ОПТИЧЕСКИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ НАНОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК G02F7/00 B82Y20/00 

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 функциональные преобразователи (логарифмические усилители, экспоненциальные генераторы и др.), построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983], обеспечивающие формирование выходного напряжения как функции входного y=f(x). Недостатком этих функциональных преобразователей является большая сложность и низкое быстродействие.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое умножающее наноустройство, содержащее входное оптическое нановолокно, входной оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, выходной оптический N-входной нановолоконный объединитель, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, оптический N-входной нановолоконный объединитель обратной связи, две телескопических нанотрубки, источник постоянного оптического сигнала [патент №2370800, Россия, 2009. Оптическое умножающее наноустройство / Соколов С.В., Каменский В.В.].

Недостатками данного оптического умножающего наноустройства является невозможность выполнения нелинейного функционального преобразования.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи выполнения нелинейного функционального преобразования 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 оптический функциональный нанопреобразователь введены М выходных оптических нановолокон, М входных оптических нановолокон, оптический нановолоконный М-выходной разветвитель, оптический нановолоконный М-входной объединитель, второй источник постоянного оптического сигнала, причем, входом устройства является вход входного оптического нановолокна, выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного М - выходного разветвителя, выходы которого подключены ко входам выходных оптических нановолокон, выходы которых оптически связаны со входами входных оптических нановолокон, входные и выходные оптические нановолокна расположены неравномерно по оси перемещения внутренней нанотрубки в соответствии со значениями реализуемой функции, выходы входных оптических нановолокон подключены к входам оптического нановолоконного М-входного объединителя, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, причем, между выходами входного оптического нановолокна и оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи расположены телескопические нанотрубки по оси распространения их выходных оптических сигналов, а направления распространения выходных оптических сигналов оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и выходами входных оптических нановолокон взаимно ортогональны, при этом внутренняя телескопическая нанотрубка в исходном положении разрывает оптические связи между выходом оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и входом оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, а также разрывает оптические связи между выходами выходных оптических нановолокон и входами входных оптических нановолокон, выходом устройства является выход оптического нановолоконного М-входного объединителя.

На фиг.1 представлена функциональная схема оптического функционального нанопреобразователя.

Устройство состоит из двух источников постоянного оптического сигнала 1_i, _i=1,2, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2, оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3, двух телескопических нанотрубок 4_i, _i=1,2, (4₁ - внутренняя нанотрубка, 4₂ - внешняя нанотрубка), входного оптического нановолокна 5, оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 6, выходных оптических нановолокон 7_i, _i=1,М, входных оптических нановолокон 8_i, _i=1,М, оптического нановолоконного М-входного объединителя 9.

Входом устройства «In» является вход входного оптического нановолокна 5.

Выходом устройства «Out» является выход оптического нановолоконного М-входного объединителя 9.

Выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3, а выходы выходных оптических нановолокон 7_i, _i=1,М оптически связаны со входами входных оптических нановолокон 8_i, _i=1,M.

Световой поток от оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 распространяется по оси OY, световой поток от выходных оптических нановолокон 7_i, _i=1,М распространяется по оси OZ.

Телескопические нанотрубки 4₁, 4₂ расположены между выходами входного оптического нановолокна 5 и выходом оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3 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]).

Выход первого источника постоянного оптического сигнала 1₁ подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2.

В исходном положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптические связи между выходами оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 и входами оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3, а также оптические связи между выходами выходных оптических нановолокон 7_i, _i=1,М и входами входных оптических нановолокон 8_i, _i=1,М.

Выход второго источника постоянного оптического сигнала 1₂ подключен ко входу оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 6, выходы которого подключены ко входам выходных оптических нановолокон 7_i, _i=1,М. Выходы входных оптических нановолокон 8_i, _i=1,М подключены ко входам оптического нановолоконного М-входного объединителя 9.

Выходные оптические нановолокна 7_i, _i=1,М и входные оптические нановолокна 8_i, _i=1,М расположены вдоль оси ОХ неравномерно в соответствии с требуемой функцией у=f(х). Например, для построения оптического функционального преобразователя с функцией y=log₁₀x(1≤x≤10) необходимо располагать выходные оптические нановолокна 7_i, _i=1,М и входные оптические нановолокна 8_i, _i=1,M на интервалах, определяемых степенной зависимостью x_i=10^(i/М), где х_i - ордината расположения i-го нановолновода по оси ОХ, М - количество нановолокон: для 10 нановолокон их ординаты будут, соответственно, равны - 0,126·L; 0,158·L; 0,200·L; 0,251·L; 0,316·L; 0,398·L; 0,501·L; 0,631·L; 0,794·L; 1·L, где L - расстояние, на которое может перемещаться внутренняя нанотрубка 4₁ по оси ОХ.

