ОПТИЧЕСКОЕ ЛОГИЧЕСКОЕ 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.

Известны логические элементы, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983], обеспечивающие выполнение логических операций. Недостатком этих устройств являются низкое быстродействие и невозможность наноразмерного исполнения.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое вычитающее наноустройство, содержащее источник постоянного оптического сигнала, входной оптический нановолоконный Y-разветвитель, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два входных оптических нановолоконных объединителя, два оптических N-входных нановолоконных объединителя, две телескопические нанотрубки [патент России, №2364906, 2009. Оптическое вычитающее наноустройство. / Соколов С.В., Каменский В.В.].

Недостатком данного оптического вычитающего наноустройства является невозможность выполнения логических операций.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи выполнения 16 логических операций двух переменных с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации, и задачи реализации устройства в наноразмерном исполнении.

Поставленные задачи возникают 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 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 устройство введены четыре входных оптических нановолокна, четыре оптических нановолокна, оптический нановолоконный Y-разветвитель, оптический четырехвходной нановолоконный объединитель, источник постоянного оптического сигнала, оптический трехвходной нановолоконный объединитель, причем информационными входами являются вход оптического нановолоконного Y-разветвителя и третий вход оптического трехвходного нановолоконного объединителя, управляющими входами устройства являются входы входных оптических нановолокон, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен к первому входу трехвходного нановолоконного объединителя, первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен к второму входу оптического трехвходного нановолоконного объединителя, второй выход оптического нановолоконного Y-разветвителя является поглощающим, выход второго 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 входных оптических нановолокон оптически связаны со входами оптических нановолокон, выходы оптических нановолокон оптически связаны со входами оптического четырехвходного нановолоконного объединителя, причем выходы всех оптических нановолокон и выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, телескопические нанотрубки расположены между выходом оптического нановолоконного трехвходного объединителя и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, выходом устройства является выход оптического нановолоконного четырехвходного объединителя.

На чертеже представлена функциональная схема оптического логического наноустройства.

Устройство состоит из четырех входных оптических нановолокон 1_i, _i=1,4, четырех оптических нановолокон 1_j, _j=5,8, оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, оптического четырехвходного нановолоконного объединителя 3, двух телескопических нанотрубок 4_i, _i=1,2 (4₁ - внутренняя нанотрубка, 4₂ - внешняя нанотрубка), двух источников постоянного оптического сигнала 5_i, _i=1,2, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6, оптического трехвходного нановолоконного объединителя 7, оптического нановолоконного N-входного объединителя 8.

Информационным входом «x₁» является вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, информационным входом «x₂» является третий вход оптического трехвходного нановолоконного объединителя 7.

Управляющими входами устройства «D₁,…,D₄» являются входы входных оптических нановолокон 1_{i, i=1,4}.

Выходом устройства Y является выход оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3.

Выход первого источника постоянного оптического сигнала 5₁ подключен к первому входу трехвходного нановолоконного объединителя 7. Первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 подключен ко второму входу оптического трехвходного нановолоконного объединителя 7. Второй выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 является поглощающим.

Выход второго источника постоянного оптического сигнала 52 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 входных оптических нановолокон 1₁, 1₂, 1₃, 1₄ оптически связаны со входами оптических нановолокон 1₅, 1₆, 1₇, 1₈. Выходы оптических нановолокон 1₅-1₈ оптически связаны со входами оптического четырехвходного нановолоконного объединителя 3.

Световой поток от входных оптических нановолокон 1₁, 1₂, 1₃, 1₄ и оптических нановолокон 1₅, 1₆, 1₇, 1₈ 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 оптического нановолоконного объединителя 7 и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя 8 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]).

Устройство работает следующим образом.

С выхода второго источника постоянного оптического сигнала 5₂ 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. Сигнал с выхода первого источника постоянного оптического сигнала 5₁ с интенсивностью 1 усл. ед., пройдя оптический нановолоконный объединитель 7, поступает на его выход, формируя интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7, равную I₁=1 усл.ед.

