ОПТИЧЕСКИЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ)

Группа изобретений относится к цифровым устройствам, в частности, предназначена для использования при производстве универсальных цифровых фотонных вычислительных машин и цифровых фотонных устройств управления.

Названные устройства содержат оптические логические элементы (ОЛЭ), выполняющие логические операции над световыми импульсами, которые образованы электромагнитными волнами. Для идентификации результата выполнения операций оптическим логическим элементом используются логические константы - логический нуль («0») и логическая единица («1»).

Логические константы характеризуются физическим параметром, который называется интенсивностью I электромагнитной волны - количеством энергии, переносимой волной в единицу времени сквозь единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны (Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов М.: ООО «Издательство Оникс»: ООО «Издательство «Мир и Образование» 2008 г. - стр. 590).

Для распространения электромагнитной волны используются оптические волноводы. Оптическим волноводом называется диэлектрическая структура, по которой может распространяться электромагнитная волна (Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. М. - Радио связь, 1987 г., стр. 9). Классификация оптических волноводов дана в Никаноров Н.В., Шандаров С.М. Волноводная фотоника. ИТМО. Санкт-Петербург, 2008 г., стр. 17.

Электромагнитная волна - линейно поляризованная монохроматическая (Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов М.: ООО «Издательство Оникс»: ООО «Издательство «Мир и Образование» 2008 г., стр. 590), далее - бегущая волна, представляется в форме светового импульса длительностью τ=mλ/υ, где m - целое число, λ - длина волны (там же стр. 560), υ - скорость света в волноводе. Величина d=mλ называется размером импульса, она определяет длину волновода.

Значение интенсивности выходного сигнала ОЛЭ вырабатывается либо в результате отсутствия входных световых импульсов, либо в результате воздействия одного входного светового импульса, либо в результате воздействия двух входных световых импульсов.

При отсутствии входных импульсов в ОЛЭ не задействуется никаких эффектов, в случае одного входного импульса задействуются эффекты, порожденные бегущей волной, в случае двух входных импульсов, - задействуются эффекты, порожденные стоячей волной (там же, стр. 569), образованной столкновением двух когерентных импульсов.

Чтобы выполнять логические операции необходимо отводить интенсивность излучения из волноводов. Для этого применяются щели. Щелью (там же, стр. 637), называется часть поверхности волновода, через которую осуществляется передача излучения в другой волновод или в окружающую среду. Для отвода энергии из щели используется однонаправленный типа (1×2) ответвитель с заданным коэффициентом ответвления (см. Вербовецкий А.А. Основы проектирования оптоэлектронных систем связи. М., - Радио и связь, 2000 г., стр. 49).

Остаток энергии в волноводе, имеющем m-щелей, после прохождения бегущей волны пропорционален величине I_m=I₀(l-q)^m, где I₀ - интенсивность электромагнитной волны на входе в волновод, q - коэффициент ответвления - доля интенсивности, отводимой через щель в ответвительный волновод, q<1 (там же, стр. 49).

Согласно закону сохранения, значение энергии, выделенной из волновода в результате взаимодействия бегущей волны с m щелями, пропорционально величине

В результате взаимодействия встречных когерентных импульсов длительностью τ с волноводом, в котором щели в количестве (2m) штук расположены на расстоянии λ/2 одна от другой и находятся над пучностями стоячей волны, образованной в результате столкновения когерентных импульсов (Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов М.: ООО «Издательство Оникс»: ООО «Издательство «Мир и Образование» 2008 г. - стр. 570), суммарная интенсивность электромагнитных волн на обоих выходах волновода составит I_∑=4I₀(1-q)^2m.

Суммарная интенсивность, выделяемая в 2m щелей волновода, расположенных над пучностями стоячей волны имеет значение

В результате взаимодействия встречных когерентных импульсов длительностью τ с волноводом, в котором щели в количестве (2m) штук расположены на расстоянии λ/2 одна от другой и находятся над узлами стоячей волны, образованной в результате столкновения когерентных импульсов (там же стр. 570), суммарная интенсивность импульсов на выходах волновода составит I_∑=2I₀(1-q)^m.

Суммарная интенсивность, выделяемая в 2m щелях волновода, расположенных над узлами стоячей волны, имеет значение

Рассмотренные интерференционные эффекты применяются для создания функционально полного базиса логических элементов (Поспелов Д.А. Логические методы анализа и синтеза схем. М., Энергия, 1974 г., стр. 39), реализующих функции «И», «исключающее ИЛИ» и «НЕ» (там же стр. 30), обозначаемые соответственно &, ^⊕ и ^-.

Для взаимодействия встречных когерентных импульсов необходима их одинаковая поляризация. Это достигается применением правосторонних и левосторонних фарадеевских вращателей (Б. Салех, М. Тейх. Оптика и фотоника. Принципы и применения, т. 2. г. Долгопрудный: «Интеллект», 2012 г., стр. 335).

Для ввода излучения в волновод и придания излучению необходимого направления распространения используются поляризационные зеркала (Б. Салех, М. Тейх. Оптика и фотоника. Принципы и применения, т. 2. г. Долгопрудный: «Интеллект», 2012 г., стр. 332), пропускающие волну с плоскостью поляризации под углом а и отражающие волну с ортогональной (90°±α) плоскостью поляризации.

Известен оптический логический элемент (патент РФ №2075106, МПК G02F 3/00, опубл. 10.03.1997), содержащий оптически связанные источник монохроматического света, устройство формирования световых пучков и устройство для анализа результатов взаимодействия сформированных когерентных пучков, при этом устройство формирования световых пучков содержит первый и второй световоды, а устройство для анализа результатов содержит рабочую поверхность и выходной световод. Выходной световод установлен так, что плоскость торца выходного световода совпадает с плоскостью рабочей поверхности и размещена в месте рабочей поверхности, соответствующем интерференционной картине, и определяющем функцию логического элемента.

