ОПТИЧЕСКИЙ НАНОСУММАТОР ПО МОДУЛЮ ДВА Российский патент 2011 года по МПК G06E3/00 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.

Известные различные сумматоры по модулю два (ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, неравнозначность), построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982. - 512 с. стр.105]. Недостатком этих сумматоров по модулю два является невозможность выполнения операций с оптическими сигналами.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический сумматор по модулю два, содержащий волноводные элементы [Акаев А. А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: Высш. Шк., 1988. - 237 с.: ил. стр.202].

Недостатками данного оптического сумматора по модулю два являются его сложность и невозможность наноразмерного исполнения.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи суммирования по модулю два оптических сигналов 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 устройство содержит первое оптическое нановолокно, второе оптическое нановолокно, выходное оптическое нановолокно, оптический нановолоконный объединитель, оптический нановолоконный N-входной объединитель, две телескопические нанотрубки, два источника постоянного оптического сигнала, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, причем информационными входами устройства являются входы оптического нановолоконного объединителя, 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, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход первого оптического нановолокна оптически связан со входом второго оптического нановолокна, выход второго оптического нановолокна оптически связан со входом выходного оптического нановолокна, первое оптическое нановолокно и оптический нановолоконный N-выходной разветвитель расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, телескопические нанотрубки расположены между выходом оптического нановолоконного объединителя и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, выходом устройства является выход выходного оптического нановолокна.

На чертеже представлена функциональная схема оптического сумматора по модулю два.

Устройство состоит из первого оптического нановолокна 1₁ второго оптического нановолокна 1₂, выходного оптического нановолокна 1₃, оптического нановолоконного объединителя 2, оптического нановолоконного N-входного объединителя 3, двух телескопических нанотрубок 4_{i, i=i,2}, (4₁ - внутренняя нанотрубка, 4₂ - внешняя нанотрубка), двух источников постоянного оптического сигнала 5_{i i=i,2}, оптического нановолоконного N - выходного разветвителя 6.

Информационными входами устройства X₁, X₂ являются входы оптического нановолоконного объединителя 2.

Выходом устройства Y является выход выходного оптического нановолокна 1₃.

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 3.

Выход первого источника постоянного оптического сигнала 5₁ подключен ко входу первого оптического нановолокна 1₁, выход первого оптического нановолокна 1₁ оптически связан со входом второго оптического нановолокна 12. Выход второго оптического нановолокна 1₂ оптически связан со входом выходного оптического нановолокна 1₃.

Световой поток с выхода первого оптического нановолокна l₁ и с выхода второго оптического нановолокна 1₂ 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 2 и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя 3 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под воздействием разности давлении световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 Вт создает разность давлений 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 4 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 3, а также оптические связи между выходом первого оптического нановолокна 1₁ и входом второго оптического нановолокна 1₂. При этом оптическая связь между выходом оптического нановолокна 1₂ и входом оптического выходного нановолокна 1₃ присутствует.

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 K усл. ед.

До подачи на входы X₁ и X₂ оптических сигналов 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 3.

В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптическую связь между выходом первого оптического нановолокна 1₁ и входом второго оптического нановолокна 1₂.

Пусть на один из входов устройства (X₁ или X₂) подан оптический сигнал с интенсивностью 0 усл. ед., а на другой - оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. (X₁=0, X₂=1 или X₁=1, X₂=0). Тогда интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 2 будет составлять 1₁=1 усл. ед. На внутреннюю нанотрубку 4₁ будет действовать разность световых давлений: давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе оптического нановолоконного объединителя 2 - F=Z·I₁ (Z - коэффициент пропорциональности), и давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 3 (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 3 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 3 будет равна К·X, где К - интенсивность постоянного оптического сигнала.

Оптический сигнал с интенсивностью К·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/К.

(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 выходом первого оптического нановолокна 1₁ и входом второго оптического нановолокна 1₂, но не приведет к разрыву оптических связей между выходом второго оптического нановолокона 1₂ и входом выходного оптического нановолокона 1₃. Т.к. с выхода первого источника постоянного оптического сигнала 5₁ снимается сигнал с интенсивностью 1 усл. ед., то оптический сигнал на выходе выходного оптического нановолокона 1₃ будет равен 1 усл. ед.

Пусть теперь на входы устройства X₁ и X₂ поданы оптические сигналы с интенсивностью 1 усл.ед., тогда интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 2 будет составлять I₂=2 усл. ед.

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

X₂=I₂/К.

В положении X₂ внутренняя нанотрубка 4₁ не препятствует образованию оптической связи между выходом первого оптического нановолокна 1₁ и входом второго оптического нановолокна 1₂, но разрывает оптическую связь между выходом второго оптического нановолокона 1₂ и входом выходного оптического нановолокона 1₃. Оптический сигнал на выходе выходного оптического нановолокона 1₃ будет равен 0 усл. ед.

Таким образом, при наличии одновременно на обоих входах X₁ и X₂ двух оптических сигналов с интенсивностью 0 усл. ед. или 1 усл. ед. интенсивность оптического сигнала на выходе устройства будет равна 0 усл. ед. Если на одном из входов устройства имеется оптический сигнал 1 усл. ед., а на другом 0 усл. ед., то интенсивность оптического сигнала на выходе устройства будет равна 1 усл. ед., что и обеспечивает реализацию функции суммирования по модулю два.

Простота данного оптического наносумматора по модулю два, 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, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах. Наносумматор содержит первое и второе оптические нановолокна, выходное оптическое нановолокно, оптический нановолоконный объединитель, оптический нановолоконный N-входной объединитель, две телескопические нанотрубки, два источника постоянного оптического сигнала и оптический нановолоконный N-выходной разветвитель. Выход второго источника подключен ко входу N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами N-входного объединителя. Выход первого источника подключен ко входу первого нановолокна, выход которого оптически связан со входом второго нановолокна, выход которого оптически связан со входом выходного нановолокна. Телескопические нанотрубки расположены между выходом объединителя и выходом N-входного объединителя по оси распространения их выходных оптических сигналов. В исходном положении внутренняя нанотрубка разрывает оптическую связь между выходом первого нановолокна и входом второго нановолокна и между выходами N-выходного разветвителя и входами N-входного объединителя. Технический результат - обеспечение суммирования по модулю два оптических сигналов с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации, а также упрощение устройства и его реализация в наноразмерном исполнении. 1 ил.

Оптический наносумматор по модулю два, отличающийся тем, что в него введены первое оптическое нановолокно, второе оптическое нановолокно, выходное оптическое нановолокно, оптический нановолоконный объединитель, оптический нановолоконный N-входной объединитель, две телескопические нанотрубки, два источника постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, причем информационными входами устройства являются входы оптического нановолоконного объединителя, 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, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход первого оптического нановолокна оптически связан со входом второго оптического нановолокна, выход второго оптического нановолокна оптически связан со входом выходного оптического нановолокна, первое оптическое нановолокно и оптический нановолоконный N-выходной разветвитель расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, телескопические нанотрубки расположены между выходом оптического нановолоконного объединителя и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, в исходном положении внутренняя нанотрубка разрывает оптическую связь между выходом первого оптического нановолокна и входом второго оптического нановолокна и между выходами оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и входами оптического нановолоконного N-входного объединителя, выходом устройства является выход выходного оптического нановолокна.