Оптическое кодирующее наноустройство



Оптическое кодирующее наноустройство
Оптическое кодирующее наноустройство

 


Владельцы патента RU 2485691:

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. Устройство состоит из N-1 оптических наноусилителей, оптического N+1-входного нановолоконного объединителя, двух источников постоянного оптического сигнала, двух телескопических нанотрубок, оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя, оптического Q-входного нановолоконного объединителя обратной связи, Р групп входных оптических нановолокон, Р групп промежуточных оптических нановолокон, Р групп выходных оптических нановолокон, М оптических Р-входных нановолоконных объединителей. Технический результат - упрощение устройства и его реализация в наноразмерном исполнении. 2 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 в наноразмерном исполнении.

Известные различные кодирующие устройства (преобразователи кодов), построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983], обеспечивающие преобразование N входных сигналов в М выходных сигналов.

Недостатками этих кодирующих устройств являются большая сложность и низкое быстродействие.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналоговый наномультиплексор, содержащий M входных оптических нановолокон, M оптических нановолокон, оптический М-входной нановолоконный объединитель, две телескопические нанотрубки, источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, управляющее оптическое нановолокно, оптический нановолоконный N-входной объединитель [Патент №2419126, Россия, 2011. Оптический аналоговый наномультиплексор / Каменский В.В., Соколов С.В.].

Недостатком данного оптического аналогового наномультиплексора является невозможность выполнения функции кодирования оптических сигналов.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи кодирования оптических сигналов, задачи упрощения устройства и задачи реализации устройства в наноразмерном исполнении.

Поставленные задачи возникают при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемопередающих наноустройств.

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 в него введены N-1 оптических наноусилителей, оптический N+1-входной нановолоконный объединитель, второй источник постоянного оптического сигнала, Р групп входных оптических нановолокон, Р групп промежуточных оптических нановолокон, Р групп выходных оптических нановолокон, М оптических Р-входных нановолоконных объединителей, причем, информационными входами устройства являются входы Р групп входных оптических нановолокон, управляющими входами устройства является первый вход оптического N+1-входного нановолоконного объединителя и входы оптических наноусилителей, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен к первому входу оптического N+1-входного нановолоконного объединителя, выходы оптических наноусилителей подключены ко входам оптического N+1-входного нановолоконного объединителя, выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен к входу оптического нановолоконного Q -выходного разветвителя, выходы оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя оптически связаны со входами оптического Q-входного нановолоконного объединителя обратной связи, Р групп входных оптических нановолокон и оптический нановолоконный Q-выходной разветвитель расположен во взаимно перпендикулярных плоскостях, телескопические нанотрубки расположены между выходами оптического N+1-входного нановолоконного объединителя и оптического Q-входного нановолоконного объединителя обратной связи по оси распространения их выходных оптических сигналов, выход каждого входного оптического нановолокна оптически связан с входом одного промежуточного оптического нановолокна, а выход каждого промежуточного оптического нановолокна оптически связан с входом одного выходного оптического нановолокна, каждая группа выходных оптических нановолокон подключена к одноименным входам оптических нановолоконных Р-входных объединителей, выходы оптических нановолоконных Р-входных объединителей являются выходами устройства.

В зависимости от входных сигналов {x1, х2, …xN} оптическое кодирующее наноустройство позволяет сформировать выходные сигналы {Y1, Y2, …YM} в соответствии со значениями требуемой функции. Значения требуемой функции должны быть установлены на информационных входах «D11-DPM», где P=2N.

Устройство состоит из N-1 оптических наноусилителей 1i, i=1, N-1, оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2, двух источников постоянного оптического сигнала 3i, i=1, 2, двух телескопических нанотрубок 4i, i=1, 2 41 - внутренняя нанотрубка, 42 - внешняя нанотрубка), оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 5, оптического Q-входного нановолоконного объединителя 6 обратной связи, Р групп входных оптических нановолокон 71ij, i=1…P, j=1…M, Р групп промежуточных оптических нановолокон 72ij, i=i…P, j=1…M, Р групп выходных оптических нановолокон 73ij, i=i…P, j=1…M, M оптических Р-входных нановолоконных объединителей 8i, i=1, M.

Информационными входами устройства «D11-DPM» являются входы входных оптических нановолокон 71ij. Управляющими входами устройства является первый вход оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 и входы оптических наноусилителей 11…1N-1.

Выходами устройства Y1…YМ являются выходы оптических нановолоконных N-входных объединителей 81…8М.

Выход первого источника постоянного оптического сигнала 31 подключен к первому входу оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2, выходы оптических наноусилителей подключены ко входам оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2. Оптические наноусилители могут быть выполнены в соответствии с [Патент №2423733, Россия, 2011. Оптический наноусилитель / Каменский В.В., Соколов С.В.].

