Оптический наногенератор

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. Устройство содержит пару телескопических нанотрубок, оптический источник постоянного сигнала, два выходных оптических нановолновода, два оптических источника постоянного сигнала, два источника электрического питания, две группы электрических контактов, оптический нановолноводный Y-разветвитель. Техническим результатом является расширение возможностей устройства за счет выполнения функций генератора оптических импульсов при реализации последнего в наноразмерном исполнении. 1 ил.

 

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.

Известным оптическим генератором является оптический мультивибратор, состоящий из оптических волноводов, оптических разветвителей и оптических бистабильных элементов [Патент №2050017, Россия, 1995. Оптический мультивибратор / Соколов С.В.].

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и невозможность реализации устройства в наноразмерном исполнении.

Существенные признаки указанного аналога, общие с заявляемым устройством, - оптические волноводы, оптический разветвитель.

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, - телескопические нанотрубки, источник постоянного сигнала, выходные оптические нановолноводы.

Недостатком прототипа является невозможность генерации оптических импульсов.

Задачами изобретения являются создание оптического устройства, способного генерировать как когерентные, так и некогерентные оптические импульсы, а также реализация устройства в наноразмерном исполнении.

Техническим результатом является расширение возможностей устройства за счет выполнения функций генератора оптических импульсов при реализации последнего в наноразмерном исполнении.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптический наногенератор, содержащий пару телескопических нанотрубок, оптический источник постоянного сигнала, два выходных оптических нановолновода, введены два оптических источника постоянного сигнала, два источника электрического питания, две группы электрических контактов, оптический нановолноводный Y-разветвитель, выход первого источника электрического питания подключен ко входу первого источника постоянного сигнала через первую группу электрических контактов, выход второго источника электрического питания подключен ко входу второго источника постоянного сигнала через вторую группу электрических контактов, выход третьего источника постоянного сигнала подключен ко входу оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход которого оптически связан с первым выходным оптическим нановолноводом, а второй оптически связан со вторым выходным оптическим нановолноводом, пара телескопических нанотрубок расположена между выходом первого источника постоянного сигнала и выходом второго источника постоянного сигнала таким образом, что в исходном положении внутренняя нанотрубка пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между вторым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом второго выходного оптического нановолновода и замыкает вторую группу электрических контактов, при этом присутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом первого выходного оптического нановолновода, а также разомкнута первая группа электрических контактов, в крайнем левом положении внутренняя нанотрубка пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между первым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом первого выходного оптического нановолновода и замыкает первую группу электрических контактов, при этом присутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом второго выходного оптического нановолновода, а также разомкнута вторая группа электрических контактов, выход первого выходного оптического нановолновода является первым выходом устройства, выход второго выходного оптического нановолновода является вторым 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 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].

Функциональная схема оптического наногенератора показана на фигуре 1.

Оптический наногенератор содержит:

- 1₁, 1₂, 1₃ - три источника постоянного излучения (ИИ); интенсивность излучения каждого из источников 1₁, 1₂ составляет m усл(овных) ед(иниц); интенсивность излучения источника 1₃ составляет 2×n усл.ед.;

- 2₁, 2₂ - первый и второй источники электрического питания (ИЭП);

- 3₁, 3₂ - первую и вторую группы электрических контактов;

- 4 - оптический нановолноводный Y-разветвитель;

- 5₁, 5₂ - пару телескопических нанотрубок, содержащую внутреннюю нанотрубку 5₁ и внешнюю нанотрубку 5₂;

- 6₁, 6₂ - первый и второй выходные оптические нановолноводы.

Первый ИИ 1₁ включен в цепь первого ИЭП 2₁, замыкаемую первой группой электрических контактов 3₁. Второй ИИ 1₂ включен в цепь второго ИЭП 2₂, замыкаемую второй группой электрических контактов 3₂.

Выход третьего ИИ 1₃ подключен ко входу оптического нановолноводного Y-разветвителя 4, первый выход которого оптически связан с первым выходным оптическим нановолноводом 6₁, а второй выход оптически связан со вторым выходным оптическим нановолноводом 6₂.

Пара телескопических нанотрубок 5₁, 5₂ расположена между выходом первого ИИ 1₁ и выходом второго ИИ 1₂ по оси распространения их оптических сигналов.

В исходном состоянии внутренняя нанотрубка 5₁ пары телескопических нанотрубок 5₁, 5₂ замыкает вторую группу электрических контактов 3₂ и разрывает оптическую связь между вторым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго выходного оптического нановолновода 6₂, при этом присутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом первого выходного оптического нановолновода 6₁, а также разомкнута первая группа электрических контактов 3₁.

В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 5₁ пары телескопических нанотрубок 5₁, 5₂ разрывает оптическую связь между первым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом первого выходного оптического нановолновода 6₁ и замыкает первую группу электрических контактов 3₁, при этом присутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго выходного оптического нановолновода 6₂, а также разомкнута вторая группа электрических контактов 3₂.

Под воздействием силы, обусловленной давлением светового потока (оптические мощности 1-5 ватт создают силы 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 5₁ пары телескопических нанотрубок 5₁, 5₂ будет перемещаться в направлении оптического потока (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 // Phys. Rev. Lett. 88, 045503. 28 January, 2002]).

Выход первого выходного оптического нановолновода 6₁ является первым выходом устройства (Выход 1) выход второго выходного оптического нановолновода 6₂ является вторым выходом устройства (Выход 2).

Работа устройства протекает следующим образом.

