ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛОГОВЫЙ НАНОДЕМУЛЬТИПЛЕКСОР 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 приемо-передающих устройств.

Известные различные демультиплексоры, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983], обеспечивающие подключение входа устройства к одному из информационных выходов в зависимости от состояния входов адреса. Недостатком этих демультиплексоров являются большая сложность и низкое быстродействие, уменьшающееся с ростом количества выходов мультиплексора.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический мультиплексор-демультиплексор, содержащий последовательно установленные и оптически связанные между собой общий тракт, расщепитель луча, фокусирующие элементы и отдельные тракты для раздельной передачи сигналов различных длин волн [Патент RU 2199823 С2]. Недостатками данного оптического мультиплексора-демультиплексора являются его сложность и невозможность наноразмерного исполнения.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи демультиплексирования оптических аналоговых сигналов - подключения входа устройства к одному из информационных выходов в зависимости от состояния входа адреса с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации, задачи упрощения устройства и задачи реализации устройства в наноразмерном исполнении.

Поставленные задачи возникают при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемо-передающих 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 редакцией 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 в него введены оптический М-выходной нановолоконный разветвитель, М оптических нановолокон, М оптических выходных нановолокон, две телескопические нанотрубки, источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, управляющее оптическое нановолокно, оптический нановолоконный N-входной объединитель, причем информационным входом устройства является вход М-выходного нановолоконного разветвителя, управляющим входом устройства является вход управляющего оптического нановолокна, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя, выходы М-выходного нановолоконного разветвителя оптически связаны со входами М оптических нановолокон, выходы М оптических нановолокон оптически связаны со входами М оптических выходных нановолокон, выходы М-выходного нановолоконного разветвителя и выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, телескопические нанотрубки расположены между выходом управляющего оптического нановолокна и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя по оси распространения их выходных оптических сигналов таким образом, что в крайнем левом положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходами N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя, а также разрывает оптические связи между выходами М-выходного нановолоконного разветвителя и входами М оптических нановолокон, при этом оптические связи между выходами М оптических нановолокон и входами М оптических выходных нановолокон присутствуют, выходами устройства являются выходы М оптических выходных нановолокон.

На чертеже представлена функциональная схема оптического аналогового нанодемультиплексора (ОАНМ).

Устройство состоит из оптического М-выходного нановолоконного разветвителя 1, М оптических нановолокон 2_{i, i=1, M}; М оптических выходных нановолокон 3_{i, i=1, M}, двух телескопических нанотрубок 4_{i, i=1, 2}, (4₁ - внутренняя нанотрубка, 4₂ - внешняя нанотрубка), источника постоянного оптического сигнала 5, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6, управляющего оптического нановолокна 7, оптического нановолоконного N-входного объединителя 8.

Информационным входом устройства «D» является вход М-выходного нановолоконного разветвителя 1, управляющим входом устройства является вход управляющего оптического нановолокна 7.

Выходами устройства «Y₁…Y_M» являются выходы выходных оптических нановолокон 3_{i, i=1, M}.

Выход источника постоянного оптического сигнала 5 подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6. Выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6 оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя 8.

Выходы оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 1 оптически связаны со входами М оптических нановолокон 2_{i, i=1, M}. Выходы М оптических нановолокон 2_{i, i=1, M} оптически связаны со входами М оптических выходных нановолокон 3_{i, i=1, M}.

Световой поток с выходов оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 1 и оптических нановолокон 2_{i, i=1, M} распространяется по оси OY, световой поток от оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6 распространяется по оси OZ (см. чертеж).

Телескопические нанотрубки 4₁, 4₂ расположены между выходом управляющего оптического нановолокна 7 и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя 8 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под действием разности давлений световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 Вт 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]).

В крайнем левом (исходном) положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптические связи между выходами N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 6 и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя 8, а также оптические связи между выходами оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 1 и входами М оптических нановолокон 2_{i, i=1, M}. При этом оптические связи между выходами М оптических нановолокон 2_{i, i=1, M} и входами М выходных оптических нановолокон 3_i присутствуют.

Устройство работает следующим образом.

С выхода источника постоянного оптического сигнала 5 сигнал с интенсивностью N·K усл.ед. (N - количество выходов N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 6) поступает на вход N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 6, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью К усл.ед.

До подачи на вход «А» оптического управляющего (адресного) сигнала устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4₁ находится в крайнем левом (исходном) положении, что обеспечивается сигналом обратной связи с выхода N-входного оптического нановолоконного объединителя 8.

В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптические связи между выходами оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 1 и входами оптических нановолокон 2₁-2_М.

Пусть на вход устройства «А» подан оптический сигнал с известной заданной интенсивностью I₁, обеспечивающей коммутацию входного сигнала со входа D на выход устройства Y₁. Тогда на внутреннюю нанотрубку 4₁ будет действовать разность световых давлений: давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе управляющего оптического нановолокна 7 - F=Z·I₁ (Z - коэффициент пропорциональности), и давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 8 (в начальный момент равно нулю).