Выход второго источника постоянного оптического сигнала 32 подключен к входу оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 5. Выходы оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 5 оптически связаны со входами оптического Q-входного нановолоконного объединителя 6 обратной связи.

Телескопические нанотрубки 41, 42 расположены между выходами оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 и оптического Q-входного нановолоконного объединителя 6 обратной связи по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под действием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 Вт создает разность сил 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 41 будет 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 // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]).

В пределах одной группы входные оптические нановолокна 71ij, i=1…Р, j=1…M, промежуточные оптические нановолокона 72ij, i=1…P, j=1…M и выходные оптические нановолокона 73ij, i=1…P, j=1…M располагаются линейно (фиг.1) или радиально (фиг.2).

Выход каждого входного оптического нановолокна 71ij, i=1…P, j=1… M оптически связан с входом одного промежуточного оптического нановолокна 72ij, i=1…P, j=1…M, а выход каждого промежуточного оптического нановолокна 72ij, i=1…P, j=1…M оптически связан с входом одного выходного оптического нановолокна 73ij, j=1…P, j=1…M.

Выходы первой группы входных оптических нановолокон 711i…711M (i=1…M) оптически связаны со входами первой группы промежуточных оптических нановолокон 721i…721M, а выходы первой группы промежуточных оптических нановолокон 721i…721M оптически связаны со входами первой группы выходных оптических нановолокон 731i…731M.

Выходы группы i входных оптических нановолокон 71ij (j=1…M) оптически связаны со входами группы i промежуточных оптических нановолокон 72ij, а выходы группы i промежуточных оптических нановолокон 72ij оптически связаны со входами группы i выходных оптических нановолокон 73ij.

Первые выходы каждой группы выходных оптических нановолокон 73i1 подключены ко входам первого оптического нановолоконного Р-входного объединителя 81. Вторые выходы каждой группы выходных оптических нановолокон 73i2 подключены ко входам второго оптического нановолоконного Р-входного объединителя 82. Выходы j каждой группы i выходных оптических нановолокон 73ij подключены ко входам j-го оптического нановолоконного Р-входного объединителя 8j.

Световой поток от Р групп входных оптических нановолокон 71ij, i=1…P, j=1…M и Р групп промежуточных оптических нановолокон 72ij, i=1…P, j=1…M распространяются по оси OY, световой поток от оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 5 распространяется по оси OZ (фиг.1).

В исходном положении внутренняя нанотрубка 41 находится в крайнем левом (исходном) положении и разрывает оптические связи между выходами оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 5 и входами оптического Q-входного нановолоконного объединителя 6. Оптические связи между выходами промежуточных оптических нановолокон 72ij и входами выходных оптических нановолокон 73ij при этом сохраняются.

Устройство работает следующим образом.

С выхода источника постоянного оптического сигнала 32 сигнал с интенсивностью Q·K усл.ед. (Q - количество выходов Q-выходного оптического нановолоконного разветвителя 5) поступает на вход Q-входного оптического нановолоконного объединителя 6, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K усл.ед.

С выхода источника постоянного оптического сигнала 31 сигнал с интенсивностью 1 усл.ед. поступает на второй вход оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2. Оптические сигналы на остальных входах оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 равны нулю, поэтому интенсивность сигнала на его выходе будет равна 1 усл.ед. Тогда на внутреннюю нанотрубку 41 будет действовать разность сил за счет следующих световых давлений: давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе N+1-входного нановолоконного объединителя 2-F=Z·I1 (Z - коэффициент пропорциональности), и давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе Q-входного оптического нановолоконного объединителя 6.

Под действием разности световых давлений внутренняя нанотрубка 41 из крайнего левого положения начнет перемещаться вправо, интенсивность светового потока на выходе Q-входного оптического нановолоконного объединителя 6 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «S» внутренней нанотрубки 41. Т.к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки 41 составляют единицы микрон, а диаметры оптических нановолокон - нанометры, то изменение величины перемещения «S» для ясности последующего изложения можно считать непрерывным (дискретный характер изменения «S» не вносит никаких принципиальных ограничений в принцип действия устройства) - интенсивность светового потока на выходе Р-входного оптического нановолоконного объединителя 6 будет равна «К·S», где «K» - интенсивность постоянного оптического сигнала.

Оптический сигнал с интенсивностью «К·S» формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 41 вправо, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «S» замедляется.

По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 41) величина перемещения «S» будет равна

S1=I1/K.

