Оптическое умножающее наноустройство

Предложенное изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации. Данное изобретение направлено на решение задачи умножения как когерентных, так и некогерентных оптических сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, а также задачи наноразмерного исполнения устройства. Предложенное оптическое умножающее наноустройство содержит группу оптических ответвлений, 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 телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, и источник постоянного оптического сигнала, соответствующим образом оптически сопряженные между собой. 1 ил.

 

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.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический умножитель, содержащий группу оптических ответвлений [Патент №2022328, Россия, 1994. Оптический умножитель. / Соколов С.В.].

Недостатками данного устройства являются его сложность, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.

Заявленное устройство направлено на решение задачи умножения как когерентных, так и некогерентных оптических сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, а также задачи наноразмерного исполнения устройства.

Поставленная задача возникает при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемо-передающих наноустройств, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцевом 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 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 телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, источник постоянного оптического сигнала, входом первого сомножителя является вход входного оптического нановолокна, входом второго сомножителя является вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя, выход которого является выходом устройства, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, причем между выходами входного оптического нановолокна и оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи расположены телескопические нанотрубки по оси распространения их выходных оптических сигналов, а направления распространения выходных оптических сигналов входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и оптического нановолоконного N-выходного разветвителя взаимно ортогональны, при этом внутренняя телескопическая нанотрубка в исходном положении разрывает оптические связи между выходом входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и входом выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя, а также выходом оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и входом оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи.

На фиг.1 представлена функциональная схема оптического умножающего наноустройства. Для удобства дальнейшего анализа его работы на фиг.1 введена условная система координат OXYZ.

Устройство состоит из входного оптического нановолокна 1, входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2₁, выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3₁, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2₂, оптического N-входного нановолоконного объединителя 3₂ обратной связи, двух телескопических нанотрубок 4_i, _i=1,2 (4₁ - внутренняя нанотрубка, 4₂ - внешняя нанотрубка) и источника 5 постоянного оптического сигнала с интенсивностью K усл. ед.

Входом первого сомножителя "А" является вход входного оптического нановолокна 1. Входом второго сомножителя "В" является вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2₁.

Выходом устройства «А·В» является выход выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3₁.

Выходы входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2₁ оптически связаны со входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3₁, а выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя

2₂ оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя 3₂ обратной связи.

Световой поток от входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2₁ распространяется по оси OY, световой поток от оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2₂ распространяется по оси OZ.

Телескопические нанотрубки 4₁, 4₂ расположены между выходами входного оптического нановолокна 1 и оптического N-входного нановолоконного объединителя 3₂ обратной связи 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 источника постоянного оптического сигнала 5 подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2₂.

В исходном положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптические связи между выходами входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя

2₁ и входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3₁, а также оптические связи между выходами оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2₂ и входами оптического N-входного нановолоконного объединителя 3₂ обратной связи.

Устройство работает следующим образом.

До подачи на входы «А» и «В» оптических сигналов устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4₁ находится в левом крайнем положении.

На вход входного оптического нановолокна 1 подается оптический сигнал, соответствующий первому сомножителю (с интенсивностью I_A усл. ед.), а на вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2₁ подается сигнал, соответствующий второму сомножителю (с интенсивностью I_B усл. ед.).

Оптический сигнал со входа «В» поступает на вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2₁, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью I_B/N усл. ед.

От источника постоянного оптического сигнала 5 оптический сигнал с интенсивностью K усл. ед. поступает на вход оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2₂, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K/N усл. ед.

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

Интенсивность светового потока на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 3₂ обратной связи 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, 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 3₂ обратной связи будет равна К·Х усл. ед.

Оптический сигнал с интенсивностью К·Х усл. ед. на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 3₂ обратной связи 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 (≈10⁹ н), интенсивностью «К» постоянного оптического сигнала, интенсивностями I_A 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_A и потоком обратной связи, будет равна нулю), а величина ее перемещения «X» будет равна

X=(Z·I_A)/(ZK)=I_A/K,

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

В результате прохождения через отверстие величиной «X» оптического потока с интенсивностью I_B усл.ед. со входа «В» интенсивность сигнала на выходе выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3₁ составит

I_A·B=I_B·X=I_B·I_A/K.

Таким образом, на выходе устройства «А·В» формируется сигнал, интенсивность которого пропорциональна (с коэффициентом 1/K) произведению интенсивностей поданных оптических сигналов.

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

Оптическое умножающее наноустройство, содержащее группу оптических ответвлений, отличающееся тем, что в него введены 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 телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, источник постоянного оптического сигнала, входом первого сомножителя является вход входного оптического нановолокна, входом второго сомножителя является вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя, выход которого является выходом устройства, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, причем между выходами входного оптического нановолокна и оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи расположены телескопические нанотрубки по оси распространения их выходных оптических сигналов, а направления распространения выходных оптических сигналов входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и оптического нановолоконного N-выходного разветвителя взаимно ортогональны, при этом внутренняя телескопическая нанотрубка в исходном положении разрывает оптические связи между выходом входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и входом выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя, а также выходом оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и входом оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи.