专利名称：基于细菌视紫红质分子材料的并行光子逻辑非门装置的制作方法
技术领域：
本发明属于信息激光技术、材料科学和信息技术领域，涉及一种新型生物材料的光信息处理方法设计，特别涉及一种基于细菌视紫红质分子材料的并行光子逻辑非门装置。
细菌视紫红质是野生嗜盐菌(Halobacterium，halobium)细胞膜上自然形成的二维结晶---紫膜(Purple membrane，PM)中唯一的蛋白成分，分子量约为26000。它的组织在盐浓度比海水高6倍多的盐沼中生存，紫膜中包含蛋白质---细菌视紫红质和磷脂基质(蛋白质∶磷脂＝3∶1)，并形成具有准晶体结构的三聚物，这种三聚物在细菌细胞中具有跨膜运输质子的质子泵功能，通过吸收光子，细菌视紫红质可以从暗适应状态转化为光适应状态，并引发一个带有许多中间态(bR-K-M-N-O-P-bR)的光循环过程，从而产生跨膜质子梯度，完成质子从细胞质侧(Cytoplasmic)向细胞外侧(Extracellular)的跨膜传输，将光能转化为化学能来把磷酸盐和ADP合成为能量物质ATP。细菌视紫红质的为垂直于细胞膜表面的含7个α螺旋的多肽棒，多肽键跨过膜，其C端在膜内，N端在膜外，质子通过席夫碱完成跨膜传输。由BR材料制备的生物分子膜是目前发现的唯一的结晶生物膜，它具有独特的光驱动质子泵和顺反开关功能，及双稳态和快速光电响应特性，特别是它的优良光致变色性能在光存储领域深具发展的前景。
作为一种新型的分子光信息材料，BR具有许多其他存储材料无可比拟的优点(1)可以组装成分子器件，因而可以实现超大容量信息处理需要；(2)利用BR分子不同中间态之间的光致变色特性，可以获得多种信息处理性能，因而具有多种用途。同时BR的光循环次数可达到107次，反复使用次数近乎无限。(3).通过不同的生物和化学分子组装技术，如LB膜技术、电沉积技术等，可以得到不同分子排列形式的结晶分子膜，可以得到各种需要的分子排列结构。(4)通过基因工程的DNA修饰和材料生物、化学改性，可以按照人们的意志改变其某些光化学特性，如延长某些中间态的寿命、使某一中间态成为稳态的结构(如9-cis)等等。使我们得到更佳的材料特性，以便适于不同场合的应用。(5)BR分子膜可与高分子聚合物进行特殊工艺的混合，从而在光学均匀性、分子排列结构和物理强度等方面大大得到加强，从而更适于商业上的应用。(6)BR材料取自于自然界盐田中的嗜盐菌，取材容易，同时易于大量繁殖培养，因此成本十分低廉，具有重要的商业价值。(7)BR材料具有极好的稳定性，例如在140℃的高温，失水状态及PH值接近0的环境下仍具有生物活性和光活性，是一种理想的工程材料；(8)BR材料为天然细菌生物蛋白，它的使用对自然界和人不会造成损害和污染，是一种纯“绿色”的光功能材料，符合人类可持续发展的要求。
发明内容
相对于现有的技术而言，利用分子制作的元器件具有在分子水平上管理、存储和传输信息的功能，从而突破了对于传统材料的限制，使器件更加微型化或达到更高的集成度，结合高速大容量并行光信息处理技术将利于实现真正意义上的海量的信息获取、传输和处理。BR分子具有优异的光子学特性，如稳定性好、光响应速度快、高光量子产额、优异的光致变色特性、很宽的态间吸收带位移以及可反复进行分子态操作，适于研制高性能的分子处理器件。开发新一代的全光逻辑处理器件是实现光计算和光信息处理的基础。
光波所荷载的信息是信息的重要源泉。而光学信息处理更具有大容量、高速度、信息宽带宽、可多通道并行或交叉传播等特点。对光子所携带的相关信息进行处理离不开逻辑运算，其有效的逻辑运算一般可通过光子逻辑门装置实现，光子逻辑门已成为光信息处理器中的一个关键部件。