Недостатком этого ОЛЭ является отсутствие возможности однозначно идентифицировать логические константы (логический «0» и логическая «1») после выполнения более одной операции и, как следствие, отсутствие возможности синтеза цифровых устройств из этих элементов.

Известны оптические (фотонные) логические элементы на основе пространственной интерференции мод в фазово-синхронизированных массивах лазеров с двумя вертикальными связанными оптическими резонаторами (Лысенко Г.И., Тужанский С.Е., Альравашдех М., Фотонные логические элементы на основе фазово-синхронизированных массивов CC-VCSEL. Оптична I квантова електронiка в комп'ютерних та iнтелектуальних технологиiях, 2013 г., с. 42-47).

Логические элементы содержат управляющий и два информационных входа для ввода когерентных импульсов лазерного излучения. Для формирования логического выходного сигнала, получаемого в результате интерференции, используется дифракционная маска с отверстием требуемой формы (линия, круг) в зоне максимальной видности интерференционной картины (там же, стр. 44).

Предлагаемая реализация предназначена для создания фотонных логических элементов, не требующих фотоэлектрических и электронно-оптических преобразований.

Недостатком указанных ОЛЭ является одинаковое значение интенсивности, соответствующее различным логическим константам на выходах различных элементов.

Например, (там же стр. 45) значения интенсивности I_& на выходе элемента «И», соответствующие логическому «0», удовлетворяют неравенству I_&≤3I, а значения интенсивности на выходе элемента «И», соответствующие логической «1», удовлетворяют неравенству 3I<I_&<4I, где I - пороговое значение. Значения интенсивности I_V на выходе элемента «ИЛИ», соответствующие логическому «0», удовлетворяют неравенству I_V<2I; а значения интенсивности на выходе элемента «ИЛИ», соответствующие логической «1», удовлетворяют неравенству 2I<I_V<4I.

Таким образом, при поступлении на вход элемента сигнала с интенсивностью 2I<I_f≤3I, невозможно определить его значение - логический «0» в результате срабатывания элемента «И», либо логическая «1» в результате срабатывания элемента «ИЛИ».

Это не позволяет осуществлять синтез цифровых устройств из таких элементов.

Известны оптические логические элементы, содержащие два волновода на входе и один на выходе. Реализация различных функций достигается посредством создания разницы в длинах волноводов, по которым поступают входные сигналы. Выходной волновод представляет собой резонатор, в котором осуществляется интерференция входных сигналов, передаваемых из входных волноводов в выходной посредством электромагнитного взаимодействия, возникающего в результате определенного расположения волноводов (Hussein М.Е., Tamer A.Ali, Nadia H.Rafab «New design of a complete set of Photonic Crystals logic gates» Optics Communications 411 (2018) pp. 175-181). Недостатком данного ОЛЭ является необходимость использования порогового ограничителя для подавления мощности логического «0» до физического нуля и порогового оптического усилителя, восстанавливающего мощность логической «1» до единичного физического уровня (там же стр. 180). В обоих случаях задействуются нелинейные эффекты, требующие большей длительности и больших энергетических затрат по сравнению с электронными аналогами.

Известны полностью оптические логические элементы на основе плазмонных поларитонов на графеновой поверхности (Xiaoting Wu., Jinping Tian, Rongcao Yang «A type of all-optical plasmon polaritons» Optics Communicatios 403 (2017) pp. 185-192). В логических элементах задействуются четыре входных канала. В зависимости от реализуемой логической функции определенные два из четырех назначаются информационными, а остальные используются для управления. Сигнал на выходном канале получается в результате интерференции входных сигналов, при этом длины входных волноводов изменяются в соответствии с реализуемой логической операцией. К недостаткам этого варианта ОЛЭ относятся необходимость применения низкой температуры около 3°К (там же стр. 186), требуемой для работы элементов на основе графена, а также значительная длительность их релаксации - более 1,5⋅10^-12 с (там же стр. 186).

Известны оптические логические элементы, на основе интерференционного взаимодействия в метаматериалах (Maria Papaioannou, Eric Plum, Valente, Edward T. F. Rogers, and Nikolay I. Zheludev. "All-optical multichannel logic based on coherent perfect absorption in a plasmonic metamateriar". APL PHOTONICS, 1, 090801 (2016); doi: 10.1063/1.4966269). Используются когерентные сигналы, проходящие по пяти каналам с одного входа и по пяти каналам с другого входа. В результате их столкновения образуется стоячая волна. Помещая пластину метаматериала в пучности или в узлы стоячей волны, изменяют интенсивность выходного сигнала и реализуемую элементом логическую функцию. Недостатком данного конструктивного исполнения является отсутствие однозначного соответствия значений интенсивности выходного сигнала значениям логических констант. Например, (там же, 090801-6 таблица II) значение выходной интенсивности 0,251, где I - значение входной интенсивности, соответствует логической «1» в элементах, реализующих функции «исключающее ИЛИ» и «ИЛИ». Это же значение выходной интенсивности соответствует логическому «0» в элементе «И» (там же, 090801-6 таблица II). Вследствие этого синтез цифровых устройств из данных ОЛЭ невозможен.

