ОПТИЧЕСКИЙ НАНОВЫЧИСЛИТЕЛЬ В СИСТЕМЕ ОСТАТОЧНЫХ КЛАССОВ

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.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является наноустройство для деления оптических сигналов [Патент №2370801, Россия, 2009. Наноустройство для деления оптических сигналов / Соколов СВ., Каменский В.В.].

Недостатком данного наноустройства для деления оптических сигналов является невозможность вычислений в системе остаточных классов.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи оптических вычислений сигналов в системе остаточных классов и реализации устройства в наноразмерном исполнении.

Поставленные задачи возникают при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемо-передающих 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 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], оптических наноусилителей [Патент №2423733, Россия, 2011. Оптический наноусилитель / Каменский В.В., Соколов С.В.], позволяющих производить разветвление оптических сигналов с одновременным их усилением, оптического вычитающего устройства [Патент №2310897, Россия, 2009. Оптическое вычитающее наноустройство / Соколов С.В., Каменский В.В.], оптического порогового устройства, построенного на основе 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 оптических наноусилителя, нановолоконный оптический объединитель, оптическое вычитающее наноустройство, оптическое пороговое наноустройство, первым входом устройства (входом делимого) является первый вход оптического вычитающего наноустройства, вторым входом устройства (входом делителя) является вход первого оптического наноусилителя, второй выход которого подключен ко второму входу оптического порогового наноустройства, а первый выход подключен к первому входу нановолоконного оптического объединителя, выход которого подключен ко входу второго оптического наноусилителя, второй выход которого подключен ко второму входу нановолоконного оптического объединителя, а первый выход подключен ко второму входу оптического вычитающего наноустройства, выход которого подключен к первому входу оптического порогового наноустройства, выход которого является выходом устройства.

Оптический нановычислитель в системе остаточных классов позволяет вычислить остаток г от деления числа А на число В: A=q⋅B+r, где А, В, q и r целые числа, 0≤r<|В|.

На фиг. 1 представлена функциональная схема оптического нановычислителя в системе остаточных классов.

Устройство состоит из двух оптических наноусилителей 1_i, _{i=1, 2}, с коэффициентом усиления 2, выполненных аналогично описанному в [Патент №2423733, Россия, 2011. Оптический наноусилитель / Каменский В.В., Соколов СВ.], каждый из которых имеет выход в виде нановолоконного оптического Y-разветвителя; нановолоконного оптического объединителя 2, оптического вычитающего наноустройства 3, выполненного аналогично описанному в [Патент №2310897, Россия, 2009. Оптическое вычитающее наноустройство / Соколов С.В., Каменский В.В.], оптического порогового наноустройства 4.

На фиг. 2 представлена функциональная схема оптического порогового наноустройства 4.

Оптическое пороговое наноустройство 4 состоит из оптического наноусилителя 5, информационного оптического нановолокна 6, внутренней нанотрубки 7₁, расположенной внутри неподвижной внешней нанотрубки 7₂, выходного оптического нановолокна 8.

Оптический наноусилитель 5 имеет выход в виде нановолоконного оптического Y-разветвителя, выполненного аналогично описанному в [Патент №2423733, Россия, 2011. Оптический наноусилитель / Каменский В.В., Соколов С.В.].

Первый выход оптического наноусилителя 5 оптически связан со входом выходного оптического нановолокна 8.

Внутренняя нанотрубка 7₁ расположена внутри неподвижной внешней нанотрубки 7₂ и образует с ней телескопические нанотрубки.

Телескопические нанотрубки 7₁, 7₂ расположены между вторым выходом оптического наноусилителя 5 и выходом оптического информационного нановолокна 6 по оси распространения их выходных оптических сигналов.

Выход выходного оптического нановолокна 8 является выходом оптического порогового наноустройства 4.

Оптическое пороговое наноустройство 4 работает следующим образом. Если интенсивность оптического сигнала, подаваемого на вход оптического наноусилителя 5 (вход X1), больше интенсивности оптического сигнала, подаваемого на вход информационного оптического нановолокна 6 (вход Х2), то внутренняя нанотрубка 7₁ перемещается в крайнее правое положение и разрывает оптическую связь между первым выходом оптического наноусилителя 5 и выходным оптическим нановолокном 8. Оптический сигнал на выходе выходного оптического нановолокна 8 (выходе оптического порогового наноустройства 4) будет равен 0.

Если интенсивность оптического сигнала, подаваемого на вход X1, меньше интенсивности оптического сигнала, подаваемого на вход Х2, то внутренняя нанотрубка 7₁ перемещается в крайнее левое положение. Смещение внутренней нанотрубки 7₁ влево приведет к образованию связи между первым выходом оптического наноусилителя 5 и выходным оптическим нановолокном 8. Оптический сигнал со входа X1 через оптический наноусилитель 5 и выходное оптическое нановолокно 8 поступит на выход Y оптического порогового наноустройства 4.