本发明的目的在于设计一种基于生物材料非线性光学效应的细菌视紫红质分子制作的光子逻辑非门装置，用以实现在新型生物光敏介质——细菌视紫红质分子水平上的超大容量的信息处理。
为了实现上述目的，本发明在结构中采用了用细菌视紫红质材料制作的光子逻辑非门装置，本发明具有分辨率高、响应速度快、对比度高、感光灵敏度高、循环使用次数多、生产成本低等优点，可在大容量信息处理器上使用。
细菌视紫红质作为一种光生物材料具有极好的光致变色特性和光循环特性、使用光谱范围宽、分辨率高、感光灵敏度高、循环次数高、量子效率高、热和化学稳定性好、材料来源不受限制等独优点，使它在光信息处理和光存储领域有很大的潜力和广泛的应用前景。基于细菌视紫红质分子独特的光致变色特性和光循环特性，使得它在作为光子逻辑门装置方面具有目前一些电或光逻辑门不可替代的优势。由于它的光谱使用范围宽、循环次数高、量子效率高，使细菌视紫红质光子逻辑门装置的自调制功能工作的区间大、寿命长、效率高、稳定性好。同时使高分辨光子逻辑门转换装置能够对大容量、高分辨的图像信息进行快速多通道并行处理。
细菌视紫红质是来自嗜盐菌的细胞膜上的一种光敏蛋白分子，嗜盐菌能够生活在自然界极其恶劣的盐田环境中，繁殖能力很强，使得材料来源不受限制，可以大大地降低制作成本。工作原理及设计思路参考
图1，波长分别位于BR的B态和M态吸收带的两束光Iλ1和Iλ2同时作用于BR分子时，其中一束光会受到来自另一束光的作用，使得BR分子对其吸收增加而使其透过BR的光强度Io受到抑制。通过改变其中一束光的入射强度，能够达到调制另一束光的透过特性。
如果将入射及透过BR光强度的高低作为光逻辑的“1”和“0”来处理，则有可能利用BR的互抑透过特性实现复杂的BR的光逻辑操作，这就是利用BR实现光逻辑门的基本思路。
非门是输入与输出状态恰好相反的一种逻辑操作，对于BR，当输入的逻辑值为“1”时(有逻辑光输入)，透过BR器件的输出逻辑为“0”(即处于零或低光强输出)；而输入逻辑值为“0”(无输入状态)时，BR器件处于高输出光强(逻辑值“1”)状态。
这一逻辑操作可以直接利用BR互抑透过特性实现。
考虑只有一个逻辑输入光A，波长(λ1)位于菌紫质B态吸收带内，光强为IA；Ib为偏置光，也作为信号光，其波长(λ2)位于M态吸收带内。假设完全抑制Ib需要的波长为λ1的强度阈值为ISB，IA与ISB的关系是IA＞ISB；即IA能够完全抑制Ib在BR的透过，使其输出Io为“0”输出。
表1 BR非门操作结果
实现本发明的基于细菌视紫红质分子材料的并行光子逻辑非门装置所采取的技术方案是，用细菌视紫红质材料制作的光子逻辑非门装置，该逻辑非门装置包括，调制光源、调制扩束镜、调制滤波器、调制准直镜、电寻址空间光调制器、调制成像镜头、全反射镜、信号成像镜头、窄带反射镜、细菌视紫红质分子膜器件、信号准直镜、信号滤波器、信号扩束镜、信号光源和底板构成；在底板上一条水平光轴的左侧安装有调制光源、右侧安装有全反射镜，调制光源发射的光为单色光；全反射镜与窄带反射镜位于同一条垂直光轴上，在调制光源与全反射镜之间依次安装有调制扩束镜、调制滤波器、调制准直镜、电寻址空间光调制器、调制成像镜头；窄带反射镜与信号光源射出的光轴方向的夹角为135°，全反射镜与调制光源光轴方向的夹角为45°；窄带反射镜用于反射来自调制光的光束，其反射中心波长为调制光源的发射波长，其带宽小于50nm，来自信号光的光束可以完全通过它；电寻址空间光调制器5可将外部引入的电信号变成二维空间的调制信号，从而对来自调制光源