ОПТИЧЕСКИЙ JK-НАНОТРИГГЕР Российский патент 2012 года по МПК G02F3/02 

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.

Известным оптическим триггером является оптический RS-триггер, состоящий из оптических волноводов и оптических бистабильных элементов [патент №2020528, Россия, 1994. Оптический триггер. / Соколов С.В.].

Недостатками данного устройства являются невозможность реализации логических функций JK-триггера, а также невозможность выполнения устройства в наноразмерном исполнении.

Существенные признаки вышеуказанного аналога, общие с заявляемым устройством, - оптические волноводы.

Наиболее близким по техническому исполнению к заявленному устройству является оптический нанокомпаратор [патент №2357275, РФ. Оптический нанокомпаратор. / Соколов С.В., Каменский В.В., 2009 г., БИ №15], содержащий входные и выходные оптические нановолноводы, телескопические нанотрубки, источник постоянного сигнала.

Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, - входные оптические нановолноводы, телескопические нанотрубки, источник постоянного сигнала.

Недостатком прототипа является невозможность реализации логических функций JK-триггера.

Задачами изобретения являются создание оптического устройства, выполняющего логические функции JK-триггера как для когерентных, так и некогерентных входных оптических сигналов, а также реализация устройства в наноразмерном исполнении.

Техническим результатом является расширение возможностей устройства за счет выполнения логических функций JK-триггера при реализации последнего в наноразмерном исполнении.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптический JK-нанотриггер, содержащий два входных оптических нановолновода, две пары телескопических нанотрубок, источник постоянного сигнала, введены пять оптических нановолноводных Y-разветвителей, два оптических нановолноводных Y-объединителя, информационными входами «J» и «K» являются входы соответственно первого и второго входных оптических нановолноводов, выходы которых оптически связаны с первыми входами первого и второго оптических нановолноводных Y-объединителей, первая пара телескопических нанотрубок расположена между вторым выходом четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя и вторым выходом пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя по оси распространения их выходных сигналов таким образом, что в крайнем верхнем положении внутренняя нанотрубка первой пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между выходом первого входного нановолновода и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя, при этом присутствует оптическая связь между выходом второго входного нановолновода и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя, в крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка первой пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между выходом второго входного нановолновода и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя, при этом присутствует оптическая связь между выходом первого входного нановолновода и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя, выход источника постоянного излучения подключен ко входу первого оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход которого оптически связан со входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя, второй выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя оптически связан со входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко входу четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко входу пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко второму входу первого оптического нановолноводного Y-объединителя, первый выход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко второму входу второго оптического нановолноводного Y-объединителя, вторая пара телескопических нанотрубок расположена между выходами первого и второго оптических нановолноводных Y-объединителей по оси распространения их выходных сигналов таким образом, что в крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка второй пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя, при этом присутствует оптическая связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя, в крайнем верхнем положении внутренняя нанотрубка второй пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя, при этом присутствует оптическая связь вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя, второй выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя является единичным выходом устройства, а второй выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя является нулевым выходом устройства.

Заявленное устройство строится на основе оптических нановолноводов, варианты технического исполнения которых описаны в [Оптика наноструктур. / Под редакцией А.В.Федорова: СПб. «Недра», 2005 г.; Krenn J.R., Dereux А., 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].

Функциональная схема оптического JK-нанотриггера показана на фигуре 1.

Оптический JK-нанотриггер содержит:

- 1₁, 1₂ - первый и второй входные оптические нановолноводы;

- 2₁₁, 2₁₂, 2₂₁, 2₂₂ - две пары телескопических нанотрубок;

- 3 - источник постоянного излучения (ИИ) с интенсивностью 4×n усл(овных) ед(иниц);

- 4₁, 4₂, …, 4₅ - пять оптических нановолноводных Y-разветвителей;

- 5₁, 5₂, - два оптических нановолноводных Y-объединителя.

Информационными входами «J» и «K» являются входы соответственно первого и второго входных оптических нановолноводов 1₁ и 1₂, выходы которых оптически связаны с первыми входами первого и второго оптических нановолноводных Y-объединителей 5₁ и 5₂, соответственно.