Известны оптические логические элементы на основе двумерных фотонных кристаллов (Сунь Сяо-Вэнь, Ян Сю-Лунь, Мэн Сян-Фэн, Чжу Цзи-Нань, Ван Юй-Жун, Инь Юн-Кай, Дун Го-Янь «Разработка и анализ логических элементов «ИЛИ-НЕ», «И-НЕ» и «исключающее ИЛИ-НЕ» на основе эффекта интерференции», Квантовая электроника, 48, №2, 2018 г., с. 178-183). Логический элемент содержит оптический волновод, выполненный на основе фотонного кристалла (ФК), имеющий три входа, расположенных с одной стороны волновода, и один выход. Три светоделителя образованы в ФК равномерно расположенными вдоль заданного направления в кристалле линейными деффектами в виде воздушных стержней. Один из светоделителей обеспечивает полное отражение, а два других отражают свет частично. Эффекты интерференции и самоколлимации задействованы для управления выходными сигналами. Оно осуществляется настройкой разности фаз сигнальных волн для достижения конструктивной или деструктивной интерференции. Радиус стержней дефекта меняется в зависимости от того, какие функции должен выполнять логический элемент.

Недостатком этих ОЛЭ являются высокие технологические требования, определяющие точность изготовления стержней. Для реализации элемента «ИЛИ-НЕ» необходимы радиусы стержней (там же, стр. 180), где а=0,4185 мкм - постоянная решетки для длины волны λ=1,55 мкм (там же, стр. 179). Подставляя значения а, находим Разница между определяющая реализуемую функцию, составляет 0,4 нм. Изготовление стержней и, соответственно, логических элементов с такой точностью в настоящее время невозможно.

Данный логический элемент выбран в качестве прототипа для заявляемого оптического логического элемента.

Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является необходимость создания интерференционного оптического логического элемента, позволяющего создавать цифровые фотонные универсальные вычислительные машины и другие цифровые фотонные системы управления и связи.

Технический результат заключается в создании оптического логического элемента и в реализации на его основе функционально полного базиса логических функций, повышении производительности и энергоэффективности оптической элементной базы и создаваемых на ее основе цифровых устройств.

Технический результат достигается за счет того, что в первом варианте заявляемого оптического логического элемента, работа которого основана на эффекте интерференции когерентных световых импульсов, поляризованных в одной плоскости, содержащего оптический волновод с входами и выходом, в отличие от прототипа волновод выполнен замкнутым, логический элемент содержит два входа, расположенных один напротив другого, предназначенных для ввода встречных входных световых импульсов длительностью τ=(mλ/υ), где m - целое число, λ - длина волны, υ - скорость света в волноводе, распространяющихся в противоположных направлениях в волноводе, выполненном длиной (nλ), где n≥2m - целое число, и два выхода.

На первом входе волновода последовательно по ходу поступления светового импульса извне установлены первые левосторонний и правосторонний фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации светового импульса соответственно на заданный угол α(-) по правилу «левого винта» и на заданный угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», между ними размещено первое поляризационное зеркало первого вида, пропускающее световой импульс, следующий с первого входа, поляризованный под углом α(-), и отражающее световой импульс, следующий с первого входа, поляризованный под углом 90°+α(-).

На втором входе волновода последовательно по ходу поступления светового импульса извне установлены вторые левосторонний и правосторонний фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации светового импульса соответственно на угол α(-) по правилу «левого винта» и на угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», между ними размещено первое поляризационное зеркало второго вида, пропускающее световой импульс, следующий со второго входа, поляризованный под углом α(-) и отражающее следующий со второго входа световой импульс, поляризованный под углом 90°+α(-).

Волновод обустроен (2m) одинаковыми щелями, расположенными между первым и вторым правосторонними фарадеевскими вращателями на расстоянии одна от другой, где u - целое число, um<n, над пучностями стоячей волны, образованной встречными входными световыми импульсами. Каждая щель снабжена двумя противоположно направленными ответвителями (1×2) для отвода интенсивности импульсов с первого и второго входов, при этом каждый ответвитель соединен с входом соответствующего ответвительного волновода для отвода энергии и имеет одинаковый заданный коэффициент ответвления, значение которого определяется реализуемой ОЛЭ функцией.

В волноводе в соответствии с реализуемой оптическим элементом логической операцией последовательно по ходу движения светового импульса установлены два третьих левосторонних фарадеевских вращателя, на первый из которых поступает импульс со второго входа после взаимодействия со щелями, отраженный первым поляризационным зеркалом первого вида, а на второй - поступает импульс с первого входа после взаимодействия со щелями, отраженный первым поляризационным зеркалом второго вида, придающие плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющие световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Вторым выходом элемента, предназначенным для передачи в соответствии с выполняемой логической операцией световых импульсов во внешнюю среду, включая входы следующих элементов является общий выход объединяющих ответвительных волноводов, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов.

Между третьими вращателями могут быть установлены первое и второе поляризационные зеркала третьего вида, отражающие направленные на них третьими вращателями световые импульсы, поляризованные под углом 0° на первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

В волноводе в соответствии с реализуемой оптическим элементом логической операцией по направлению распространения входных импульсов могут быть установлены второе поляризационное зеркало первого вида и второе поляризационное зеркало второго вида, направляющие световые импульсы, соответственно на один из двух третьих левосторонних фарадеевских вращателей, придающих плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющих световые импульсы по ходу распространения импульса на установленные между третьими вращателями первое и второе поляризационные зеркала третьего вида, отражающие световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Один из входов волновода при выполнении логической операции может быть предназначен для подачи светового импульса, соответствующего логической "1".