(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 41 (≈10-15-10-16 г), силой трения при ее движении (≈10-9 Н), интенсивностью «K» постоянного оптического сигнала, интенсивностью I входного оптического сигнала и составляет ≈10-7-10-8 с).

Источник оптического сигнала 31 обеспечивает начальное смещение нанотрубки при входных сигналах, равных нулю.

Смещение внутренней нанотрубки 41 вправо на величину S1 приведет к образованию связей между выходами первой группы входных оптических нановолокон 711i…711M и входами первой группы промежуточных оптических нановолокон 721i…721M, оптические связи между выходами первой группы промежуточных оптических нановолокон 721i…721M и входами первой группы выходных оптических нановолокон 731i…731M сохраняются. Оптические сигналы с информационных входов «D11-D1M» поступят на выходы Y1…YM устройства.

Усилители 1i, i=1, N-1 обеспечивают цифроаналоговое преобразование сигналов, поступающих на входы «x1», «x2» …«xN», путем усиления сигнала со входа «x2» 2N-1=22-1=2 - в два раза, со входа «х3» 2N-1=23-1=4 - в четыре раза, со входа «xN-1» в 2N-1-1 раза.

При подаче на вход «x1» оптического сигнала интенсивностью 1 усл.ед. (на остальных входах оптические сигналы равны 0) на выходе N+1-входного нановолоконного объединителя 2 будет присутствовать сигнал с интенсивностью I2=2 усл. ед.

Тогда внутренняя нанотрубка 41 начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «S» будет равна

S2=I2/K.

Таким образом, каждому входному оптическому сигналу с интенсивностью I будет соответствовать свое перемещение внутренней нанотрубки S.

В положении S2 внутренняя нанотрубка 41 не препятствует образованию оптических связей между выходами входных оптических нановолокон первой и второй групп 7111…711M, 7121…712M и входами промежуточных нановолокон 7211…721M, 7221…722M, но препятствует образованию оптических связей между выходами промежуточных оптических нановолокон 7211…7221M и входами выходных оптических нановолокон 7311…731M. Оптические сигналы с информационных входов «D21-D2M» поступят на выходы Y1…YM устройства.

В зависимости от подаваемых входных сигналов внутренняя нанотрубка будет перемещаться в соответствующее положение, при этом только одна группа входных оптических нановолокон 71il…71iM будет оптически связана с одной группой выходных оптических нановолокон 73il…73iM. И соответственно, сигналы со входов только одной группы входных оптических нановолокон 71il…71iM через промежуточные 72il…72iM и выходные нановолокна 73il…73iM, через оптические Р-входные нановолоконные объединители 81…8M поступят на выходы Y1…YM устройства.

Например, для построения на основе оптического кодирующего устройства приоритетного шифратора, осуществляющего кодирование трех входных сигналов в два выходных, на входы входных оптических нановолокон подаются сигналы:

D11=0, D12=0, D21=0, D22=1, D31=1, D32=0, D41=1, D42=0,

D51=1, D52=1, D61=1, D62=1, D71=1, D72=1, D81=1, D82=1.

При подаче на управляющие входы устройства оптических сигналов, равных нулю «x3»=0, «x2»=0, «x1»=0, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 составит 4·0+2·0+1·0+1=1 усл.ед., в результате внутренняя нанотрубка 41 переместится в положение S1, при котором сигналы с информационных входов «D11-D12» поступают на выходы устройства Y2=0, Y1=0.

При подаче на управляющие входы устройства оптических сигналов, равных «x3»=0, «x2»=0, «x1»=1, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 составит 4·0+2·0+1·1+1=2 усл.ед. - в результате внутренняя нанотрубка 41 переместится в положение S2, при котором сигналы с информационных входов «D21-D22» поступают на выходы устройства Y2=0, Y1=1.

При подаче на управляющие входы устройства оптических сигналов, равных «x3»=0, «x2»=1, «x1»=0, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 составит 3 усл.ед. - в результате внутренняя нанотрубка 41 переместится в положение S3, при котором сигналы с информационных входов «D31-D32» поступают на выходы устройства Y2=1, Y1=0.

При подаче на управляющие входы устройства оптических сигналов, равных «x3»=0, «x2»=1, «x1»=1, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 составит 4 усл.ед. - в результате внутренняя нанотрубка 41 переместится в положение S4, при котором сигналы с информационных входов «D41-D42» поступают на выходы устройства Y2=l, Y1=0.

При подаче на управляющие входы устройства оптических сигналов, равных «x3»=1, «x2»=0, «x1»=0, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 составит 5 усл.ед. - в результате внутренняя нанотрубка 41 переместится в положение S5, при котором сигналы с информационных входов «D51-D52» поступают на выходы устройства Y2=1, Y1=l.