Первая пара телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂ расположена между вторым выходом четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₄ и вторым выходом пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₅ по оси распространения их выходных сигналов.

В исходном состоянии внутренние нанотрубки 2₁₁, 2₂₁ первой и второй пар телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂, 2₂₁, 2₂₂ находятся в среднем положении - втянуты вовнутрь внешних нанотрубок.

Под воздействием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность сил 5-15 нН), внутренние нанотрубки 2₁₁, 2₂₁ первой и второй пар телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂, 2₂₁, 2₂₂ соответственно будут перемещаться в сторону оптического потока с меньшей интенсивностью (при этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимая сила для перемещения нанотрубки составляет аттоньютоны [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phvs. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].

В крайнем верхнем положении внутренняя нанотрубка 2₁₁ первой пары телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂ разрывает оптическую связь между выходом первого входного оптического нановолновода 1₁ и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5₁, при этом присутствует оптическая связь между выходом второго входного оптического нановолновода 1₂ и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5₂.

В крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка 2₁₁ первой пары телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂ разрывает оптическую связь между выходом второго входного оптического нановолновода 1₂ и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5₂, при этом присутствует оптическая связь между выходом первого входного оптического нановолновода 1₁ и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5₁.

Выход ИИ 3 подключен ко входу первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁, первый выход которого оптически связан со входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₂. Второй выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ оптически связан со входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₃.

Первый выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₂ подключен ко входу четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₄, первый выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₃ подключен ко входу пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₅.

Первый выход четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₄ подключен ко второму входу первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5₁, первый выход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₅ подключен ко второму входу второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5₂.

Вторая пара телескопических нанотрубок 2₂₁, 2₂₂ расположена между выходами первого и второго оптических нановолноводных Y-объединителей 5₁ и 5₂ по оси распространения их выходных сигналов.

В крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка 2₂₁ второй пары телескопических нанотрубок 2₂₁, 2₂₂ разрывает оптическую связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₃, при этом присутствует оптическая связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₂.

В крайнем верхнем положении внутренняя нанотрубка 2₂₁ второй пары телескопических нанотрубок 2₂₁, 2₂₂ разрывает оптическую связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₂, при этом присутствует оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₃.

Второй выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₂ является единичным выходом устройства (Q1), а второй выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₃ является нулевым выходом (Q2) устройства.

Так как в начальный момент времени работы внутренние нанотрубки 2₁₁, 2₂₁ первой и второй пар телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂, 2₂₁, 2₂₂ находятся в среднем положении - втянуты внутрь внешних нанотрубок, то единственным ограничением на логику работы устройства является запрет на подачу в первый момент времени работы на оба входа «J», «K» единичных сигналов (которые в этом случае не изменят начальное состояние JK-нанотриггера, при котором с обоих его выходов снимаются единичные сигналы).

Поэтому далее рассмотрим работу устройства, когда на один из входов оптического JK-нанотриггера, например, «J», подается управляющий сигнал - оптический поток с интенсивностью n усл. ед. В этом случае функционирование оптического JK-нанотриггера происходит следующим образом.

При поступлении на вход «J» управляющего сигнала (для установки оптического JK-нанотриггера в состояние логической единицы) оптический поток с интенсивностью n усл. ед. через первый входной оптический нановолновод 1₁ поступает на первый вход первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5₁ и далее на внутреннюю нанотрубку 2₂₁ второй пары телескопических нанотрубок 2₂₁, 2₂₂. Под действием давления светового потока внутренняя нанотрубка 2₂₁ второй пары телескопических нанотрубок 2₂₁, 2₂₂ начнет перемещаться вниз и займет крайнее нижнее положение. При этом будет отсутствовать оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₃, и присутствовать оптическая связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₂.