Выполнение всей совокупности признаков формулы первого варианта заявляемого оптического элемента обеспечивает одинаковую интенсивность сигналов, соответствующих логической константе «0», вырабатываемых в одинаковые временные интервалы оптическими логическими элементами, реализующими различные функции, и одинаковую интенсивность сигналов, соответствующих логической константе «1», вырабатываемых в одинаковые временные интервалы оптическими логическими элементами, реализующими различные функции (при этом интенсивность сигналов, соответствующих логическому «0» и логической «1», отличаются в определенное количество раз, достаточное для идентификации логического «0» и логической «1»), и тем самым позволяет повысить производительность и энергоэффективность создаваемых на их основе цифровых устройств.

Технический результат достигается также за счет того, что во втором варианте заявляемого оптического логического элемента, работа которого основана на эффекте интерференции когерентных световых импульсов, поляризованных в одной плоскости, содержащего оптический волновод с входами и выходом, в отличие от прототипа волновод выполнен замкнутым, содержит два входа, расположенных один напротив другого, предназначенных для ввода встречных входных световых импульсов длительностью τ=(mλ/υ), где m - целое число, λ - длина волны, υ - скорость света в волноводе, распространяющихся в противоположных направлениях в волноводе, выполненном длиной (nλ), где n≥m - целое число, и два выхода.

На первом входе волновода последовательно по ходу поступления светового импульса извне установлены первые левосторонний и правосторонний фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации светового импульса соответственно на заданный угол α(-) по правилу «левого винта» и на заданный угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», между ними размещено первое поляризационное зеркало первого вида, пропускающее световой импульс, следующий с первого входа, поляризованный под углом α(-), и отражающее световой импульс, следующий с первого входа, поляризованный под углом 90°+α(-),

На втором входе волновода последовательно по ходу поступления светового импульса извне установлены вторые левосторонний и правосторонний фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации светового импульса соответственно на заданный угол α(-) по правилу «левого винта» и на заданный угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», между ними размещено первое поляризационное зеркало второго вида, пропускающее световой импульс, следующий со второго входа, поляризованный под углом α(-) и отражающее световой импульс, следующий со второго входа, поляризованный под углом 90°+α(-).

Волновод снабжен тремя группами одинаковых щелей. Первая группа из k щелей, где k - целое число, расположенных между первым и вторым правосторонними фарадеевскими вращателями на расстоянии одна от другой, где u - целое число, над узлами стоячей волны, образованной встречными входными световыми импульсами, при этом каждая щель первой группы снабжена двумя противоположно направленными ответвителями (1×2), каждый из которых соединен с входом соответствующего ответвительного волновода для отвода энергии и имеет одинаковый заданный коэффициент ответвления, выход которого соединен с входом соответствующего объединяющего ответвительного волновода.

Вторая группа из 2m-k щелей расположенных на расстоянии одна от другой, где u - целое число, на волноводе до первого левостороннего фарадеевского вращателя, при этом каждая щель второй группы снабжена ответвителем (1×2) входного импульса с первого входа с тем же заданным коэффициентом ответвления, соединенным с входом соответствующего, ответвительного волновода для отвода энергии и имеет одинаковый заданный коэффициент ответвления.

Третья группа из 2m-k щелей, расположенных на расстоянии одна от другой, где u - целое число, на волноводе до второго левостороннего фарадеевского вращателя, при этом каждая щель третьей группы снабжена ответвителем (1×2) входного импульса со второго входа с тем же заданным коэффициентом ответвления, соединенным с входом соответствующего, ответвительного волновода для отвода энергии и имеет одинаковый заданный коэффициент ответвления, при этом общая длина волновода (nλ)>(4m-k)λ.

В волноводе в соответствии с реализуемой оптическим элементом логической операцией последовательно по ходу движения светового импульса установлены два третьих левосторонних фарадеевских вращателя, на первый из которых поступает импульс со второго входа после взаимодействия со щелями, отраженный первым поляризационным зеркалом первого вида, а на второй - поступает импульс с первого входа после взаимодействия со щелями, отраженный первым поляризационным зеркалом второго вида, придающие плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющие световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Вторым выходом элемента, предназначенным для передачи в соответствии с выполняемой логической операцией световых импульсов во внешнюю среду, включая входы следующих элементов, является общий выход объединяющих ответвительных волноводов, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов для отвода энергии входных импульсов с первого и второго входов элемента от первой группы щелей, а также выходов ответвительных волноводов для отвода энергии входных импульсов с первого и второго входов элемента от второй и третьей групп щелей.

Между двумя третьими вращателями, придающими плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющими световые импульсы, поляризованные под углом 0° на первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов, могут быть установлены первое и соответственно второе поляризационные зеркала третьего вида, отражающие направленные на них третьими вращателями световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

В волноводе в соответствии с реализуемой оптическим элементом логической операцией по направлению распространения импульсов могут быть установлены второе поляризационное зеркало первого вида и второе поляризационное зеркало второго вида, направляющие импульсы, поступившие соответственно с первого поляризационного зеркала первого вида и с первого поляризационного зеркала второго вида, на соответствующий один из двух третьих левосторонних фарадеевских вращателей, придающиих плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющих световые импульсы на установленные между третьими вращателями первое и второе поляризационные зеркала третьего вида, отражающие световые импульсы, поляризованные под углом 0° на первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Один из входов волновода при выполнении логической операции может быть предназначен для подачи светового импульса, соответствующего логической "1".

