Оптический jk-нанотриггер


 


Владельцы патента RU 2461032:

Аллес Михаил Александрович (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. 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.

 

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.

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.



 

Похожие патенты:

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.

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.

Изобретение относится к области нелинейной волоконной и интегральной оптики, а точнее к области полностью оптических переключателей и оптических транзисторов, и может быть использовано в волоконно-оптических линиях связи, в интегральных оптических схемах и т.п.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в качестве переключателей и логических элементов, преимущественно в волоконно-оптических линиях связи.

Изобретение относится к области обработки информации, представленной оптическими сигналами, в частности к устройствам оптической логики, усиления, коммутации, обработки оптических сигналов.

Изобретение относится к оптической цифровой технике и может быть использовано при построении оптических вычислительных машин. .

Изобретение относится к оптической цифровой технике и может быть использовано при синтезе оптических ЦВМ. .

Изобретение относится к средствам оптической импульсной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации и оптических вычислительных машинах в качестве источника тактовых импульсов
Наверх