При подаче на управляющий вход устройства оптических сигналов, равных «x3»=1, «x2»=0, «x1»=1 или «x3»=1, «x2»=1, «x1»=0 или «x3»=1, «x2»=1, «x1»=1, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 составит от 6 до 8 усл.ед. - в результате внутренняя нанотрубка 41 переместится в одно из положений (S6…S8) при котором, сигналы с соответствующих информационных входов «Di1-Di2» (i=6…8) поступают на выходы устройства Y2=1, Y1=1.

Таким образом, в зависимости от комбинации сигналов на входах «xN», «x2» и «x1» на выходах устройства Y1…YM появятся оптические сигналы, установленные на информационных входах «Di1-Di2».

Следует отметить, что вход «х1» может быть использован как вход аналогового управления, а на входы входных оптических нановолокон могут подаваться аналоговые оптические сигналы, что позволит производить кодирование аналоговых сигналов.

Простота данного оптического наноусилителя, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемопередающих наноустройств.

Оптическое кодирующее наноустройство, содержащее источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный Q-выходной разветвитель, оптический Q-входной нановолоконный объединитель, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, отличающееся тем, что в него введены N-1 оптических наноусилителей, оптический N+1-входной нановолоконный объединитель, второй источник постоянного оптического сигнала, Р групп входных оптических нановолокон, Р групп промежуточных оптических нановолокон, Р групп выходных оптических нановолокон, М оптических Р-входных нановолоконных объединителей, причем информационными входами устройства являются входы Р групп входных оптических нановолокон, управляющими входами устройства является первый вход оптического N+1-входного нановолоконного объединителя и входы оптических наноусилителей, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен к первому входу оптического N+1-входного нановолоконного объединителя, выходы оптических наноусилителей подключены ко входам оптического N+1-входного нановолоконного объединителя, выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен к входу оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя, выходы оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя оптически связаны со входами оптического Q-входного нановолоконного объединителя обратной связи, Р групп входных оптических нановолокон, и оптический нановолоконный Q-выходной разветвитель расположен во взаимно перпендикулярных плоскостях, телескопические нанотрубки расположены между выходами оптического N+1-входного нановолоконного объединителя и оптического Q-входного нановолоконного объединителя обратной связи по оси распространения их выходных оптических сигналов, выход каждого входного оптического нановолокна оптически связан с входом одного промежуточного оптического нановолокна, а выход каждого промежуточного оптического нановолокна оптически связан с входом одного выходного оптического нановолокна, каждая группа выходных оптических нановолокон подключена к одноименным входам оптических нановолоконных Р-входных объединителей, выходы оптических нановолоконных Р-входных объединителей являются выходами устройства.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к пассивной оптической сети и предназначено для поддержания более высоких скоростей передачи либо большего числа блоков оптической сети. .

Изобретение относится к области оптической сети и обеспечивает экономию полосы пропускания транспортного канала. .

Изобретение относится к технике связи, а именно к технике передачи информации по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) с уплотнением по длинам волн излучения, и может быть использовано для обеспечения связи как в местных, так и в глобальном масштабах.

Изобретение относится к устройствам передачи данных в системах связи и может быть использовано при разработке защищенных от восстановления волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) со спектральным уплотнением (СП).

Изобретение относится к средствам отображения в оптической транспортной сети. .

Изобретение относится к системам передачи информации, телеметрии и оптоэлектроники и может быть использовано для передачи конфиденциальной информации. .

Изобретение относится к способам передачи данных в системах связи и может быть использовано при разработке волоконно-оптических систем передачи данных со спектральным уплотнением.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, позволяющей осуществлять непрерывный контроль состояния работоспособности линейного тракта волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) с мультиплексированием по длине волны (МДВ) и волоконно-оптическими усилителями (ВОУ).

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи со спектральным уплотнением каналов, в частности к управляемым и реконфигурируемым оптическим мультиплексорам ввода/вывода каналов.

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи и обработки информации. .

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 наномашин и приемопередающих наноустройств.

Изобретение относится к светоизмерительной технике. .

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 приемо-передающих 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 средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемо-передающих устройств.

Изобретение относится к средствам вычислительной техники. .

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 функциональным кодоимпульсным устройствам, преобразующим один двухпозиционный код двоичной системы счисления в другой вид той же системы счисления. Техническим результатом является получение на выходе преобразователя кодов параллельно двух видов кодов двоичной системы счисления для использования функциональными кодоимпульсными устройствами. Результат достигается введением в преобразователь кодов преобразователя "двоичный код - яркость излучения" и преобразователя "двоичный код комбинации 2n-1 - двоичный код комбинации 2n-1". 3 ил., 3 табл.
Наверх