Результат интеллектуальной деятельности: ОПТИЧЕСКИЙ НАНОСУММАТОР ПО МОДУЛЮ ДВА

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.

Известны различные сумматоры по модулю два (операция «исключающее ИЛИ», «неравнозначность»), построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982. - 512 с., стр. 105]. Недостатками этих сумматоров по модулю два являются невозможность выполнения операций с оптическими сигналами и невозможность наноразмерного исполнения.

Известны сумматоры по модулю два, построенные на основе волноводных элементов [Акаев Α.Α., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: Высш. Шк., 1988. - 237 с: ил., стр. 202.]. Недостатками данных оптических сумматоров по модулю 2 являются сложность и невозможность наноразмерного исполнения.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический нанокомпаратор, содержащий два входных оптических нановолокна, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, оптический нановолоконный Y-разветвитель [Патент №2311671, Россия, 2007. Оптический нанокомпаратор / Соколов C.B., Каменский В.В.].

Заявленное изобретение направлено на решение задачи суммирования по модулю 2 оптических сигналов с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации, задачи упрощения устройства и задачи реализации устройства в наноразмерном исполнении.

Поставленные задачи возникают при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемо-передающих наноустройств, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах.

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 Α., 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 устройство, содержащее два входных оптических нановолокна, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, оптический нановолоконный Y-разветвитель, введен оптический нановолоконный объединитель, причем информационными входами устройства являются входы первого и второго входных оптических нановолокон, выходы которых оптически связаны с торцами внутренней нанотрубки, телескопические нанотрубки расположены между первым и вторым входными оптическими нановолокнами по оси распространения их выходных оптических сигналов, выход источника постоянного оптического сигнала подключен к входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого оптически подключен к первому входу оптического нановолоконного объединителя, а второй выход оптически подключен к второму входу оптического нановолоконного объединителя, при этом в крайнем левом положении внутренней нанотрубки отсутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя и первым входом оптического нановолоконного объединителя, а присутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя и вторым входом оптического нановолоконного объединителя, а в крайнем правом положении внутренней нанотрубки присутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя и первым входом оптического нановолоконного объединителя, а отсутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя и вторым входом оптического нановолоконного объединителя, причем в центральном (исходном) положении внутренней нанотрубки отсутствуют оптические связи между выходами оптического нановолоконного Y-разветвителя и входами оптического нановолоконного объединителя, выход которого является выходом устройства.

На фиг. 1 представлена функциональная схема оптического наносумматора по модулю два.

Устройство состоит из двух входных оптических нановолокон 1_i, _i=1,2, двух телескопических нанотрубок 2_i, _i=1,2, (2₁ - внутренняя нанотрубка, 2₂ - внешняя нанотрубка), оптического нановолоконного объединителя 3, оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и источника постоянного оптического сигнала 5 с интенсивностью 2 усл.ед.

Информационными входами устройства «X₁» и «Х₂» являются входы первого и второго входных оптических нановолокон 1₁ и 1₂ соответственно, выходы которых оптически связаны с торцами внутренней нанотрубки 2₁.

Телескопические нанотрубки 2₁, 2₂ расположены между первым и вторым входными оптическими нановолокнами 1₁ и 1₂ по оси распространения их выходных оптических сигналов. Выход источника постоянного оптического сигнала 5 подключен к входу оптического нановолоконного Y-разветвителя 4. Первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 оптически подключен к первому входу оптического нановолоконного объединителя 3. Второй выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 оптически подключен к второму входу оптического нановолоконного объединителя 3.

В крайнем левом положении внутренней нанотрубки 2₁ оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и первым входом оптического нановолоконного объединителя 3 отсутствует, а присутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и вторым входом оптического нановолоконного объединителя 3.

В крайнем правом положении внутренней нанотрубки 2₁ присутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и первым входом оптического нановолоконного объединителя 3, а оптическая связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и вторым входом оптического нановолоконного объединителя 3 отсутствует.