С выхода третьего ИИ 1₃ оптический поток с интенсивностью 2×n усл.ед. поступает на вход оптического нановолноводного Y-разветвителя 4, с первого и второго выходов которого формируются оптические потоки с интенсивностью по n усл.ед. каждый.

В исходном положении внутренняя нанотрубка 5₁ пары телескопических нанотрубок 5₁, 5₂ разрывает оптическую связь между вторым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго выходного оптического нановолновода 6₂ и замыкает вторую группу электрических контактов 3₂. При этом присутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом первого выходного оптического нановолновода 6₁, а также разомкнута первая группа электрических контактов 3₁. На выходе первого выходного оптического нановолновода 6₁ (на «Выходе 1» устройства) формируется оптический поток с интенсивностью n усл.ед.

При замыкании второй группы электрических контактов 3₂ на вход второго ИИ 1₂ подается напряжение от второго ИЭП 2₂. С выхода второго ИИ 1₂ оптический поток с интенсивностью m усл.ед. поступает на внутреннюю нанотрубку 5₁ пары телескопических нанотрубок 5₁, 5₂.

Под действием силы давления оптического потока внутренняя нанотрубка 5₁ пары телескопических нанотрубок 5₁, 5₂ начнет перемещаться влево и займет крайнее левое положение. При этом будет отсутствовать оптическая связь между первым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом первого выходного оптического нановолновода 6₁ и будет замкнута первая группа электрических контактов 3₁. Кроме того, будет присутствовать оптическая связь между вторым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго выходного оптического нановолновода 6₂, а также разомкнута вторая группа электрических контактов 3₂. Следовательно, на выходе первого выходного оптического нановолновода 6₁ (на «Выходе 1» устройства) оптический поток с интенсивностью n усл.ед. формироваться не будет, а на выходе второго выходного оптического нановолновода 6₂ (на «Выходе 2» устройства) появится оптический поток с интенсивностью n усл.ед.

Кроме того, на внутреннюю нанотрубку 5₁ пары телескопических нанотрубок 5₁, 5₂ со стороны второго ИИ 1₂ больше не будет действовать сила давления оптического потока, так как разомкнутая вторая группа электрических контактов разорвет цепь электрического питания второго ИИ 1₂ от второго ИЭП 2₂.

При замыкании первой группы электрических контактов 3₁ на вход первого ИИ 1₁ подается напряжение от первого ИЭП 3₂. С выхода первого ИИ 1₁ оптический поток с интенсивностью m усл.ед. поступает на внутреннюю нанотрубку 5₁ пары телескопических нанотрубок 5₁, 5₂.

Под действием силы давления оптического потока внутренняя нанотрубка 5₁ пары телескопических нанотрубок 5₁, 5₂ начнет перемещаться вправо и займет исходное положение. При этом будет отсутствовать оптическая связь между вторым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго выходного оптического нановолновода 6₂ и будет замкнута вторая группа электрических контактов 3₂. Кроме того, будет присутствовать оптическая связь между первым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом первого выходного оптического нановолновода 6₁, a также разомкнута первая группа электрических контактов 3₁. Следовательно, с выхода второго выходного оптического нановолновода 6₂ (на «Выходе 2» устройства) оптический поток с интенсивностью n усл.ед. больше формироваться не будет, а на выходе первого выходного оптического нановолновода 6₁ (на «Выходе 1» устройства) появится оптический поток с интенсивностью n усл.ед.

Устройство пришло в исходное состояние. Дальнейшее функционирование оптического наногенератора осуществляется аналогично вышеизложенному.

Частота генерируемых импульсов определяется массой внутренней нанотрубки (≈10^-15-10^-16 г), силой трения при ее движении (≈10^-10 Н), интенсивностью и динамическими характеристиками источников излучения (для источников излучения, выполненных в варианте инжекционного лазерного диода, быстродействие составляет порядка 10^-10…10^-12 с [Носов Ю.Р. Оптоэлектроника / Ю.Р.Носов. - М.: Изд-во «Радио и связь», 1989. - 360 с.]) и составляет ≈10⁹-10¹⁰ с^-1.

Оптический наногенератор, содержащий пару телескопических нанотрубок, оптический источник постоянного сигнала, два выходных оптических нановолновода, отличающийся тем, что в него введены два оптических источника постоянного сигнала, два источника электрического питания, две группы электрических контактов, оптический нановолноводный Y-разветвитель, выход первого источника электрического питания подключен ко входу первого источника постоянного сигнала через первую группу электрических контактов, выход второго источника электрического питания подключен ко входу второго источника постоянного сигнала через вторую группу электрических контактов, выход третьего источника постоянного сигнала подключен ко входу оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход которого оптически связан с первым выходным оптическим нановолноводом, а второй оптически связан со вторым выходным оптическим нановолноводом, пара телескопических нанотрубок расположена между выходом первого источника постоянного сигнала и выходом второго источника постоянного сигнала таким образом, что в исходном положении внутренняя нанотрубка пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между вторым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом второго выходного оптического нановолновода и замыкает вторую группу электрических контактов, при этом присутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом первого выходного оптического нановолновода, а также разомкнута первая группа электрических контактов, в крайнем левом положении внутренняя нанотрубка пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между первым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом первого выходного оптического нановолновода и замыкает первую группу электрических контактов, при этом присутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом второго выходного оптического нановолновода, а также разомкнута вторая группа электрических контактов, выход первого выходного оптического нановолновода является первым выходом устройства, выход второго выходного оптического нановолновода является вторым выходом устройства.