Выполнение всей совокупности признаков формулы второго варианта заявляемого оптического элемента обеспечивает одинаковую интенсивность сигналов, соответствующих логической константе «0», вырабатываемых в одинаковые временные интервалы оптическими логическими элементами, реализующими различные функции, и одинаковую интенсивность сигналов, соответствующих логической константе «1», вырабатываемых в одинаковые временные интервалы оптическими логическими элементами, реализующими различные функции, при этом интенсивность сигналов, соответствующих логическому «0» и логической «1», отличаются в определенное количество раз, достаточное для идентификации логического «0» и логической «1». При этом изменение расположения щелей (здесь щели расположены над узлами стоячей волны), позволяет по сравнению с первым вариантом заявляемого ОЛЭ изменять значения коэффициентов ответвления в соответствии с используемым материалом волновода и требованиями технологии изготовления элементов, и за счет этого упростить процесс изготовление ОЛЭ.

Технический результат достигается также за счет того, что в третьем варианте заявляемый оптический логический элемент, работа которого основана на эффекте интерференции когерентных световых импульсов, поляризованных в одной плоскости, содержащий оптический волновод с входами и выходом, в отличие от прототипа содержит J оптически связанных волноводов, где J - целое число больше 1, два входа, расположенных один напротив другого, предназначенных для ввода встречных входных световых импульсов длительностью τ=(mλ/υ), где m - целое число, λ - длина волны, υ - скорость света в волноводе 1_i, где i=1, 2, …, J, распространяющихся в каждом волноводе, выполненном длиной (nλ), где n≥m в противоположных направлениях, три выхода, причем на первом входе первого волновода, являющемся первым входом элемента, последовательно по ходу поступления светового импульса извне установлены левосторонний и правосторонний фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации светового импульса соответственно на заданный угол α(-) по правилу «левого винта» и на заданный угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», между ними размещено поляризационное зеркало первого вида, пропускающее световой импульс, поляризованный под углом α(-), и отражающее световой импульс, поляризованный под углом 90°+α(-), на втором входе первого волновода, являющемся вторым входом элемента, последовательно по ходу поступления светового импульса извне установлены левосторонний и правосторонний фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации светового импульса соответственно на угол α(-) по правилу «левого винта» и на угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», между ними размещено первое поляризационное зеркало второго вида, пропускающее световой импульс поляризованный под углом α(-) и отражающее световой импульс поляризованный под углом 90°+α(-), волноводы соединены таким образом, что поляризационные зеркала второго вида, установленные на первых входах четных волноводов, следующих за первым, пропускают световой импульс с поляризационного зеркала первого вида предыдущего волновода, поляризованный под углом 90°+α(-), на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский правосторонний вращатель и отражают световой импульс, поляризованный под углом α(-), поляризационные зеркала первого вида, установленные на вторых входах четных волноводов, следующих за первым, пропускают световой импульс с поляризационного зеркала второго вида предыдущего волновода, поляризованный под углом α(-), на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский правосторонний вращатель и отражают световой импульс поляризованный под углом 90°+α(-); кроме того, поляризационные зеркала первого вида, установленные на первых входах нечетных волноводов, следующих за первым, пропускают световой импульс с поляризационного зеркала второго вида предыдущего волновода, поляризованный под углом 90°+α(-), на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский правосторонний вращатель и отражают световой импульс, поляризованный под углом α(-), поляризационные зеркала второго вида, установленные на вторых входах нечетных волноводов, следующих за первым, пропускают световой импульс с первого поляризационного зеркала первого вида предыдущего волновода поляризованный под углом α(-) на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский правосторонний вращатель и отражают световой импульс, поляризованный под углом 90°+α(-), каждый волновод, снабжен (2m) одинаковыми щелями, расположенными между установленными на его входах правосторонними фарадеевскими вращателями на расстоянии одна от другой, где u - целое число, 2um<n, над пучностями стоячей волны, образованной встречными входными световыми импульсами;

каждая щель снабжена двумя противоположно направленными ответвителями (1×2), для отвода интенсивности импульсов с первого и второго входов, при этом каждый ответвитель соединен с входом соответствующего ответвительного волновода для отвода энергии и имеет одинаковый заданный коэффициент ответвления, длина каждого волновода nλ>umλ.

В последнем J-м волноводе, выполненном замкнутым, в соответствии с реализуемой оптическим элементом логической операцией на выходе установлены левосторонние фарадеевские вращатели, если J - нечетное, либо правосторонние фарадеевские вращатели, если J - четное, придающие плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющие световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на выполненный в нем первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Вторым выходом элемента, предназначенным для передачи в соответствии с выполняемой логической операцией световых импульсов во внешнюю среду, включая входы следующих элементов, является общий выход объединяющих ответвительных волноводов, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов последнего J-го волновода.

Третьим выходом элемента, предназначенным для передачи световых импульсов во внешнюю среду либо для усиления сигналов, является общий выход объединяющих ответвительных волноводов, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов всех волноводов, кроме последнего J-го волновода.

Между двумя фарадеевскими вращателями, установленными на выходе в последнем волноводе, придающими плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющими световые импульсы, поляризованные под углом 0° на первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов, могут быть установлены два поляризационных зеркала третьего вида, отражающих направленные на них установленными в последнем волноводе вращателями световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на первый функциональный выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Поляризационные зеркала могут быть установлены в волноводах таким образом, что поляризационные зеркала первого вида отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала первого вида предыдущего волновода на поляризационное зеркало второго вида на первых входах четных волноводов, а поляризационные зеркала второго вида отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала второго вида предыдущего волновода, на поляризационное зеркало первого вида на вторых входах четных волноводов, кроме того, поляризационные зеркала второго вида на первых входах нечетных волноводов, следующих за первым, отражают световой импульс с поляризационного зеркала второго вида предыдущего волновода в направлении поляризационного зеркала первого вида на первых входах нечетных волноводов, а поляризационные зеркала первого вида на вторых входах нечетных волноводов, следующих за первым, отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала первого вида предыдущего волновода в направлении поляризационного зеркала второго вида на вторых входах нечетных волноводов.

