ОПТИЧЕСКОЕ ИНТЕГРИРУЮЩЕЕ НАНОУСТРОЙСТВО Российский патент 2010 года по МПК G02F7/00 B82B1/00 

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемопередающих устройств.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический интегратор, содержащий группу оптических ответвлений [А.с. №1767507, Россия, 1994. Оптический интегратор / Соколов С.В].

Недостатками данного устройства являются его сложность, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.

Заявленное устройство направлено на решение задачи интегрирования как когерентных, так и некогерентных оптических аналоговых сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, а также задачи наноразмерного исполнения устройства.

Поставленная задача возникает при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемопередающих наноустройств, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах.

Заявленное устройство строится на основе оптических нановолокон, варианты технического исполнения которых описаны в [Оптика наноструктур / Под ред. А.В.Федорова: СПб.: Недра, 2005 г.; Krenn J.R., Dereux A., Weeber J.C., et al. Squeezing the optical near-field zone by plasmon coupling of metal nanoparticles. Physical Review Letters, 1999, 82, 12, 2590], и телескопических нанотрубок, под которыми понимается пара вложенных одна в другую нанотрубок [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].

Сущность изобретения состоит в том, что устройство содержит источник постоянного оптического сигнала, два оптических нановолоконных объединителя, оптический нановолоконный трехвыходной разветвитель, две телескопические нанотрубки, - внутреннюю и внешнюю, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, оптический N-входной нановолоконный объединитель, оптическое нановолокно, входом устройства является первый вход первого оптического нановолоконного объединителя, входом устройства установка в начальное состояние является первый вход второго оптического нановолоконного объединителя, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя, выход оптического N-входного нановолоконного объединителя подключен ко входу оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя, первый выход оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя подключен ко второму входу оптического нановолокна, выход которого подключен ко второму входу первого оптического нановолоконного объединителя, третий выход оптического трехвыходного разветвителя подключен к второму входу второго оптического нановолоконного объединителя, телескопические нанотрубки расположены между выходами первого и второго оптических нановолоконных объединителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, второй выход оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя является выходом устройства.

На чертеже представлена функциональная схема оптического интегрирующего наноустройства.

Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, двух оптических нановолоконных объединителей 2_i, _{i=1, 2}, оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 3, двух телескопических нанотрубок 4_i, _{i=1, 2}, (4₁ - внутренняя нанотрубка, 4₂ - внешняя нанотрубка), оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5, оптического N-входного нановолоконного объединителя 6, оптического нановолокна 7.

Входом устройства "ВХ" является первый вход первого оптического нановолоконного объединителя 2₁.

Входом устройства "С" - установка в начальное состояние является первый вход второго оптического нановолоконного объединителя 2₂.

Выходом устройства "ВЫХ" является второй выход оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 3.

Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5. Выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5 оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя 6. Выход выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 6 подключен ко входу оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 3.

Телескопические нанотрубки 4₁, 4₂ расположены между выходами оптических нановолоконных объединителей 2₁ и 2₂ по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под воздействием разности давлений световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность давлений 5-15 нН) внутренняя нанотрубка 4₁ будет перемещаться в сторону оптического потока с меньшей интенсивностью (при этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимое давление для перемещения нанотрубки составляет аттоньютоны [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]).

Первый выход оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 3 подключен ко входу оптического нановолокна 7, выполняющего функцию элемента задержки. Выход оптического нановолокна 7 подключен ко второму входу первого оптического нановолоконного объединителя 2₁. Третий выход оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 3 подключен ко второму входу второго оптического нановолоконного объединителя 2₂.

В исходном (крайнем левом) положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптические связи между выходами оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5 и входами оптического N-входного нановолоконного объединителя 6.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии оптический сигнал с интенсивностью 3·K усл. ед. от источника постоянного оптического сигнала 1 поступает на вход оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5.

До подачи оптического сигнала на вход «Вх» устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4₁ находится в крайнем левом положении. (Если внутренняя нанотрубка 4₁ не находится в крайнем левом положении, то возникает оптическая связь между выходами оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5 и входами оптического N-входного нановолоконного объединителя 6 и световой поток с выхода оптического N-входного нановолоконного объединителя 6 поступает на вход оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 3. С третьего выхода оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 3 световой поток поступает на второй вход второго оптического нановолоконного объединителя 2₂ и далее поступает на внутреннюю нанотрубку 4₁, перемещая ее влево. В результате внутренняя нанотрубка 4₁ устанавливается в крайнее левое положение, а световой поток от оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5 уменьшается до 0. Интенсивность оптического сигнала на выходе устройства при этом будет равна 0 усл. ед.).

Пусть на вход устройства «Вх» подан оптический сигнал с интенсивностью I(t₁).

Оптический сигнал интенсивности I(t₁), пройдя через первый оптический нановолоконный объединитель 2₁, начинает оказывать световое давление на внутреннюю нанотрубку 4₁.

Под действием разности световых давлений, создаваемых оптическими потоками (входным I(t₁) и потоком обратной связи от второго оптического нановолоконного объединитель 2₂), внутренняя нанотрубка 4₁ из исходного положения начнет перемещаться вправо.

