояние I может быть либо метастабильным состоянием М, либо метастабильным состоянием Q, а второе состояние, обозначенное как II, состоянием bR бактериородопсина, или наоборот, переход из состояния М или состояния Q, вызывается посредством облучения светом, настроенным на полосу поглощения или длину волны возбуждения для состояния М или Q, соответственно, а детектирование состояния bR осуществляется светом, настроенным на полосу поглощения для состояния bR. Фиг.10б изображает переключение с использованием состояния bR в качестве исходного состояния I, и соответственно, состояний М и Q в качестве второго состояния II. Фиг.10в изображает переключение из Q состояния I в М состояние II, а фиг.10г - переключение из М состояния 1 в Q состояние II. Соответствующие переходы, которые изображены на фиг.10а-г, в каждом отдельном случае вызываются светом, настроенным на соответствующую полосу поглощения или длину волны возбуждения исходного состояния I. Конкретно для перехода из состояния Q в состояние М, облучение прерывается, когда значительная доля молекул из состоянии bR достигла состояния М и, таким образом, достигла перехода из состояния М в состояние Q, облучение продолжается до того момента, когда значительная доля молекул состояния bR достигнет состояния Q, или если облучение происходит светом, настроенным на соответствующую полосу поглощения или длину волны возбуждения состояния О, которое в фотохимическом цикле следует за состоянием М, до того момента, когда молекулы, находящиеся в состоянии М, в основном достигли состояния Q.

Из фиг.10а видно, что с использованием состояния М или состояния О в качестве исходного состояния I и состояния bR в качестве второго состояния II, переключение осуществляется очень быстро. Возврат в исходное состояние (или установка к нулю) из состояния bR в состояние М занимает чуть больше, чем 100 мкс, в то время как возврат в исходное состояние из состояния bR в состояние Q занимает значительно более длительное время, обычно несколько миллисекунд. Также, используя основное состояние bR или состояние Q в качестве исходного состояния I и состояние М в качестве второго состояния II, переключение соответственно может осуществляться быстро (фиг.10б, в) с очень быстрым возвратом в исходное состояние из состояния М в состояние bR и медленным возвратом в исходное состояние из состояния М в состояние Q (> 2 мс). Если оптический логический элемент согласно изобретению используется для реализации, например, логических элементов и схем в оптическом логическом устройстве, то желательно, чтобы переключение осуществлялось быстро, и это подразумевает, что будет выгодно выбирать исходное состояние, в котором переключение во второе состояние вызывается только фотохимической реакцией, таким образом, выгодно выбирать чистый процесс возбуждения. Возврат в исходное состояние (или установка к нулю), то есть приведение оптического логического элемента обратно в основное состояние, обычно будет намного менее критичен в отношении времени и, следовательно, не имеет значения, что возврат в исходное состояние содержит тепловые релаксационные процессы. В оптическом логическом устройстве с большим количеством оптических логических элементов, оптические логические элементы дополнительно могут переключаться и возвращаться в исходное состояние параллельно, и скорость переключения устройства тогда будет определяться тем, сколько логических элементов может адресоваться одновременно.

Однако, для операции переключения нет условий, когда оба состояния являются или устойчивыми, или метастабильными. Также возможно, что операция переключения может быть произведена посредством возбуждения перехода из исходного метастабильного состояния или из основного состояния в короткоживущее нестабильное состояние в фотохимическом цикле, так, что переключение и сброс могут осуществляться чрезвычайно быстро. Например, это может быть в случае использования бактериородопсина, поскольку светочувствительный материал реализуется посредством использования основного состояния bR в качестве исходного состояния, и посредством другого состояния М, например, являющегося самым короткоживущим состоянием К в фотохимическом цикле. Переход из состояния bR в состояние К, который является вынужденной возбуждением реакцией, имеет постоянную времени возбуждения только 10 пс, которая зависит от интенсивности, коэффициента поглощения и квантового выхода. Не показанное на фигуре нестабильное состояние J присутствует, однако, в той части фотохимического цикла, которая находится между состоянием bR и состоянием К, но оно не будет оказывать никакого заметного влияния на переключение. Время жизни/пребывания в состоянии К составляет самое большее несколько микросекунд, после чего состояние К релаксирует в состояние L. Подразумевается, что детектирование состояния К должно быть точно синхронизовано по времени. Состояние К посредством тепловой релаксации переходит в состояние М приблизительно через 100 мкс, из чего предполагается, что оптический логический элемент может быть установлен на нуль в этой операции переключения посредством облучения состояния М светом на длине волны 410 нм, таким образом, что будет осуществляться возбуждаемый переход из состояния М обратно в основное состояние bR.