Один из входов элемента при выполнении логической операции может быть предназначен для подачи светового импульса, соответствующего логической "1".

Выполнение всей совокупности признаков формулы оптического элемента по третьему заявляемому варианту, содержащего J оптически связанных волноводов, обеспечивает одинаковую интенсивность сигналов, соответствующих логической константе «0», вырабатываемых в одинаковые временные интервалы оптическими логическими элементами, реализующими различные функции, и одинаковую интенсивность сигналов, соответствующих логической константе «1», вырабатываемых в одинаковые временные интервалы оптическими логическими элементами, реализующими различные функции, (различие интенсивности сигналов, соответствующих логическому «0» и логической «1», пропорционально 2⋅2^J раз, что повышает надежность идентификации логического «0» и логической «1»), и при определенных условиях позволяет повысить производительность и энергоэффективность ОЛЭ и создаваемых на ее основе цифровых устройств. При этом длительность выполнения операции возрастает, по сравнению с первым вариантом ОЛЭ не менее чем в J раз.

Технический результат достигается также за счет того, что четвертый вариант заявляемого оптического логического элемента, работа которого основана на эффекте интерференции когерентных световых импульсов, поляризованных в одной плоскости, содержащего оптический волновод с входами и выходом, в отличие от прототипа содержит J оптически связанных волноводов, где J - целое число больше 1, два входа, расположенных один напротив другого, предназначенных для ввода встречных входных импульсов длительностью τ=mλ/υ, где m - целое число, λ - длина волны, υ - скорость света в волноводе, распространяющихся в каждом волноводе, выполненном длиной (nλ), где n≥m в противоположных направлениях, три выхода, причем на первом входе первого волновода, являющемся первым входом элемента, последовательно по ходу поступления светового импульса извне установлены левосторонний и правосторонний фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации светового импульса соответственно на заданный угол α(-) по правилу «левого винта» и на заданный угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», между ними размещено поляризационное зеркало первого вида, пропускающее световой импульс, следующий с первого входа, поляризованный под углом α(-), и отражающее следующий с первого входа световой импульс, поляризованный под углом 90°+α(-), на втором входе первого волновода, являющемся вторым входом элемента, последовательно по ходу поступления светового импульса извне, установлены левосторонний и правосторонний фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации светового импульса соответственно на угол α(-) по правилу «левого винта» и на заданный угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», между ними размещено поляризационное зеркало второго вида, пропускающее световой импульс, следующий со второго входа, поляризованный под углом α(-) и отражающее световой импульс, следующий со второго входа, поляризованный под углом 90°+α(-), волноводы соединены таким образом, что поляризационные зеркала первого вида, установленные на первых входах четных волноводов, следующих за первым, пропускают световой импульс с поляризационного зеркала первого вида предыдущего волновода, поляризованный под углом 90°+α(-), на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский правосторонний вращатель и отражают световой импульс, поляризованный под углом α(-), поляризационные зеркала второго вида, установленные на вторых входах четных волноводов, следующих за первым, кроме последнего J-го волновода, пропускают световой импульс поляризационного зеркала второго вида предыдущего волновода с поляризацией на угол α(-), на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский правосторонний вращатель и отражают световой импульс с поляризацией на угол 90°+α(-); кроме того, поляризационные зеркала первого вида, установленные на первых входах нечетных волноводов, следующих за первым, пропускают световой импульс с первого поляризационного зеркала первого вида предыдущего волновода, поляризованный под углом 90°+α(-), на установленный за ним на этом же входе фарадеевский правосторонний вращатель и отражают световой импульс, поляризованный под углом α(-), поляризационные зеркала второго вида, установленные на вторых входах нечетных волноводов, следующих за первым, пропускают световой импульс с первого поляризационного зеркала второго вида предыдущего волновода, поляризованный под углом α(-) на фарадеевский правосторонний вращатель и отражают световой импульс, поляризованный под углом 90°+α(-).

Каждый волновод снабжен тремя группами одинаковых щелей. Первая группа из k щелей, где k - целое число, расположенных между правосторонними фарадеевскими вращателями на расстоянии одна от другой, где u - целое число, над узлами стоячей волны, образованной встречными входными световыми импульсами, при этом каждая щель первой группы обустроена двумя противоположно направленными ответвителями (1×2) с первого и второго входа, каждый из которых соединен с входом соответствующего ответвительного волновода для отвода энергии и имеет одинаковый заданный коэффициент ответвления.

Вторая группа из 2m-k щелей, расположенных на расстоянии одна от другой, где u - целое число, на первом волноводе до первого левостороннего фарадеевского вращателя, на первых входах каждого четного волновода, и каждого нечетного волновода, кроме первого, между двумя последовательно размещенными левосторонними фарадеевскими вращателями, установленными перед поляризационным зеркалом второго вида, при этом каждая щель второй группы снабжена ответвителем (1×2) входного импульса с первого входа с тем же заданным коэффициентом ответвления, входом соответствующего ответвительного волновода.

Третья группа из 2m-k щелей, расположенных на расстоянии одна от другой, где u - целое число, на первом волноводе до второго левостороннего фарадеевского вращателя, на вторых входах каждого четного волновода и каждого нечетного волновода, кроме первого, между двумя последовательно размещенными левосторонними фарадеевскими вращателями, установленными перед поляризационным зеркалом первого вида, при этом каждая щель третьей группы снабжена ответвителем (1×2) импульса со второго входа с тем же одинаковым заданным коэффициентом ответвления, соединенным с входом соответствующего ответвительного волновода при этом длина каждого волновода (nλ)>(4m-k)λ.