Таким образом, оптический сигнал со входа X1 пройдет на выход Y оптического порогового наноустройства 4, только если его интенсивность меньше, чем интенсивность оптического сигнала на входе Х2.

Оптический нановычислитель в системе остаточных классов имеет следующие входы.

Входом устройства А (входом делимого) является первый вход оптического вычитающего наноустройства 3. Входом устройства В (входом делителя) является вход оптического наноусилителя 1₁.

Выходом устройства R является выход оптического порогового наноустройства 4.

Первый выход первого оптического наноусилителя 1₁ подключен к первому входу нановолоконного оптического объединителя 2, а второй выход - ко второму входу оптического порогового наноустройства 4. Выход нановолоконного оптического объединителя 2 подключен ко входу второго оптического наноусилителя 1₂. Первый выход второго оптического наноусилителя 1₂ подключен ко второму входу оптического вычитающего наноустройства 3, выход которого подключен к первому входу оптического порогового наноустройства 4, а второй выход второго оптического наноусилителя 1₂ подключен ко второму входу нановолоконного оптического объединителя 2.

Работу устройства рассмотрим на следующем численном примере.

Пусть на вход устройства А подан оптический сигнал с интенсивностью 13 усл. ед. (делимое), а на вход устройства В подан оптический сигнал с интенсивностью 4 усл. ед. (делитель).

Оптический сигнал со входа А с интенсивностью 13 усл. ед. поступает на первый вход вычитающего устройства 3. Оптический сигнал со входа В с интенсивностью 4 усл. ед., пройдя первый оптический наноусилитель 1₁ нановолоконный оптический объединитель 2 и второй оптический наноусилитель 1₂, поступает на второй вход вычитающего устройства 3. Интенсивность оптического сигнала на выходе вычитающего устройства 3 будет равна: 13-4=9 усл. ед.

Оптический сигнал с интенсивностью 9 усл. ед. с выхода вычитающего наноустройства 3 поступает на первый вход оптического порогового наноустройства 4. Оптический сигнал с интенсивностью 4 усл. ед. со второго выхода оптического наноусилителя 11 поступает на второй вход оптического порогового наноустройства 4. Так как оптический сигнал на первом входе (сигнал А-В), равный 9 усл. ед., больше, чем оптический сигнал на втором входе (сигнал В), равный 4 усл. ед., то оптический сигнал на выходе оптического порогового наноустройства 4 будет равен 0 усл. ед.

На первый вход нановолоконного оптического объединителя 2 поступает оптический сигнал В с интенсивностью 4 усл. ед. с выхода первого оптического наноусилителя 1₁. На второй вход нановолоконного оптического объединителя 2 поступает суммируемый с ним сигнал с интенсивностью 4 усл. ед. со второго выхода второго оптического наноусилителя 1₂. Т.о. интенсивность оптического сигнала на выходе вычитающего устройства 3 (А-2⋅В) будет равна: 13-2⋅4=5 усл.ед..

Оптический сигнал с выхода вычитающего наноустройства 3 с интенсивностью 5 усл. ед. поступает на первый вход оптического порогового наноустройства 4. Оптический сигнал со второго выхода первого оптического наноусилителя 7₁ с интенсивностью 4 усл. ед. поступает на второй вход оптического порогового наноустройства 4. Так как оптический сигнал на первом входе (5 усл. ед.) больше, чем оптический сигнал на втором входе (4 усл. ед.), то оптический сигнал на выходе оптического порогового наноустройства 4 будет равен 0 усл. ед.

Т.к. процесс вычисления повторяется, пока интенсивность сигнала на первом входе оптического порогового наноустройства 4 больше, чем на его втором входе, то далее на второй вход нановолоконного оптического объединителя 2 вновь поступает сигнал с интенсивностью 4 усл.ед. со второго выхода второго оптического наноусилителя 1₂, суммируемый с оптическим сигналом В с интенсивностью 4 усл.ед. с выхода первого оптического наноусилителя 1₁. Интенсивность оптического сигнала на выходе вычитающего устройства 3 (А-3⋅В) в этом случае будет равна: 13-3⋅4=1 усл.ед..

Оптический сигнал с выхода вычитающего наноустройства 3 с интенсивностью 1 усл. ед. поступает на первый вход оптического порогового наноустройства 4, на второй вход которого поступает оптический сигнал со второго выхода первого оптического наноусилителя 1₁ с интенсивностью 4 усл. ед. Так как оптический сигнал на первом входе (1 усл. ед.) меньше, чем оптический сигнал на втором входе (4 усл. ед.), то интенсивность оптического сигнала на выходе оптического порогового наноустройства 4 будет равна 1 усл. ед. и равна остатку 1 от деления числа 13 на число 4.

Таким образом, на выходе устройства R формируется оптический сигнал, интенсивность которого равна остатку r от деления числа А на число В (т.е. числу А по модулю В).

Простота данного оптического нановычислителя в системе остаточных классов, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.