Очень короткое окно детектирования в течение 2 мкс для состояния К может вызвать проблемы, если детектирование должно осуществляться по поглощению. Возможное решение заключается в том, чтобы осуществлять детектирование по излучению. Предполагается, что бактериородопсин в состоянии К флюоресцирует, а излучение флюоресценции может детектироваться в детекторе с возможно лучшей чувствительностью, чем та, которая бы имела место при использовании детектирования поглощения. Пока имеется слишком мало знаний о свойствах флюоресценции различных неустойчивых и метастабильных состояний бактериородопсина. То же самое имеет место и для другого светочувствительного органического вещества, которое может использоваться в настоящем изобретении, но если операция переключения подразумевает использование неустойчивого состояния в таких материалах, детектирование флюоресценции, то есть детектирование по излучению, очевидно, может иметь преимущества, когда операция переключения осуществляется очень быстро и окно детектирования очень узкое.

В соответствии с изобретением, мультистабильный оптический логический элемент и способ для его оптической адресации может использоваться в оптическом логическом устройстве для хранения и обработки данных. В этом случае должно быть понятно, что при обработке данных, оптический логический элемент объединяется в оптические логические схемы для выполнения алгебраических операций с использованием оптических логических элементов, которые выполняют эти функции, или для выполнения бинарных арифметических операций с использованием регистров, которые реализуют такие операции. Такие оптические логические элементы или оптические арифметические регистры могут быть реализованы по технологии, которая является аналогом соответствующих устройств на основе полупроводников, и кроме того, раскрывается в литературе, а также хорошо известна специалистам, так что здесь нет необходимости подробно обсуждать требуемую архитектуру схемы.

Оптическое логическое устройство этого типа не обязательно должно быть реализовано с непосредственно адресуемыми оптическими логическими элементами, и схема двумерного (планарного) запоминающего устройства с использованием оптических активных структур в виде матриц микролинз изображается схематично на фиг.11 в разобранном виде. Здесь светочувствительный материал оптических логических элементов имеет структуру в виде слоя, который образует матрицу 13 из этих структур, тогда как каждая отдельная структура может быть расценена как элемент в матрице. Для обращения к каждому элементу матрицы 13 из светочувствительного органического материала обеспечивается совмещенная матрица 14 излучателей, и между матрицей излучателей и светочувствительным органическим материалом обеспечиваются соответственно совмещенные пространственный модулятор света (ПМС, SLM) и лист 15 из элементарных линз или микролинз. Структуры матрицы 13, которые в действительности являются смежными к листу 15 линз, соответствующим образом адаптированы по форме к элементарным линзам. Вместо элементарных линз или микролинз, то есть преломляющих структур, могли бы также использоваться дифракционные структуры. Далее, на противоположной стороне и под матрицей 13 из органического светочувствительного материала обеспечивается матрица 16 детекторов, совмещенная соответствующим способом с каждой отдельной структурой из светочувствительного органического материала. Адресация оптического логического элемента в этом устройстве изображается световыми лучами, а фокусировка на светочувствительный материал в матрице 13 обозначена посредством вершины светового пучка. Соответствующие оптические логические устройства известны из патентной литературы, но они используют прожигаемые пленки, флуоресцентные слои и другие носители, которые осуществляют изменение состояния при записи и считывании данных. Оптическое логическое устройство вышеупомянутого типа, основанное на оптическом логическом элементе согласно настоящему изобретению, будет представлять собой двумерный лист с различными компонентами, обеспеченными в слоях, и то, что для него требуется, это то, что должно иметься уникальное соотношение между излучателем и присвоенным ему оптическим логическим элементом, нечто наподобие такого, которое может быть достигнуто посредством использования пространственного светового модулятора ПСМ. Для некоторых эксплуатационных режимов, например, считывания данных, может использоваться связь одного элемента со многими без какого-либо промежуточного пространственного светового модулятора. Это подразумевает, например, что детектор не обязательно должен быть матрицей, а может быть реализован как единое целое.