В последнем J-м волноводе, выполненном замкнутым, в соответствии с реализуемой оптическим элементом логической операцией на выходе установлены левосторонние фарадеевские вращатели, если J-нечетное, либо правосторонние фарадеевские вращатели, если J-четное, придающие плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющие световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на выполненный в нем первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Вторым выходом элемента, является общий выход объединяющих ответвительных волноводов, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов последнего J-го волновода для отвода энергии входных импульсов с первого и второго входов волновода от первой, от второй и третьей групп щелей.

Третьим выходом элемента, предназначенным для передачи световых импульсов во внешнюю среду либо для усиления сигналов в соответствии с реализуемой оптическим элементом логической операцией, является общий выход объединяющих ответвительных волноводов, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов для отвода энергии входных импульсов с первого и второго входов элемента от первой группы щелей, а также выходов ответвительных волноводов для отвода энергии входного импульса с первого и второго входов элемента от второй и третьей групп щелей всех волноводов, кроме последнего волновода.

Между двумя фарадеевскими вращателями, установленными на выходе в последнем волноводе, придающими плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющими световые импульсы, поляризованные под углом 0° на первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов, могут быть установлены два поляризационных зеркала третьего вида, отражающих направленные на них установленными в последнем волноводе вращателями световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Поляризационные зеркала могут быть установлены в волноводах таким образом, что поляризационные зеркала первого вида отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала первого вида предыдущего волновода на поляризационное зеркало второго вида на первых входах четных волноводов,

а поляризационные зеркала второго вида отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала второго вида предыдущего волновода на поляризационное зеркало первого вида на вторых входах четных волноводов,

кроме того, поляризационные зеркала второго вида на первых входах нечетных волноводов, следующих за первым, отражают световой импульс с поляризационного зеркала второго вида предыдущего волновода на поляризационное зеркало первого вида на первых входах нечетных волноводов, а поляризационные зеркала первого вида на вторых входах нечетных волноводов отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала первого вида предыдущего волновода на поляризационное зеркало второго вида на вторых входах нечетных волноводов.

Один из входов волновода при выполнении логической операции может быть предназначен для подачи светового импульса, соответствующего логической “1”.

Выполнение всей совокупности признаков формулы оптического элемента по четвертому заявляемому варианту, содержащего J оптически связанных волновода, обеспечивает одинаковую интенсивность сигналов, соответствующих логической константе «0», вырабатываемых в одинаковые временные интервалы оптическими логическими элементами, реализующими различные функции, и одинаковую интенсивность сигналов, соответствующих логической константе «1», вырабатываемых в одинаковые временные интервалы различными оптическими логическими элементами, реализующими различные функции, (различие интенсивности сигналов, соответствующих логическому «0» и логической «1», пропорционально в 2⋅2^J раз, что повышает надежность идентификации логического «0» и логической «1»), и при определенных условиях позволяет повысить производительность и энергоэффективность ОЛЭ и создаваемых на их основе цифровых устройств. При этом длительность выполнения операции возрастает, по сравнению со вторым вариантом ОЛЭ не менее чем в J раз. Изменение расположения щелей (здесь щели расположены над узлами стоячей волны) позволяет по сравнению с предыдущим вариантом изменять значения коэффициентов ответвления в соответствии с используемым материалом волновода и требованиями технологии изготовления элементов, и упростить процесс изготовления ОЛЭ.

Выполнение всей совокупности признаков каждого варианта заявляемого изобретения позволяет реализовать функционально полный базис оптических логических элементов, удовлетворяющий требованиям, необходимым для создания цифровой фотонной универсальной вычислительной машины и других цифровых фотонных устройств.

Изобретение поясняется фигурами:

- на фиг. 1 схематично изображен первый вариант оптического логического элемента;

- на фиг. 2 представлена таблица, в которой указаны значения функции ƒ(x₂, x_l)=x₂&x₁ и интенсивности I_f для первого варианта;

- на фиг. 3 представлена таблица, в которой указаны значения функции ƒ(x₂, x₁)=х₂⊕х₁ и интенсивности I_f для первого варианта;

- на фиг. 4 представлена таблица, в которой указаны значения функции и интенсивности I_f для первого варианта;

- на фиг. 5 схематично изображен второй вариант оптического логического элемента;

- на фиг. 6 представлена таблица, в которой указаны значения функции ƒ(x₂, x₁)=х₂&х₁ и интенсивности I_f для второго варианта;

- на фиг. 7 представлена таблица, в которой указаны значения функции ƒ(x₂, x₁)=х₂⊕х₁ и интенсивности I_f для второго варианта;

- на фиг. 8 представлена таблица, в которой указаны значения функции и интенсивности I_f для второго варианта;

- на фиг. 9 схематично изображен третий вариант оптического логического элемента, J=3;

- на фиг. 10 представлена таблица, в которой указаны значения функции ƒ(x₂, x₁)=х₂&х₁ и интенсивности I_f для третьего варианта;

- на фиг. 11 представлена таблица, в которой указаны значения функции ƒ(x₂, x₁)=х₂⊕х₁ и интенсивности I_f для третьего варианта;

- на фиг. 12 представлена таблица, в которой указаны значения функции и интенсивности I_f для третьего варианта;

- на фиг. 13 схематично изображен четвертый вариант оптического логического элемента, J=3;

- на фиг. 14 таблица, в которой указаны значения функции ƒ(x₂, x₁)=x₂&x₁ и интенсивности I_f для четвертого варианта;

- на фиг. 15 представлена таблица, в которой указаны значения функции ƒ(x₂, x₁)=x₂⊕x₁ и интенсивности I_f для четвертого варианта;

- на фиг. 16 представлена таблица, в которой указаны значения функции и интенсивности I_f для четвертого варианта;

- на фиг. 17 представлена таблица, в которой указаны значения интенсивности, элемент «И»;

- на фиг. 18 представлена таблица, в которой указаны значения интенсивности, элемент «исключающее ИЛИ».