Интенсивность светового потока на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 6 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «X» (вдоль оси ОХ) внутренней нанотрубки 4₁. Т.к. длина внутренней нанотрубки 4₁ составляет единицы микрон, а диаметр оптических нановолокон - единицы нанометров, то изменение величины перемещения «X» для ясности последующего изложения можно считать непрерывным (дискретный характер изменения «X» не вносит никаких принципиальных ограничений в принцип действия устройства) - интенсивность светового потока на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 6 будет равна 3·K·Х усл. ед.

Оптический сигнал с интенсивностью 3·K·Х усл. ед. на выходе оптического нановолоконного N-входного объединителя 6 формирует на третьем выходе оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 3 (уменьшившись по интенсивности в три раза) сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 4₁ вправо, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «X» замедляется.

(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 4₁ (≈10^-15 - 10^-16 г), силой трения при ее движении (≈10^-9 н), интенсивностью «К» постоянного оптического сигнала, интенсивностями I входных оптических сигналов и составляет ≈10^-9 - 10^-10 c).

По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 4₁) силы, действующие на внутреннюю нанотрубку 4₁ с противоположных концов, будут равны (разность световых давлений, создаваемых оптическими потоками - входным I(t₁) и потоком обратной связи, будет равна нулю), а величина ее перемещения «X» будет равна

X(t₁)=I(t₁)/K=I(t₁)/K.

В результате прохождения оптического потока с интенсивностью 3·K усл. ед. через отверстие величиной «X» интенсивность оптического сигнала на втором выходе оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 3 составит

I_ВЫХ(t₁)=3·K·X(t₁)/3=3·K·I(t₁)/(3·K)=I(t₁).

Оптический сигнал с первого выхода оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 3 поступает на вход оптического нановолокна 7, выполняющего функцию элемента задержки, и через время dt (dt> времени переходного процесса перемещения внутренней нанотрубки) поступает на второй вход первого оптического нановолоконного объединителя 2₁.

В момент времени t₂=t₁+dt оптический сигнал с интенсивностью I(t₂) поступит на первый вход первого оптического нановолоконного объединителя 2₁. На второй вход первого оптического нановолоконного объединителя 2₁ при этом поступает сигнал с выхода оптического нановолокна 7 с интенсивностью I(t₁). Суммарный оптический поток начинает оказывать световое давление на внутреннюю нанотрубку 4₁.

Под действием разности световых давлений, создаваемых оптическими потоками (входным I(t₂)+I(t₁) и потоком обратной связи), внутренняя нанотрубка 4₁ из предыдущего положения начнет перемещаться вправо.

Интенсивность светового потока на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 6 увеличится пропорционально величине перемещения «X» (и будет равна 3·K·Х усл. ед.).

Оптический сигнал с интенсивностью 3·K·Х усл. ед. на выходе оптического нановолоконного N-входного объединителя 6, снимаясь с третьего выхода оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 3 (и уменьшившись по интенсивности в три раза), формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 4₁ вправо, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «X» замедляется.

По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 4₁) силы, действующие на внутреннюю нанотрубку 4₁ с противоположных концов, будут равны, а величина ее перемещения «X» будет равна

X(t₂)=(I(t₁)+I(t₂)/K=(I(t₁)+I(t₂))/K.

В результате прохождения через отверстие величиной «X» оптического потока с интенсивностью 3K усл. ед. интенсивность оптического сигнала на втором выходе оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 3 составит

I_ВЫХ(t₂)=3·K·X(t₂)/3=I(t₁)+I(t₂))·K/K=I(t₁)+I(t₂).

Таким образом, на выходе устройства «Вых» формируется сигнал, интенсивность которого равна результату интегрирования входного оптического сигнала.

Простота данного оптического интегрирующего устройства и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемопередающих наноустройств.

Наноустройство может быть использовано в оптических вычислительных наномашинах или приемопередающих наноустройствах, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах. Наноустройство содержит источник постоянного оптического сигнала, два оптических нановолоконных объединителя, оптический нановолоконный трехвыходной разветвитель, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, оптический N-входной нановолоконный объединитель, оптическое нановолокно. Входом устройства является первый вход первого оптического нановолоконного объединителя, входом устройства «установка в начальное состояние» - первый вход второго оптического нановолоконного объединителя. Телескопические нанотрубки расположены между выходами первого и второго оптических нановолоконных объединителей по оси распространения их выходных оптических сигналов. Второй выход оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя - выход устройства. Технический результат - интегрирование как когерентных, так и некогерентных оптических сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, а также обеспечение наноразмерного исполнения. 1 ил.

Оптическое интегрирующее наноустройство, содержащее источник постоянного оптического сигнала, два оптических нановолоконных объединителя, оптический нановолоконный трехвыходной разветвитель, две телескопические нанотрубки, внутреннюю и внешнюю, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, оптический N-входной нановолоконный объединитель, оптическое нановолокно, входом устройства является первый вход первого оптического нановолоконного объединителя, входом устройства установка в начальное состояние является первый вход второго оптического нановолоконного объединителя, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя, выход оптического N-входного нановолоконного объединителя подключен ко входу оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя, первый выход оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя подключен ко второму входу оптического нановолокна, выход которого подключен ко второму входу первого оптического нановолоконного объединителя, третий выход оптического трехвыходного разветвителя подключен к второму входу второго оптического нановолоконного объединителя, телескопические нанотрубки расположены между выходами первого и второго оптических нановолоконных объединителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, второй выход оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя является выходом устройства.