Одновременно оптический поток с выхода ИИ 3 с интенсивностью 4×n усл. ед. поступает на вход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁. Далее этот оптический поток, разветвляясь, поступает с первого выхода оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ с интенсивностью 2×n усл. ед. на вход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₂, поглощаясь на втором выходе первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ (т.к. внутренняя нанотрубка 2₂₁ второй пары телескопических нанотрубок 2₂₁, 2₂₂ находится в крайнем нижнем положении).

Далее, с первого выхода второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₂ оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на вход четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₄. Этот оптический поток разветвляется на два оптических потока с интенсивностью по 0,5×n усл. ед. каждый. Первый из них с первого выхода четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₄ через второй вход первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5₁ поступает на внутреннюю нанотрубку 2₂₁ второй пары телескопических нанотрубок 2₂₁, 2₂₂. Под действием давления оптического потока с интенсивностью 0,5×n усл. ед. внутренняя нанотрубка 2₂₁ второй пары телескопических нанотрубок 2₂₁, 2₂₂ удерживается в крайнем нижнем положении после снятия управляющего сигнала со входа «J» устройства.

Со второго выхода четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₄ оптический поток с интенсивностью 0,5×n усл. ед. поступает на внутреннюю нанотрубку 2₁₁ первой пары телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂. Под действием давления оптического потока с интенсивностью 0,5×n усл. ед. внутренняя нанотрубка 2₁₁ первой пары телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂ начнет перемещаться вверх и будет удерживаться в крайнем верхнем положении. При этом будет отсутствовать оптическая связь между выходом первого входного оптического нановолновода 1₁ и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5₁ и присутствовать оптическая связь между выходом второго входного оптического нановолновода 1₂ и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5₂.

Кроме того, оптический поток с интенсивностью n усл. ед. со второго выхода второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₂ поступает на единичный выход Q1 устройства. Таким образом, осуществляется запоминание логического уровня «1» оптическим JK-нанотриггером - триггер переходит в состояние логической единицы.

Для перевода оптического JK-нанотриггера в состояние логического нуля необходимо подать на вход «K» управляющий сигнал в виде оптического потока с интенсивностью n усл. ед. При поступлении этого управляющего сигнала со входа «K» через второй входной оптический нановолновод 1₂ оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на первый вход второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5₂ и далее - на внутреннюю нанотрубку 2₂₁ второй пары телескопических нанотрубок 2₂₁, 2₂₂. Под действием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков, внутренняя нанотрубка 2₂₁ второй пары телескопических нанотрубок 2₂₁, 2₂₂ начнет перемещаться вверх. По достижении крайнего верхнего положения внутренняя нанотрубка 2₂₁ второй пары телескопических нанотрубок 2₂₁, 2₂₂ перекрывает оптическую связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₂. (При этом возникает оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₃). Следовательно, оптический поток с интенсивностью 2×n усл. ед. с первого выхода оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ будет поглощаться, и на единичном выходе Q1 устройства исчезнет оптический поток. При этом на внутреннюю нанотрубку 2₁₁ первой пары телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂ также перестанет поступать оптический поток со второго выхода четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₄.

После снятия управляющего сигнала - оптического потока с интенсивностью n усл. ед. со входа «K», внутренняя нанотрубка 2₂₁ второй пары телескопических нанотрубок 2₂₁, 2₂₂ будет удерживаться в крайнем верхнем положении за счет оптического потока с интенсивностью 0,5×n усл. ед., который поступает по следующей цепочке: «выход ИИ 3 - вход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ - второй выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ - вход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₃ - первый выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₃ - вход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₅ - первый выход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₅ - второй вход второго оптического Y-нановолноводного объединителя 5₂ - выход второго оптического Y-нановолноводного объединителя 5₂».

Внутренняя нанотрубка 2₁₁ первой пары телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂ также изменит свое положение на крайнее нижнее за счет давления оптического потока с интенсивностью 0,5×n усл. ед., который поступает по следующей цепочке: «выход ИИ 3 - вход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ - второй выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ - вход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₃ - первый выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₃ - вход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₅ - второй выход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₅».

В крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка 2₁₁ первой пары телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂ перекрывает оптическую связь между выходом второго входного оптического нановолновода 1₂ и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5₂. При этом образуется оптическая связь между выходом первого входного оптического нановолновода 1₁ и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5₁.