的光束进行空间多通道调制，其通道的数量由电寻址空间光调制器本身的空间分辨率决定；调制光源所发射的光束经调制扩束镜会聚后扩束、经过调制扩束镜的焦点位置处所置的调制滤波器，再经过调制准直镜后，同样变为一束调制光源所发射的光束经调制扩束镜会聚后扩束、经过调制扩束镜的焦点位置处所置的调制滤波器、再经过调制准直镜后，同样变为一束直径与细菌视紫红质分子膜器件有效工作面积相同的准直光束，经过电寻址空间光调制器调制后，再通过调制成像透镜，及全反镜的90°光路调整，入射到45°窄带反射镜，由此光路入射的光垂直成像到细菌视紫红质分子膜器件上；由信号光源发出的光经过调制光的作用后，携带了调制信息，形成二维分布的多通道的光调制光信号，并经过的45°窄带反射镜及信号成像镜头射出，在信号成像镜头的像面位置为接口位置，即该细菌视紫红质光子非门装置的输出面；在底板上与上述一条水平光轴平行的另一条水平光轴的左侧安装有信号光源、右侧安装有信号成像镜头，信号光源发射的光为单色光；信号光源射出的光轴方向与一条水平光轴相重合，在信号光源与信号成像镜头之间信号光源射出的光轴方向上依次安装有信号扩束镜、信号滤波器、信号准直镜、细菌视紫红质分子膜器件、窄带反射镜；信号光源所发射的光束经信号扩束镜会聚后扩束、经过信号扩束镜的焦点位置处所置的信号滤波器、再经过信号准直镜变为一束直径与细菌视紫红质分子膜器件有效工作面积相同的准直光束，并通过细菌视紫红质分子膜器件、窄带反射镜及信号成像镜射出。
其中，信号扩束镜和调制扩束镜为同一型号的零部件，信号滤波器和调制滤波器为同一型号的零部件，信号准直镜和调制准直镜为同一型号的零部件，信号成像镜头和调制成像镜头为同一型号的零部件。
本发明的另一个特点是，所述调制光源的波长选择范围为530nm～600nm；所述信号光源的波长选择范围为390nm～430nm。
图3是图2中的细菌视紫红质分子膜器件10的结构示意图。
五具体实施例方式
下面结合附图和发明人依照本发明的技术方案所完成的实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1参见图2，图2是本发明的细菌视紫红质材料制作的光子逻辑非门装置的结构示意图。依本发明的技术方案，用细菌视紫红质材料制作的光子逻辑非门装置由调制光源1、调制扩束镜2、调制滤波器3、调制准直镜4、电寻址空间光调制器5、调制成像镜头6、全反射镜7、信号成像镜头8、窄带反射镜9、细菌视紫红质分子膜器件10、信号准直镜11、信号滤波器12、信号扩束镜13、信号光源14和底板15构成，信号扩束镜13和调制扩束镜2为同一型号的零部件，信号滤波器12和调制滤波器3为同一型号的零部件，信号准直镜11和调制准直镜4为同一型号的零部件，信号成像镜头8和调制成像镜头6为同一型号的零部件。
在底板15上一条水平光轴的左侧安装有调制光源1、右侧安装有全反射镜7，调制光源1的波长选择范围为530nm～600nm，它所发射的光为波长位于上述范围内的单色光。全反射镜7与窄带反射镜9在同一条垂直光轴上，在调制光源1与全反射镜7之间依次安装有调制扩束镜2、调制滤波器3、调制准直镜4、电寻址空间光调制器5、调制成像镜头6。窄带反射镜9与信号光源射出的光轴方向的夹角为135°，全反射镜7与调制光源1光轴方向的夹角为45°。窄带反射镜9用于反射来自调制光的光束，其反射中心波长为调制光源的发射波长，其带宽小于50nm，来自信号光的光束可以完全通过它，而不会有光能损失。电寻址空间光调制器5可将外部引入的电信号变成二维空间的调制信号，从而对来自调制光源的光束进行空间多通道调制，其通道的数量由电寻址空间光调制器5本身的空间分辨率决定，它也决定本发明的通道数。