В центральном (исходном) положении внутренней нанотрубки 2₁ оптические связи между выходами оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и входами оптического нановолоконного объединителя 3 отсутствуют.

Выходом устройства является выход оптического нановолоконного объединителя 3.

Оптический наносумматор по модулю два работает следующим образом.

Оптический сигнал с выхода источника оптического сигнала 5 с интенсивностью 2 усл.ед поступает на вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 4. На каждом из выходов оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 формируется оптический сигнал с интенсивностью 1 усл.ед. Оптический поток с выхода первого входного оптического нановолокна 1₁ будет воздействовать на внутреннюю нанотрубку 2₁ с левой стороны, а с выхода второго входного оптического нановолокна 1₂ - с правой. В результате, на внутреннюю нанотрубку 2₁ будет действовать разность сил, обусловленных световыми давлениями: давлением, пропорциональным интенсивности светового потока на выходе первого входного оптического нановолокна 1₁, и давлением, пропорциональным интенсивности светового потока на выходе второго входного оптического нановолокна 1₂.

Пусть на оба входа Χ₁ и Х₂ поданы сигналы с интенсивностями 0 усл.ед. или же на оба входа X₁ и Х₂ поданы сигналы с интенсивностями 1 усл.ед.

Так как сигналы на выходах первого и второго входных оптических нановолокон 1₁ и 1₂ равны, то и разность сил за счет световых давлений, действующих на внутреннюю нанотрубку, будет равна 0, и внутренняя нанотрубка 2₁ будет находиться в центральном положении под действием сил Ван-дер-Ваальса.

В центральном положении внутренней нанотрубки 2₁ оптические связи между выходами оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и входами оптического нановолоконного объединителя 3 отсутствуют. Оптические сигналы на входах оптического нановолоконного объединителя 3 будут равны 0, и, соответственно, оптический сигнал на выходе оптического нановолоконного объединителя 3 будет также равен 0.

Пусть на вход X₁ подан сигнал с интенсивностью 0 усл.ед., а на вход Х₂ - сигнал с интенсивностью 1 усл.ед.

Так как интенсивность сигнала на выходе второго входного оптического нановолокна 1₂ больше, чем на выходе первого 1₁, то внутренняя нанотрубка 2₁ переместится в крайнее левое положение.

В крайнем левом положении внутренней нанотрубки 2₁ отсутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и первым входом оптического нановолоконного объединителя 3, а присутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и вторым входом оптического нановолоконного объединителя 3. Т.к. в этом случае интенсивность оптического сигнала на втором входе оптического нановолоконного объединителя 3 будет составлять 1 усл.ед., то, соответственно, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 3 будет также составлять 1 усл.ед.

Пусть на вход Χ₁ подан сигнал с интенсивностью 1 усл.ед., а на вход Х₂ - сигнал с интенсивностью 0 усл.ед.

Так как интенсивность сигнала на выходе первого входного оптического нановолокна 1₁ больше, чем на выходе второго 1₂, то внутренняя нанотрубка 2₁ переместится в крайнее правое положение.

В крайнем правом положении внутренней нанотрубки 2₁ присутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и первым входом оптического нановолоконного объединителя 3, а отсутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и вторым входом оптического нановолоконного объединителя 3. Т.к. в этом случае интенсивность оптического сигнала на первом входе оптического нановолоконного объединителя 3 будет составлять 1 усл.ед., то, соответственно, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 3 будет также составлять 1 усл.ед.

Таким образом, при наличии одновременно на обоих входах «Χ₁» и «Х₂» двух одинаковых оптических сигналов с интенсивностями 0 усл.ед. или 1 усл.ед. интенсивность оптического сигнала на выходе устройства будет равна 0 усл.ед. Если на одном из входов устройства имеется оптический сигнал интенсивности 1 усл.ед., а на другом - 0 усл.ед., то интенсивность оптического сигнала на выходе устройства будет равна 1 усл.ед., что и обеспечивает реализацию функции суммирования по модулю два (операции «исключающее ИЛИ», «неравнозначность»).

Простота данного оптического наносумматора по модулю два, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.