Одновременно со второго выхода первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₁ оптический поток с интенсивностью 2×n усл. ед. поступает на вход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4₃, со второго выхода которого оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на нулевой выход Q2 устройства. Таким образом, осуществляется запоминание логического «0» оптическим JK-нанотриггером - триггер переходит в состояние логического нуля.

При подаче на входы «J» и «K» управляющих сигналов одновременно реализуется одна из следующих ситуаций:

- при нахождении JK-нанотриггера в состоянии логической единицы оптический поток с интенсивностью n условных единиц с выхода первого входного оптического нановолновода 1₁ (вход «J») поглотится, потому что внутренняя нанотрубка 2₁₁ первой пары телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂ находится в крайнем верхнем положении; при этом оптический поток с выхода второго входного оптического нановолновода 1₂ (вход «K») поступит на первый вход второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5₂, что приведет к описанной выше смене состояния JK-нанотриггера на нулевое;

- при нахождении JK-нанотриггера в состоянии логического нуля оптический поток с интенсивностью n условных единиц с выхода второго входного оптического нановолновода 1₂ (вход «K») поглотится, потому что внутренняя нанотрубка 2₁₁ первой пары телескопических нанотрубок 2₁₁, 2₁₂ находится в крайнем нижнем положении; при этом оптический поток с выхода первого входного оптического нановолновода 1₁ (вход «J») поступит на первый вход первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5₁, что приведет к описанной выше смене состояния JK-нанотриггера на единичное.

Таким образом, осуществляется реализация логических функций JK-нанотриггера и запоминание информации.

Быстродействие оптического JK-нанотриггера определяется массами внутренних нанотрубок (≈10^-15-10^-16 г), силой трения при их движении (≈10^-10 Н), разностью интенсивностей оптических сигналов и составляет ≈10^-9 с. Для существующих оптических средств обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

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. Устройство содержит два входных оптических нановолновода, две пары телескопических нанотрубок, источник постоянного сигнала, пять оптических нановолноводных Y-разветвителей, два оптических нановолноводных Y-объединителя, информационными входами «J» и «К» являются входы соответственно первого и второго входных оптических нановолноводов. Второй выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя является единичным выходом устройства, а второй выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя является нулевым выходом устройства. Технический результат - расширение функциональных возможностей и наноразмерное исполнение. 1 ил.

Оптический JK-нанотриггер, содержащий два входных оптических нановолновода, две пары телескопических нанотрубок, источник постоянного сигнала, отличающийся тем, что в него введены пять оптических нановолноводных Y-разветвителей, два оптических нановолноводных Y-объединителя, информационными входами «J» и «К» являются входы соответственно первого и второго входных оптических нановолноводов, выходы которых оптически связаны с первыми входами первого и второго оптических нановолноводных Y-объединителей, первая пара телескопических нанотрубок расположена между вторым выходом четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя и вторым выходом пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя по оси распространения их выходных сигналов таким образом, что в крайнем верхнем положении внутренняя нанотрубка первой пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между выходом первого входного нановолновода и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя, при этом присутствует оптическая связь между выходом второго входного нановолновода и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя, в крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка первой пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между выходом второго входного нановолновода и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя, при этом присутствует оптическая связь между выходом первого входного нановолновода и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя, выход источника постоянного излучения подключен ко входу первого оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход которого оптически связан со входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя, второй выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя оптически связан со входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко входу четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко входу пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко второму входу первого оптического нановолноводного Y-объединителя, первый выход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко второму входу второго оптического нановолноводного Y-объединителя, вторая пара телескопических нанотрубок расположена между выходами первого и второго оптических нановолноводных Y-объединителей по оси распространения их выходных сигналов таким образом, что в крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка второй пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя, при этом присутствует оптическая связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя, в крайнем верхнем положении внутренняя нанотрубка второй пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя, при этом присутствует оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя, второй выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя является единичным выходом устройства, а второй выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя является нулевым выходом устройства.