调制光源1所发射的光束经调制扩束镜2会聚后扩束、经过调制扩束镜2的焦点位置处所置的调制滤波器3、再经过调制准直镜4后，变为一束直径与细菌视紫红质分子膜器件10有效工作面积相同的准直光束，经过电寻址空间光调制器5调制后，再通过调制成像透镜6，及全反镜7的90°光路调整，入射到45°窄带反射镜9，由此光路入射的光垂直成像到细菌视紫红质分子膜器件10上。由信号光源14发出的光经过调制光的作用后，携带了调制信息，形成二维分布的多通道的光调制光信号，并经过的45°窄带反射镜9及信号成像镜头8射出，在信号成像镜头8的像面位置为接口位置，即该细菌视紫红质光子非门装置的输出面。
在底板15上与上述一条水平光轴平行的另一条水平光轴的左侧安装有信号光源14、右侧安装有信号成像镜头8，信号光源14的波长选择范围为390～430nm，它所发射的光为波长位于上述范围内的单色光。信号光源14射出的光轴方向与一条水平光轴相重合，在信号光源14与信号成像镜头8之间信号光源14射出的光轴方向上依次安装有信号扩束镜13、信号滤波器12、信号准直镜11、细菌视紫红质分子膜器件10、窄带反射镜9。信号光源14所发射的光束经信号扩束镜13会聚后扩束、经过信号扩束镜13的焦点位置处所置的信号滤波器12、再经过信号准直镜11变为一束直径与细菌视紫红质分子膜器件10有效工作面积相同的准直光束，并通过细菌视紫红质分子膜器件10、窄带反射镜9及信号成像镜头8射出。
实施例2参见图3，在图3中，本实施例的窄带反射镜9与信号光源射出的光轴方向的夹角为150°，全反射镜7与调制光源1光轴方向的夹角为30°。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3参见图3，图3是图2中的细菌视紫红质分子膜器件10的结构示意图，在图3中，增透膜16；玻璃基片17(材料为石英玻璃或光学玻璃)；细菌视紫红质分子膜18；玻璃基片19(材料为石英玻璃或光学玻璃)；增透膜20；金属夹圈21(材料为铝、铜或不锈钢等)；工作物质为细菌视紫红质分子膜18，夹在玻璃基片17与玻璃基片19之间。玻璃基片起支撑和保护细菌视紫红质分子膜18的作用；增透膜(又称减反射膜)16与增透膜(又称减反射膜)20作用是减少由于玻璃基片表面反射而造成的输出光能的损失。
增透膜16(增透光波长范围350nm～650nm采用真空蒸镀方法，可采用氟化镁MgF21～6层，或氧化锆(或氧化钛)与氧化硅4～8层膜)增透膜20(又称减反射膜，增透光波长范围350～650nm，采用真空蒸镀方法，可采用氟化镁MgF21～6层，或氧化锆(或氧化钛)与氧化硅4～8层膜)；本实施例的窄带反射镜9与信号光源射出的光轴方向的夹角为120°，全反射镜7与调制光源1光轴方向的夹角为60°。其它零部件以及零部件的联接关系与本发明利用细菌视紫红质材料制作的高分辨光子逻辑非门装置具有分辨率高，响应速度快，对比度高，感光灵敏度高，循环使用次数多，材料成本低等方面的优势，能够满足目前超高密度信息存储和大容量信息处理的需要。
权利要求