Устройство работает следующим образом.

До подачи на вход «In» оптических сигналов устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4₁ находится в левом крайнем положении.

На вход входного оптического нановолокна 5 подается оптический сигнал с интенсивностью I усл.ед., соответствующий аргументу х вычисляемой функции у.

От первого источника постоянного оптического сигнала 1₁ оптический сигнал с интенсивностью К усл.ед. поступает на вход оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K/N усл.ед.

Оптический сигнал с интенсивностью G усл.ед. с выхода второго источника постоянного оптического сигнала 1₂ поступает на вход оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 6, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью G/M усл.ед.

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

Интенсивность светового потока на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3 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 обратной связи 3 будет равна К·Х усл.ед.

Оптический сигнал с интенсивностью К·Х усл.ед. на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3 формирует 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 с).

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 и потоком обратной связи, будет равна нулю), а величина ее перемещения «X» будет равна

X=(Z·I)/(Z·K)=I/K,

где Z - коэффициент перевода интенсивности оптического сигнала в силу светового давления, действующую на внутреннюю нанотрубку 4₁.

В результате перемещения внутренней нанотрубки 4₁ образуется интервал свободного пространства величиной «X». Интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного М-входного объединителя 9 будет определяться количеством S(X) выходных оптических нановолокон 7_i, _i=1,М, расположенных в образовавшемся отрезке величиной «X» (от 0 до «X»), и интенсивностью оптического сигнала W=G/M в каждом из них.

Т.е. интенсивность сигнала на выходе преобразователя будет равна

I_OUT=S(X)·W=S(I/K)·G/M.

Например, при вычислении функции логарифма, если ордината внутренней нанотрубки 4₁ находится в пределах от 0 от 1, то количество выходных оптических нановолокон 7_i, _i=1,М, расположенных на отрезке от 0 до максимального значения «X», будет равно 0 (S(1)=0). Если ордината внутренней нанотрубки 4₁ находится в пределах от 1 от 2, то количество выходных оптических нановолокон 7_i, _i=1,М, расположенных на отрезке от 0 до максимального значения «X», будет равно 3 (S(2)=3). Количество выходных оптических нановолокон 7_i, _i=1,М - в зависимости от ординаты внутренней нанотрубки 4₁, определяется в данном примере вектором S_1…10 (0; 3; 4; 6; 6; 7; 8; 9; 9; 10). В результате сложения оптических потоков интенсивность оптического сигнала на выходе оптического нановолоконного М-входного объединителя 9 в этом случае составит

I_OUT=S(X)·W=W·log₁₀X.

Таким образом, на выходе устройства «OUT» формируется сигнал, интенсивность которого пропорциональна (с коэффициентом W) результату выполнения функции f(x).

Простота данного оптического функционального нанопреобразователя и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.

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. Преобразователь состоит из двух источников постоянного оптического сигнала, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, двух телескопических нанотрубок, входного оптического нановолокна, оптического нановолоконного М-выходного разветвителя, выходных оптических нановолокон, входных оптических нановолокон, оптического нановолоконного М-входного объединителя. Технический результат - повышение быстродействия, обеспечение обработки информации в тера- и гигагерцовом диапазонах и наноразмерного исполнения. 1 ил.

Оптический функциональный нанопреобразователь, содержащий входное оптическое нановолокно, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, оптический N-входной нановолоконный объединитель обратной связи, две телескопических нанотрубки, источник постоянного оптического сигнала, отличающийся тем, что в него введены М выходных оптических нановолокон, М входных оптических нановолокон, оптический нановолоконный М-выходной разветвитель, оптический нановолоконный М-входной объединитель, второй источник постоянного оптического сигнала, причем входом устройства является вход входного оптического нановолокна, выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного М-выходного разветвителя, выходы которого подключены ко входам выходных оптических нановолокон, выходы которых оптически связаны со входами входных оптических нановолокон, входные и выходные оптические нановолокна расположены неравномерно по оси перемещения внутренней нанотрубки в соответствии со значениями реализуемой функции, выходы входных оптических нановолокон подключены к входам оптического нановолоконного М-входного объединителя, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, причем между выходами входного оптического нановолокна и оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи расположены телескопические нанотрубки по оси распространения их выходных оптических сигналов, а направления распространения выходных оптических сигналов оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и выходами входных оптических нановолокон взаимно ортогональны, при этом внутренняя телескопическая нанотрубка в исходном положении разрывает оптические связи между выходом оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и входом оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, а также разрывает оптические связи между выходами выходных оптических нановолокон и входами входных оптических нановолокон, выходом устройства является выход оптического нановолоконного М-входного объединителя.