Если используются непосредственно адресуемые оптические логические элементы согласно изобретению, то естественно, нет больше необходимости как в оптически активных структурах в виде линз или дифракционных элементов, так и в пространственном модуляторе света. Тогда оптическое логическое устройство может быть образовано большими соединенными пластинами, а эти пластинки могут снова быть сложены друг на друга таким образом, чтобы обеспечить объемное оптическое логическое устройство. Оптические логические устройства этого типа раскрыты в международном патентном описании PCT/ 97/00154, которое тем самым включено здесь ссылкой и права на которое были переданы настоящему заявителю.

Расположение непосредственно адресуемых оптических логических элементов в матрице изображено на фиг.12а, на которой раздельно изображены отдельные слои матрицы, т. е. излучателей 14, светочувствительного органического материала 13 и детектора 16. Матрица состоит из mn логических элементов, а на фиг.12а она реально изображается как матрица размером 55. На матрице 14 излучателей обеспечены электроды 3, 4, см. фиг.3, а светоизлучающий диод в каждом пересечении между электродами 3, 4 генерирует излучение при подаче напряжения _D. Следовательно, излучатель или светоизлучающий диод должен излучать свет, который действует на светочувствительный органический материал в матрице 13, например, бактериородопсин. Детектирование осуществляется в матрице 16 детекторов, в которой освещение в каждой точке пересечения между обеспеченными электродами 6, 7, соответственно, производит поглощение света диодом детектора. Оптический логический элемент, который сформирован таким образом, изображается как OLE_1,3, с каждым из слоев матриц 13, 14, 16 в данном случае ради простоты изображенных как матрица размером 55.

Оптическое логическое устройство, подобное тому, как изображено на фиг. 12а, может теперь использоваться для формирования объемного оптического логического устройства, содержащего множество слоев или матриц S₁...S_x. Логическое устройство этого вида изображается в разрезе на фиг.12б, и в каждом отдельном слое S в нем обеспечиваются матрица 14 излучателей, матрица 13 органического светочувствительного материала и матрица 16 детекторов. Так же как и на фиг.12а, имеются электроды 3, 4; 6, 7, и оптический логический элемент формируется между точками пересечения для электродов 3 и 4 и соответствующих электродов 6, 7, соответственно. Между каждым из слоев S, а также, по-видимому, на верхней и нижней поверхностях устройства, можно обеспечить слой электрической изоляции или, возможно, также оптической изоляции. Устройство, изображенное на фиг.12б, для простоты предполагается реализовать в виде куба с 555 оптическими логическими элементами, следовательно общее их количество равно 125. Протяженность оптического логического элемента OLE в пределах слоя S₁ изображена на фиг.12б и может соответствовать оптическому логическому элементу OLE_1,3, как изображено на фиг.12а.

Поскольку каждый из оптических логических элементов адресуется непосредственно, то есть и излучатель, и детектор обеспечиваются смежно к светочувствительному органическому материалу и располагаются внутри устройства, то вопрос, сколько элементов будет содержать матрица размерностью mn, и сколько слоев S должны быть уложены друг на друга, является чисто практическим.

Если оптическое логическое устройство реализовано так, как изображается на фиг.11, то оно может в практическом варианте воплощения содержать большое число логических элементов, обеспеченных в двумерной пластинке. Размеры оптического логического элемента будут ограничиваться использованием оптически активной структуры, так как длина волны света устанавливает предел того, насколько малым может быть реализован оптический логический элемент. Это подразумевает, приближенно, что площадь оптического логического элемента будет приблизительно пропорциональна квадрату длины волны ², а плотность хранения, следовательно, обратно пропорциональна ², так, что на площади 1 см² может быть реализовано оптическое логическое устройство, содержащее приблизительно 10⁸ оптических логических элементов согласно настоящему изобретению.