1.一种细菌视紫红质材料制作的光子逻辑非门装置，其特征在于，该逻辑非门装置包括，调制光源1、调制扩束镜2、调制滤波器3、调制准直镜4、电寻址空间光调制器5、调制成像镜头6、全反射镜7、信号成像镜头8、窄带反射镜9、细菌视紫红质分子膜器件10、信号准直镜11、信号滤波器12、信号扩束镜13、信号光源14和底板15构成；在底板15上一条水平光轴的左侧安装有调制光源1、右侧安装有全反射镜7，调制光源1发射的光为单色光；全反射镜7与窄带反射镜9位于同一条垂直光轴上，在调制光源1与全反射镜7之间依次安装有调制扩束镜2、调制滤波器3、调制准直镜4、电寻址空间光调制器5、调制成像镜头6；窄带反射镜9与信号光源射出的光轴方向的夹角为135°，全反射镜7与调制光源1光轴方向的夹角为45°；窄带反射镜9用于反射来自调制光的光束，其反射中心波长为调制光源的发射波长，其带宽小于50nm，来自信号光的光束可以完全通过它；电寻址空间光调制器5可将外部引入的电信号变成二维空间的调制信号，从而对来自调制光源的光束进行空间多通道调制，其通道的数量由电寻址空间光调制器5本身的空间分辨率决定；调制光源1所发射的光束经调制扩束镜2会聚后扩束、经过调制扩束镜2的焦点位置处所置的调制滤波器3，再经过调制准直镜4后，变为一束直径与细菌视紫红质分子膜器件10有效工作面积相同的准直光束，经过电寻址空间光调制器5调制后，再通过调制成像透镜6，及全反镜7的90°光路调整，入射到45°窄带反射镜9，由此光路入射的光垂直成像到细菌视紫红质分子膜器件10上；由信号光源14发出的光经过调制光的作用后，携带了调制信息，形成二维分布的多通道的光调制光信号，并经过的45°窄带反射镜9及信号成像镜头8射出，在信号成像镜头8的像面位置为接口位置，即该细菌视紫红质光子非门装置的输出面；在底板15上与上述一条水平光轴平行的另一条水平光轴的左侧安装有信号光源14、右侧安装有信号成像镜头8，信号光源14发射的光为单色光；信号光源14射出的光轴方向与一条水平光轴相重合，在信号光源14与信号成像镜头8之间信号光源14射出的光轴方向上依次安装有信号扩束镜13、信号滤波器12、信号准直镜11、细菌视紫红质分子膜器件10、窄带反射镜9；信号光源14所发射的光束经信号扩束镜13会聚后扩束、经过信号扩束镜13的焦点位置处所置的信号滤波器12、再经过信号准直镜11变为一束直径与细菌视紫红质分子膜器件10有效工作面积相同的准直光束，并通过细菌视紫红质分子膜器件10、窄带反射镜9及信号成像镜8射出。
2.根据权利要求1所述的用细菌视紫红质材料制作的光子逻辑非门装置，其特征在于，所述调制光源1的波长选择范围为530nm～600nm；所述信号光源14的波长选择范围为390nm～430nm。
3.根据权利要求1所述的用细菌视紫红质材料制作的光子逻辑非门装置，其特征在于，所述的信号扩束镜13和调制扩束镜2为同一型号的零部件，信号滤波器12和调制滤波器3为同一型号的零部件，信号准直镜11和调制准直镜4为同一型号的零部件，信号成像镜头8和调制成像镜头6为同一型号的零部件。
全文摘要
本发明公开了一种细菌视紫红质材料制作的光子逻辑非门装置，包括调制光源、调制扩束镜、调制滤波器、调制准直镜、电寻址空间光调制器、调制成像镜头、全反射镜、信号成像镜头、窄带反射镜、细菌视紫红质分子膜器件、信号准直镜、信号滤波器、信号扩束镜、信号光源和底板构成；细菌视紫红质是来自嗜盐菌的细胞膜上的一种光敏蛋白分子，嗜盐菌能够生活在自然界极其恶劣的盐田环境中，繁殖能力很强，使得材料来源不受限制，本发明利用细菌视紫红质材料制作的高分辨光子逻辑非门装置具有分辨率高，响应速度快，对比度高，感光灵敏度高，循环使用次数多，材料成本低等方面的优势，能够满足目前超高密度信息存储和大容量信息处理的需要。
文档编号G02F3/00GK1414425SQ0213954
公开日2003年4月30日 申请日期2002年11月26日 优先权日2002年11月26日
发明者陈烽, 吴洪才 申请人:西安交通大学