Оптическое дифференцирующее наноустройство



Оптическое дифференцирующее наноустройство

 


Владельцы патента RU 2412481:

Каменский Владислав Валерьевич (RU)
Соколов Сергей Викторович (RU)

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. Оптическое дифференцирующее наноустройство состоит из двух источников постоянного оптического сигнала, двух входных оптических нановолоконных Y-разветвителей, двух оптических нановолоконных объединителей, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, оптического N-входного нановолоконного объединителя, нановолокна и двух телескопических нанотрубок. Технический результат - обеспечение дифференцирования как когерентных, так и некогерентных оптических сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, а также наноразмерного исполнения устройства. 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.

Известным устройством дифференцирования является оптический дифференциатор [С.В.Соколов, П.С.Шевчук, С.В.Бабкин, В.А.Панкратов. Перспективные устройства обработки и защиты информации для помехозащищенных АСУ. - М.: Радио и связь, 2002. - 224 с.: ил. 39, стр.133].

Недостатками данного устройства являются необходимость применения сложного оптического фазового модулятора и невозможность дифференцирования некогерентных оптических сигналов, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический дифференциатор, состоящий из оптического разветвителя, оптической линии задержки, оптического фазового модулятора, оптического объединителя и приемного транспаранта [Патент РФ №2159461, 2000. - БИ №32].

Недостатками данного устройства являются сложность и невозможность дифференцирования некогерентных оптических сигналов, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.

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

Поставленная задача возникает 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 два источника постоянного оптического сигнала, входной оптический нановолоконный Y-разветвитель, выходной оптический нановолоконный Y-разветвитель, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, две телескопические нанотрубки, - внутреннюю и внешнюю, два оптических нановолоконных объединителя, оптический N-входной нановолоконный объединитель, оптическое нановолокно как оптическую линию задержки, входом устройства является вход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен к входу оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, а выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен к первому входу первого оптического нановолоконного объединителя, выходы оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны с входами оптического нановолоконного N-входного объединителя, телескопические нанотрубки расположены между выходами первого и второго оптических нановолоконных объединителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, в среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает половину оптических связей между выходами N-выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя, первый выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен к входу оптического нановолокна, а второй выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу первого оптического нановолоконного объединителя, выход оптического нановолокна подключен к первому входу второго оптического нановолоконного объединителя, выход оптического нановолоконного N-входного объединителя подключен к входу выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, второй выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу второго входного оптического нановолоконного объединителя, а первый выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства.

На фиг.1 представлена функциональная схема оптического дифференцирующего наноустройства.

Устройство состоит из двух источников постоянного оптического сигнала 1i, i=1,2, входного оптического нановолоконного Y-разветвителя 21 выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 22, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 3, двух телескопических нанотрубок 4i, i=1,2, (41 - внутренняя нанотрубка, 42 - внешняя нанотрубка), двух оптических нановолоконных объединителей 5i, i=1,2, оптического N-входного нановолоконного объединителя 6, оптического нановолокна 7, выполняющего функцию оптической линии задержки.

Выходом устройства является первый выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 22(у').

Выход первого источника постоянного оптического сигнала 11 подключен к входу оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3, а выход второго источника постоянного оптического сигнала 12 подключен к первому входу оптического нановолоконного объединителя 51. Выходы оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3 оптически связаны с входами оптического нановолоконного N-входного объединителя 6.

Телескопические нанотрубки 41, 42 расположены между выходами первого и второго оптических нановолоконных объединителей 51 и 52 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под воздействием разности давлений световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 Вт 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]).

В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 41 разрывает оптические связи между выходами N-выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя 6.

Первый выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя 21 подключен к входу оптического нановолокна 7, а второй выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя 21 подключен ко второму входу первого оптического нановолоконного объединителя 51. Выход оптического нановолокна 7 подключен к первому входу второго оптического нановолоконного объединителя 52.

Выход оптического нановолоконного N-входного объединителя 6 подключен к входу выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 22. Второй выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 22 подключен ко второму входу второго входного оптического нановолоконного объединителя 52.

Устройство работает следующим образом.

С выхода источника постоянного оптического сигнала 1 сигнал с интенсивностью N·K усл. ед. (N - количество выходов N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3), поступает на вход N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью К усл. ед.

До подачи на вход «у» оптического сигнала устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 41 находится в среднем (исходном) положении. С левой стороны на нанотрубку 41 действует сила давления светового потока интенсивности I0=К/4 с выхода первого оптического объединителя 52, а с правой - сила давления светового потока с интенсивностью К/4, проходящего от источника постоянного оптического сигнала 1 через N-выходной оптический нановолоконный разветвитель 3, N-входной оптический нановолоконный объединитель 6 и через второй оптический нановолоконный объединитель 52. Интенсивность оптического сигнала в исходном положении на выходе у' будет равна I0=К/4.

Пусть на вход устройства «у» подан оптический сигнал, интенсивность которого в моменты времени t1 и t2=t1+dt равна I(t1) и I(t2) соответственно.

Т.к. оптический сигнал, поданный на вход оптического нановолокна 7 в момент времени t1, поступит на выход оптического нановолокна 7 через время dt - в момент времени t2, то на внутреннюю нанотрубку 41 в момент времени t2 будет действовать разность световых давлений F1 и F2, пропорциональных интенсивностям световых потоков на первом выходе входного нановолоконного Y-разветвителя 21-I(t2), и на выходе второго оптического нановолоконного объединителя 52~I(t1): Fj~I(tj).