В исходном состоянии, при отсутствии информационных и управляющих сигналов, на внутреннюю нанотрубку 4₁ будет действовать разность световых давлений: давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 - F=Z·I₁ (Z - коэффициент пропорциональности), и давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 8 (в начальный момент времени равного 0).

Под действием разности световых давлений внутренняя нанотрубка 4₁ 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 «K·X», где «K» - интенсивность постоянного оптического сигнала.

Оптический сигнал с интенсивностью «K·X» 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=1/К.

(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 4₁ (≈10^-15-10^-16 г), силой трения при ее движении (≈10^-9 Н), интенсивностью «K» постоянного оптического сигнала, интенсивностью I входного оптического сигнала и составляет ≈10^-9-10^-10 с.

В положении X₁ (исходном положении) внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию оптической связи между выходом первого входного оптического нановолокна 1₁ и входом пятого оптического нановолокна 1₅, но разрывает оптические связи между выходами входных оптических нановолокон 1₂-1₄ и входами оптических нановолокон 1₆-1₈. В исходном положении присутствуют также оптические связи между выходами оптических нановолокон 1₅-1₈ и входами оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3.

Управляющими входами устройства «D₁,…,D₄» являются входы входных оптических нановолокон 1_i, _i=1,4, на которые подается оптический код требуемой логической операции. Функция, вычисляемая устройством, зависит от кода на управляющих входах устройства «D₁,…,D₄» следующим образом:

1) код 0000 - константа нуля; 2) код 0001 - конъюнкция; 3) код 0010 - отрицание импликации от x₁ к x₂; 4) код 0011 - повторение аргумента x₁; 5) код 0100 - отрицание импликации от x₂ к x₁ 6) код 0101 - повторение аргумента x₂; 7) код 0110 - неравнозначность; 8) код 0111 - дизъюнкция; 9) код 1000 - отрицание дизъюнкции; 10) код 1001 - равнозначность; 11) код 1010 - отрицание аргумента x₂; 12) код 1011 - импликация от x₂ к x₁; 13) код 1100 - отрицание аргумента x₁; 14) код 1101 - импликация от x₁ к x₂; 15) код 1110 - отрицание конъюнкции; 16) код 1111 - константа единицы.

Пусть на управляющие входы устройства D₁…D₄ подан код 0001, соответствующий выполнению конъюнкции, а на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x₁=0 и x₂=0. Сигнал с выхода первого источника постоянного оптического сигнала 5₁ с интенсивностью 1 усл. ед., пройдя оптический нановолоконный объединитель 7, поступает на его выход, формируя интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7, равную I₁=1+0+0 усл. ед.

Подобная комбинация входных сигналов соответствует исходному состоянию устройства, поэтому внутренняя нанотрубка 4₁ не изменит своего начального положения X₁.

Т.к. в положении X₁ внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию оптической связи между выходом первого входного оптического нановолокна 1₁ и входом пятого оптического нановолокна 1₅, но разрывает оптические связи между выходами входных оптических нановолокон 1₂-1₄ входами оптических нановолокон 1₅-1₈, то оптический сигнал интенсивности 0 усл. ед. с информационного входа D₁ через первое входное оптическое нановолокно 1₁, пятое оптическое нановолокно 1₅, оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства. Интенсивность оптического сигнала на выходе Y будет равна 0.

Пусть на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x₁=1 и x₂=0. Оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед., пройдя оптический нановолоконный Y-разветвитель 2 и уменьшившись по интенсивности в два раза, поступает на второй вход оптического нановолоконного объединителя 7. Интенсивность оптического сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 в этом случае будет составлять I₂=1+0,5+0=1,5 усл. ед.

Внутренняя нанотрубка 4₁ начнет двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна

X₂=I₂/K.