Если, в противном случае, оптическое логическое устройство основано на использовании непосредственно адресуемых оптических логических элементов согласно настоящему изобретению, как изображается на фиг.12а, б, то единственным ограничением в масштабном множителе являются, по меньшей мере теоретически, размеры молекул светочувствительного материала и минимальная реализуемая протяженность доменов в излучателях. Практические эксперименты показывают, что в настоящее время могут быть реализованы оптические логические элементы протяженностью в единицы десятков нанометров и с соответствующими малыми проводящими структурами электродов излучателей и детекторов, так, что реалистический размер ячейки может находиться в диапазоне 2500 нм и 10000 нм. В худшем случае это подразумевает 10¹⁰ оптических логических элементов на 1 см², а при объемной реализации с соответствующими толщинами слоев будет возможно получить 10¹⁵ непосредственно адресуемых оптических логических элементов в 1 см³. Считается возможным достигнуть улучшения линейного масштаба на один порядок величины, и тогда, согласно настоящему изобретению, может быть реализовано 10¹⁸ оптических логических элементов в 1 см³. Для того чтобы дать представление о емкости памяти оптического логического устройства этого типа, можно предположить, что она соответствует памяти 10¹³ обычных книжных страниц, что должно быть достаточно для большинства типов архивного хранения.

Наконец, следует отметить существенную разницу между настоящим изобретением и уже упомянутым предшествующим уровнем техники, который иллюстрируется международным патентным описанием WO 96/21228, в котором светочувствительный органический материал, а именно бактериородопсин, используется в объемной форме, например, внутри кубической кюветы. При операции выборки страницы, это требует доступа к соответствующей странице, сформированной в бактериородопсине, что еще раз приводит к недостаткам уровня техники, как упомянуто во введении.

Другая существенная разница между настоящим изобретением и предшествующим уровнем техники и которая косвенно следует из использования бактериородопсина в виде слоисто-подобной структуры, состоит в использовании состояния Q в качестве основы операций адресации или записи. Для этой цели, оптическое логическое устройство, как упомянуто выше, приготавливается в процессе производства таким образом, что бактериородопсин заранее находится в состоянии Q. Это имеет далеко идущее значение для практического выполнения. Во-первых, переход из состояния bR в состояние Q не создает фактора, критическим образом зависящего от времени, для применения, и, кроме того, процесс является кумулятивным. Следовательно, при приготовлении может использоваться свет низкой интенсивности, и, кроме того, могут использоваться миниатюризированные светоизлучающие диоды. В противоположность этому, процесс записи, согласно патенту WO 96/21228, использует основное состояние bR в качестве основного и сталкивается с критическим временным окном в точке ветвления из состояния О в состояние Р, где необходим свет высокой интенсивности, обычно от лазера, чтобы возбудить значительную ветвящуюся реакцию.

Во-вторых, операции записи и стирания могут осуществляться чрезвычайно быстро, при условии достаточно интенсивного источника синего света, поскольку это подразумевает фотоиндуцированные скорости перехода между молекулярными состояниями, например, при записи, из состояния Q в основное состояние bR, или при стирании в состояние Q для реинициализации из состояния bR. Следовательно, удается избежать медленных тепловых релаксационных переходов между другими состояниями в фотохимическом цикле бактериородопсина. В-третьих, считывание не нарушает логические состояния молекул и, следовательно, нет необходимости в процедурах регенерации.

Даже если настоящее изобретение по существу иллюстрировалось выше со ссылкой на использование в качестве светочувствительного органического материала - бактериородопсина, с использованием его состояний в фотохимическом цикле, конечно должно быть понятно, что изобретение не ограничивается использованием бактериородопсина или относящихся к нему соединений в качестве светочувствительного органического материала, но что в рамках приложенной формулы изобретения можно с таким же успехом использовать любой другой светочувствительный органический материал, который может проходить фотохимический цикл, и имеющий характеристики, аналогичные бактериородопсину.