Для определенности условимся, что интенсивность оптического сигнала I(t2)>I(t1). Тогда внутренняя нанотрубка 41 начнет перемещаться вправо, интенсивность светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 6 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «X» внутренней нанотрубки 41. Т.к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки 41 составляют 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 выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 6 будет равна «К·Х». Оптический сигнал с интенсивностью «К·Х» поступает далее на вход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 22, где, разделившись на два, проходит на выход устройства «у'» и на второй вход второго оптического нановолоконного объединителя 52. Оптический сигнал с интенсивностью «К·Х/2» на втором входе входного оптического нановолоконного объединителя 52 формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий, совместно с сигналом с выхода оптического нановолокна 7 (в момент времени t2 это будет входной сигнал I(t1), задержанный на dt), 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

(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 41(≈10-15-10-16 г), силой трения при ее движении (≈10-9н), интенсивностью «К» постоянного оптического сигнала, интенсивностью I(t2), I(t1) входных оптических сигналов и составляет ≈10-9-10-10с).

Таким образом, на выходе устройства «у'» формируется сигнал Iвых, превышение (или, в противном случае, снижение) интенсивности которого по отношению к постоянному уровню I0 пропорционально дифференциалу поданного оптического сигнала за время dt:

Аналогично происходит процесс дифференцирования оптических сигналов, когда интенсивность I(t1)>I(t2) (движение внутренней нанотрубки 41 при этом происходит уже влево).

Если на вход устройства подан постоянный оптический сигнал, то на выходе устройства «у'» будет постоянный оптический сигнал с интенсивностью I0=К/4.

Аналогично происходит процесс дифференцирования оптических сигналов, когда интенсивность I(t1)>I(t2) (движение внутренней нанотрубки 41 при этом происходит уже влево).

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

Оптическое дифференцирующее наноустройство, содержащее два источника постоянного оптического сигнала, входной оптический нановолоконный Y-разветвитель, выходной оптический нановолоконный Y-разветвитель, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, две телескопические нанотрубки, - внутреннюю и внешнюю, два оптических нановолоконных объединителя, оптический N-входной нановолоконный объединитель, оптическое нановолокно как оптическую линию задержки, входом устройства является вход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, а выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен к первому входу первого оптического нановолоконного объединителя, выходы оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя, телескопические нанотрубки расположены между выходами первого и второго оптических нановолоконных объединителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, в среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает половину оптических связей между выходами N-выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя, первый выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко входу оптического нановолокна, а второй выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу первого оптического нановолоконного объединителя, выход оптического нановолокна подключен к первому входу второго оптического нановолоконного объединителя, выход оптического нановолоконного N-входного объединителя подключен ко входу выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, второй выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу второго входного оптического нановолоконного объединителя, а первый выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении арифметических устройств и выполнения арифметических операций, в частности процессов суммирования и вычитания, в позиционно-знаковых кодах.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении арифметических устройств для выполнения арифметических операций суммирования и вычитания в позиционно-знаковых кодах.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении арифметических устройств и выполнении арифметических операций, в частности процессов суммирования и вычитания, в позиционно-знаковых кодах.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано при реализации дискретно-аналоговых устройств обработки: фильтров, усилителей, корректоров.

Изобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в корректирующих устройствах следящих систем и измерительных приборах. .

Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике, в частности к электроизмерительной технике. .

Изобретение относится к приборостроительной технике и может быть использовано в системах автоматического регулирования. .

Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике, в частности к электроизмерительной технике. .

Изобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в корректирующих устройствах следящих систем и измерительных приборах. .

Изобретение относится к автоматическому регулированию для использования в корректирующих устройствах следящих систем измерительных приборов. .

Изобретение относится к технологии модификации тканей за счет введения наночастиц благородных металлов и/или драгоценных или полудрагоценных минералов и может быть использовано в легкой промышленности.
Изобретение относится к модификаторам для асфальтобетона на основе углеродных наночастиц и может использоваться в строительной промышленности для производства дорожных покрытий.

Изобретение относится к вариантам способа получения интеркалированных нанокомпозитов из органических материалов со слоистыми структурами. .

Изобретение относится к области получения синтетических сверхтвердых материалов, в частности поликристаллического кубического нитрида бора, в условиях высоких давлений и температур для использования в химической, инструментальной, электронной и ряде других отраслей промышленности.

Изобретение относится к способам и устройствам получения частиц нанометрового размера для создания сенсорных, электронных и оптоэлектронных приборов и высокоселективных твердотельных катализаторов.
Изобретение относится к способам получения полимерных нанокомпозитов, а именно металлосодержащих нанокомпозитов, и может быть использовано при изготовлении материалов с необычными физико-химическими, электрофизическими, фотофизическими, магнитными, каталитическими и сенсорными свойствами для различных отраслей промышленности.
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению жаропрочного наноструктурированного конструкционного материала методом гранульной металлургии.
Изобретение относится к области катализаторов, предназначенных для гидрирования триглицеридов растительных масел и жиров, и может использоваться в пищевой, парфюмерной, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Изобретение относится к области нанотехнологий и наноматериалов. .

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.

Изобретение относится к электронно-лучевой технологии получения ультрадисперсных материалов
Наверх