В положении X₂ внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию оптических связей между выходами первого и второго входных оптических нановолокон 1₁, 1₂ и входами пятого и шестого оптических нановолокон 1₅, 1₆, но при этом разрывает оптическую связь между выходом оптического нановолокна 1₅ и первым входом оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3. Оптический сигнал с интенсивностью 0 усл. ед. с управляющего входа D₂ через второе входное оптическое нановолокно 1₂, шестое оптическое нановолокно 1₆ и оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства.

Пусть на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x₁=0 и x₂=1, тогда интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 будет составлять I₂=1+0+1=2 усл. ед.

Внутренняя нанотрубка 4₁ начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна

X₃=I₃/K.

В положении X₃ внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию оптических связей между выходами первого, второго и третьего входных оптических нановолокон 1₁, 1₂, 1₃ и входами пятого, шестого и седьмого оптических нановолокон 1₅, 1₆, 1₇. Но при этом внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптические связи между выходами оптических нановолокон 1₅, 1₆ и входами оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3. Оптический сигнал с интенсивностью 0 усл. ед. с управляющего входа D₃ через третье оптическое нановолокно 1₃, седьмое оптическое нановолокно 1₇, оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства.

Пусть на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x₁=l и x₂=1, тогда интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 будет составлять I₄=1+0,5+1=2,5 усл. ед.

Внутренняя нанотрубка 4₁ начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна

X₄=I₄/K.

В положении x₄ внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию оптических связей между выходами входных оптических нановолокон 1₁-1₄ и входами оптических нановолокон 1₅-1₈. При этом внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптические связи между выходами оптических нановолокон 1₅-1₇ и входами оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3. Оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. с управляющего входа D₄ через четвертое входное оптическое нановолокно 1₄, седьмое оптическое нановолокно 1₇ и оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства. В результате при данной комбинации управляющих сигналов устройство реализует функцию конъюнкции.

При подаче на управляющие входы D других управляющих сигналов устройство будет работать аналогично.

Пусть, например, на управляющие входы устройства D₁…D₄ подан код 1011, соответствующий выполнению функции импликации от x₂ к x₁, а на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x₁=0 и x₂=0. Сигнал с выхода первого источника постоянного оптического сигнала 5₁ с интенсивностью 1 усл. ед., пройдя оптический нановолоконный объединитель 7, поступает на его выход, формируя интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7, равную I₁=1+0+0 усл. ед.

Подобная комбинация входных сигналов соответствует исходному состоянию устройства, поэтому внутренняя нанотрубка 4₁ не изменит своего начального положения X₁.

Т.к. в положении X₁ внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию оптической связи между выходом первого входного оптического нановолокна 1₁ и входом пятого оптического нановолокна 1₅, но разрывает оптические связи между выходами входных оптических нановолокон 1₂-1₄ и входами оптических нановолокон 1₅-1₈, то оптический сигнал интенсивности 1 усл. ед. с информационного входа D₁ через первое входное оптическое нановолокно 1₁, пятое оптическое нановолокно 1₅, оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства. Интенсивность оптического сигнала на выходе Y будет равна 1 усл. ед.

Пусть далее на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x₁=l и x₂=0. Оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед., пройдя оптический нановолоконный Y-разветвитель 2 и уменьшившись по интенсивности в два раза, поступает на второй вход оптического нановолоконного объединителя 7. Интенсивность оптического сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 в этом случае будет составлять I₂=1+0,5+0=1,5 усл. ед.

Внутренняя нанотрубка 4₁ начнет двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна

X₂=I₂/K.

В положении X₂ внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию оптических связей между выходами первого и второго входных оптических нановолокон 1₁, 1₂ и входами пятого и шестого оптических нановолокон 1₅, 1₆, но при этом разрывает оптическую связь между выходом оптического нановолокна 1₅ и первым входом оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3. Оптический сигнал с интенсивностью 0 усл. ед. с управляющего входа D₂ через второе входное оптическое нановолокно 1₂, шестое оптическое нановолокно 1₆ и оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства.

Пусть на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x₁=0 и x₂=1, тогда интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 будет составлять I₂=1+0+1=2 усл. ед.

Внутренняя нанотрубка 4₁ начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна

X₃=I₃/K.

В положении X₃ внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию оптических связей между выходами первого, второго и третьего входных оптических нановолокон 1₁, 1₂, 1₃ и входами пятого, шестого и седьмого оптических нановолокон 1₅, 1₆, 1₇. Но при этом внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптические связи между выходами оптических нановолокон 1₅, 1₆ и входами оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3. Оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. с управляющего входа D₃ через третье оптическое нановолокно 1₃, седьмое оптическое нановолокно 1₇, оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства.

Пусть на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x₁=1 и x₂=1, тогда интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 будет составлять I₄=1+0,5+1=2,5 усл. ед.

Внутренняя нанотрубка 4₁ начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна

X₄=I₄/K.

В положении X₄ внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию оптических связей между выходами входных оптических нановолокон l₁-1₄ и входами оптических нановолокон 1₅-1₈. При этом внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптические связи между выходами оптических нановолокон 1₅-1₇ и входами оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3. Оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. с управляющего входа D₄ через четвертое входное оптическое нановолокно 1₄, седьмое оптическое нановолокно 1₇ и оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства. В результате при данной комбинации управляющих сигналов устройство реализует функцию импликации от x₂ к x₁.

Таким образом, в зависимости от оптических сигналов на информационных входах «x₁»и «x₂», а также от оптических сигналов на управляющих входах устройства «D₁-D₄» интенсивность сигнала на выходе «Y» будет равна Y=F_m(x₁, x₂), где F_m - требуемая логическая функция.

Простота данного оптического логического наноустройства, высокое быстродействие 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 для обработки информации в тера- и гигагерцовом диапазонах. Наноустройство содержит два источника постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный Y-разветвитель, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, оптический N-входной нановолоконный объединитель, две телескопические нанотрубки, четыре входных оптических нановолокна, четыре оптических нановолокна, оптический нановолоконный Y-разветвитель, оптический четырехвходной нановолоконный объединитель, оптический трехвходной нановолоконный объединитель. Вход оптического нановолоконного Y-разветвителя и третий вход оптического трехвходного нановолоконного объединителя - информационные, управляющими входами устройства являются входы входных оптических нановолокон - управляющие. Телескопические нанотрубки расположены между выходом оптического нановолоконного трехвходного объединителя и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя по оси распространения их выходных оптических сигналов. Выходом устройства является выход оптического нановолоконного четырехвходного объединителя. Технический результат - выполнение 16 логических операций двух переменных, повышение быстродействия и обеспечение наноразмерного исполнения. 1 ил.

Оптическое логическое наноустройство, содержащее источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный Y-разветвитель, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, оптический N-входной нановолоконный объединитель, две телескопические нанотрубки, отличающийся тем, что в него введены четыре входных оптических нановолокна, четыре оптических нановолокна, оптический нановолоконный Y-разветвитель, оптический четырехвходной нановолоконный объединитель, источник постоянного оптического сигнала, оптический трехвходной нановолоконный объединитель, причем информационными входами являются вход оптического нановолоконного Y-разветвителя и третий вход оптического трехвходного нановолоконного объединителя, управляющими входами устройства являются входы входных оптических нановолокон, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен к первому входу трехвходного нановолоконного объединителя, первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен к второму входу оптического трехвходного нановолоконного объединителя, второй выход оптического нановолоконного Y-разветвителя является поглощающим, выход второго 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 входных оптических нановолокон оптически связаны со входами оптических нановолокон, выходы оптических нановолокон оптически связаны со входами оптического четырехвходного нановолоконного объединителя, причем выходы всех оптических нановолокон и выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, телескопические нанотрубки расположены между выходом оптического нановолоконного трехвходного объединителя и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, выходом устройства является выход оптического нановолоконного четырехвходного объединителя.