Результат интеллектуальной деятельности: ОПТИЧЕСКОЕ КОДИРУЮЩЕЕ НАНОУСТРОЙСТВО

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, …x_N} оптическое кодирующее наноустройство позволяет сформировать выходные сигналы {Y₁, Y₂, …Y_M} в соответствии со значениями требуемой функции. Значения требуемой функции должны быть установлены на информационных входах «D₁₁-D_PM», где P=2^N.

Устройство состоит из N-1 оптических наноусилителей 1_{i, i=1, N-1}, оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2, двух источников постоянного оптического сигнала 3_{i, i=1, 2}, двух телескопических нанотрубок 4_{i, 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 7_{1ij, i=1…P, j=1…M}, Р групп промежуточных оптических нановолокон 7_{2ij, i=i…P, j=1…M}, Р групп выходных оптических нановолокон 7_{3ij, i=i…P, j=1…M}, M оптических Р-входных нановолоконных объединителей 8_{i, i=1, M}.

Информационными входами устройства «D₁₁-D_PM» являются входы входных оптических нановолокон 7_1ij. Управляющими входами устройства является первый вход оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 и входы оптических наноусилителей 1₁…1_N-1.

Выходами устройства Y₁…Y_М являются выходы оптических нановолоконных N-входных объединителей 8₁…8_М.

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 7_{1ij, i=1…Р, j=1…M}, промежуточные оптические нановолокона 7_{2ij, i=1…P, j=1…M} и выходные оптические нановолокона 7_{3ij, i=1…P, j=1…M} располагаются линейно (фиг.1) или радиально (фиг.2).

Выход каждого входного оптического нановолокна 7_{1ij, i=1…P, j=1… M} оптически связан с входом одного промежуточного оптического нановолокна 7_{2ij, i=1…P, j=1…M}, а выход каждого промежуточного оптического нановолокна 7_{2ij, i=1…P, j=1…M} оптически связан с входом одного выходного оптического нановолокна 7_{3ij, j=1…P, j=1…M}.

Выходы первой группы входных оптических нановолокон 7_11i…711M (i=1…M) оптически связаны со входами первой группы промежуточных оптических нановолокон 7_21i…7_21M, а выходы первой группы промежуточных оптических нановолокон 7_21i…7_21M оптически связаны со входами первой группы выходных оптических нановолокон 7_31i…7_31M.

Выходы группы i входных оптических нановолокон 7_1ij (j=1…M) оптически связаны со входами группы i промежуточных оптических нановолокон 7_2ij, а выходы группы i промежуточных оптических нановолокон 7_2ij оптически связаны со входами группы i выходных оптических нановолокон 7_3ij.

Первые выходы каждой группы выходных оптических нановолокон 7_3i1 подключены ко входам первого оптического нановолоконного Р-входного объединителя 8₁. Вторые выходы каждой группы выходных оптических нановолокон 7_3i2 подключены ко входам второго оптического нановолоконного Р-входного объединителя 8₂. Выходы j каждой группы i выходных оптических нановолокон 7_3ij подключены ко входам j-го оптического нановолоконного Р-входного объединителя 8_j.

Световой поток от Р групп входных оптических нановолокон 7_{1ij, i=1…P, j=1…M} и Р групп промежуточных оптических нановолокон 7_{2ij, 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 7_2ij и входами выходных оптических нановолокон 7_3ij 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 7_11i…7_11M и входами первой группы промежуточных оптических нановолокон 7_21i…7_21M, оптические связи между выходами первой группы промежуточных оптических нановолокон 7_21i…7_21M и входами первой группы выходных оптических нановолокон 7_31i…7_31M сохраняются. Оптические сигналы с информационных входов «D₁₁-D_1M» поступят на выходы Y₁…Y_M устройства.

Усилители 1_{i, i=1, N-1} обеспечивают цифроаналоговое преобразование сигналов, поступающих на входы «x₁», «x₂» …«x_N», путем усиления сигнала со входа «x₂» 2^N-1=2^2-1=2 - в два раза, со входа «х₃» 2^N-1=2^3-1=4 - в четыре раза, со входа «x_N-1» в 2^N-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…7_11M, 7₁₂₁…7_12M и входами промежуточных нановолокон 7₂₁₁…7_21M, 7₂₂₁…7_22M, но препятствует образованию оптических связей между выходами промежуточных оптических нановолокон 7₂₁₁…72_21M и входами выходных оптических нановолокон 7₃₁₁…7_31M. Оптические сигналы с информационных входов «D₂₁-D_2M» поступят на выходы Y₁…Y_M устройства.

В зависимости от подаваемых входных сигналов внутренняя нанотрубка будет перемещаться в соответствующее положение, при этом только одна группа входных оптических нановолокон 7_1il…7_1iM будет оптически связана с одной группой выходных оптических нановолокон 7_3il…7_3iM. И соответственно, сигналы со входов только одной группы входных оптических нановолокон 7_1il…7_1iM через промежуточные 7_2il…7_2iM и выходные нановолокна 7_3il…7_3iM, через оптические Р-входные нановолоконные объединители 8₁…8_M поступят на выходы Y₁…Y_M 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 «D_i1-D_i2» (i=6…8) поступают на выходы устройства Y₂=1, Y₁=1.

Таким образом, в зависимости от комбинации сигналов на входах «x_N», «x₂» и «x₁» на выходах устройства Y₁…Y_M появятся оптические сигналы, установленные на информационных входах «D_i1-D_i2».

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.