Под действием разности световых давлений внутренняя нанотрубка 4₁ из крайнего левого положения начнет перемещаться вправо, интенсивность светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 8 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «X» внутренней нанотрубки 4₁. Т.к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки 4₁ составляют единицы микрон, а диаметры оптических нановолокон - нанометры, 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 выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 8 будет равна «К·Х», где «К» - интенсивность постоянного оптического сигнала. Оптический сигнал с интенсивностью «К·Х» 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) величина перемещения «X» будет равна

X₁=I₁/K.

(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, интенсивностью I входного оптического сигнала и составляет ≈10^-9-10^-10 с).

Смещение внутренней нанотрубки 4₁ вправо приведет к образованию связи между первым выходом оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 1 и входом оптического нановолокна 2₁, но не приведет к разрыву оптических связей между выходами нановолокон 2₁…2_М и входом оптического выходного нановолокна 3₁. Оптический сигнал со входа D поступит на выход Y₁.

Пусть теперь на вход устройства «А» подан управляющий оптический сигнал с интенсивностью I₂ (I₂>I₁), обеспечивающей коммутацию входного сигнала со входа D на выход устройства Y₂. Тогда внутренняя нанотрубка 4₁ начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна

X₂=I₂/K.

В положении Х₂ внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию оптических связей между первым и вторым выходами оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 1 и входами оптических нановолокон 2₁ и 2₂, но разрывает оптическую связь между выходом нановолокна 2₁ и входом оптического выходного нановолокна 3₁. Оптический сигнал со входа D поступит на выход Y₂.

При подаче на вход устройства «А» управляющего оптического сигнала с интенсивностью I₃ (I₃>I₂), обеспечивающей коммутацию входного сигнала со входа D на выход устройства Y₃, внутренняя нанотрубка 4₁ остановится в положении Х₃.

В положении Х₃ внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию связей между первым, вторым и третьим выходами оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 1 и входами оптических нановолокон 2₁…2₃, но разрывает оптические связи между выходами нановолокон 2₁, 2₂ и входами оптических выходных нановолокон 3₁, 3₂. Оптический сигнал со входа D поступит на выход Y₃.

При подаче на управляющий вход «А» других управляющих сигналов устройство будет работать аналогично: при подаче на вход устройства «А» оптического сигнала с интенсивностью I_p внутренняя нанотрубка 4₁ остановится в положении Х_Р. При этом внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию связей между выходами оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 1 (выходы от 1 до Р) и входами оптических нановолокон от 2₁ до 2_P, но разрывает оптические связи между выходами нановолокон от 2₁ до 2_P-1 и входами оптических выходных нановолокон 3₁…3_р-1. Оптический сигнал со входа D поступит на выход Y_P.

Таким образом, в зависимости от интенсивности сигнала на входе «А» вход «D» будет соединен с выходом «Y₁-Y_M».

Простота данного оптического аналогового нанодемультиплексора, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.

Изобретение может быть использовано в оптических устройствах обработки информации в тера- и гигагерцовом диапазонах. Нанодемультиплексор содержит оптический М-выходной нановолоконный разветвитель, М оптических нановолокон, М оптических выходных нановолокон, две телескопические нанотрубки, источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, управляющее оптическое нановолокно, оптический нановолоконный N-входной объединитель. Две телескопические нанотрубки расположены между выходом управляющего оптического нановолокна и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя таким образом, что в крайнем левом положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходами N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя, а также между выходами М-выходного нановолоконного разветвителя и входами М оптических нановолокон, при этом оптические связи между выходами М оптических нановолокон и входами М оптических выходных нановолокон присутствуют. Технический результат - повышение быстродействия, упрощение конструкции и обеспечение наноразмерного исполнения. 1 ил.

Оптический аналоговый нанодемультиплексор, отличающийся тем, что в него введены оптический М-выходной нановолоконный разветвитель, М оптических нановолокон, М оптических выходных нановолокон, две телескопических нанотрубки, источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, управляющее оптическое нановолокно, оптический нановолоконный N-входной объединитель, причем информационным входом устройства является вход М-выходного нановолоконного разветвителя, управляющим входом устройства является вход управляющего оптического нановолокна, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя, выходы М-выходного нановолоконного разветвителя оптически связаны со входами М оптических нановолокон, выходы М оптических нановолокон оптически связаны со входами М оптических выходных нановолокон, выходы М-выходного нановолоконного разветвителя и выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя расположенны во взаимно перпендикулярных плоскостях, телескопические нанотрубки расположены между выходом управляющего оптического нановолокна и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя по оси распространения их выходных оптических сигналов таким образом, что в крайнем левом положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходами N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя, а также разрывает оптические связи между выходами М-выходного нановолоконного разветвителя и входами М оптических нановолокон, при этом оптические связи между выходами М оптических нановолокон и входами М оптических выходных нановолокон присутствуют, выходами устройства являются выходы М оптических выходных нановолокон.