По первому варианту заявляемый ОЛЭ, работа которого основана на эффекте интерференции когерентных световых импульсов, поляризованных в одной плоскости, содержит замкнутый оптический волновод 1 с двумя входами 2, 3 расположенных один напротив другого, предназначенными для ввода встречных входных световых импульсов длительностью τ=(mλ/υ), где m - целое число, λ - длина волны, υ - скорость света в волноводе, распространяющихся в противоположных направлениях в волноводе 1, выполненном длиной (nλ), где n≥m - целое число, и два выхода 4, 5.

На первом входе 2 волновода последовательно по ходу поступления светового импульса извне установлены первые левосторонний 6₁ и правосторонний 7₁ фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации светового импульса соответственно на заданный угол α(-) по правилу «левого винта», и на заданный угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», например, на угол 90°+45° (-), между ними размещено первое поляризационное зеркало первого вида 8₁ пропускающее световой импульс, следующий с первого входа, поляризованный под углом α(-), и отражающее световой импульс, следующий с первого входа, поляризованный под утлом 90°+α(-).

На втором входе 3 волновода последовательно по ходу поступления светового импульса извне установлены вторые левосторонний 6₂ и правосторонний 7₂ фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации светового импульса соответственно на угол α(-) по правилу «левого винта» и угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», между ними размещено первое поляризационное зеркало 9₁ второго вида, пропускающее световой импульс, следующий со второго входа 3, поляризованный под углом α(-) и отражающее следующий со второго входа 3 световой импульс, поляризованный под углом 90°+α(-).

Волновод 1 снабжен (2m) одинаковыми щелями 11, расположенными между первым 7₁ и вторым 7₂ правосторонними фарадеевскими вращателями и на расстоянии одна от другой, где u - целое число, 2um<n, над пучностями стоячей волны, образованной встречными входными световыми импульсами х₁, х₂.

Каждая щель 11 снабжена двумя противоположно направленными ответвителями (1×2) импульсов с первого и второго входа 14 и 15 соответственно, каждый из которых соединен с входом соответствующего ответвительного волновода 13 для отвода энергии и имеет одинаковый коэффициент ответвления

Параметры щели 11, ответвителей 14 и 15 и коэффициенты ответвления q₁ для элемента, реализующего функцию «И», и параметры щели 11, ответвителей 14 и 15 и коэффициента ответвления q₂ для элемента, реализующего функцию «исключающее ИЛИ», выбраны так, чтобы значение интенсивности I_ƒ, указанное на фиг. 2, соответствующее логическому «0» на первом выходе 4 элемента, реализующего функцию «И», совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 3, соответствующим логическому «0» на втором выходе 5 элемента, реализующего функцию «исключающее ИЛИ» и совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 4, соответствующим логическому «0» на выходе 5 элемента реализующего функцию «НЕ», а также, чтобы значение интенсивности I_ƒ, указанное на фиг. 2, соответствующее логической «1» на первом выходе 4 элемента, реализующего функцию «И», совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 3, соответствующим логической «1» на втором выходе 5 элемента, реализующего функцию «исключающее ИЛИ» и совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 4, соответствующим логическому «1» на выходе 5 элемента, реализующего функцию «НЕ».

В волноводе 1 в соответствии с реализуемой оптическим элементом логической операцией последовательно по ходу движения светового импульса установлены первый третий левосторонний фарадеевский вращатель 6_3-1, на который поступает импульс х₂ со второго входа 3 после взаимодействия со щелями 11 и ответвителями 15, отраженный первым поляризационным зеркалом 8₁ первого вида, и второй третий левосторонний фарадеевский вращатель 6_3-2, на который поступает импульс с первого входа 2 после взаимодействия со щелями 11 и ответвителями 14, отраженный первым поляризационным зеркалом 9₁ второго вида, придающие плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющие световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

При этом значения интенсивности I_ƒ, соответствующие логическим «1», в 4 раза превосходят значения интенсивности I_ƒ, соответствующие логическим «0».

Вторым выходом 5 элемента является общий выход объединяющих ответвительных волноводов 12, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов 13, предназначенный для передачи в соответствии с выполняемой логической операцией световых импульсов во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Один из входов волновода 1 при выполнении логической операции может быть предназначен для подачи светового импульса, соответствующего логической «1».

Между двумя третьими левосторонними фарадеевскими вращателями 6_3-1 и 6_3-2 могут быть установлены два поляризационных зеркала 10₁ и 10₂ третьего вида, отражающих направленные на них вращателями 6_3-1 и 6_3-2 световые импульсы, поляризованные под углом 0° на первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

В волноводе 1 в соответствии с реализуемой ОЛЭ логической операцией по направлению распространения входных импульсов х₁ и х₂ могут быть установлены второе поляризационное зеркало 8₂ первого вида и второе поляризационное зеркало 9₂ второго вида, направляющие световые импульсы, поступившие соответственно с первого поляризационного зеркала 8₁ первого вида и с первого поляризационного зеркала 9₁ второго вида, на третий левосторонний фарадеевский вращатель 6_3-1 и 6_3-2 соответственно, придающих плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющих световые импульсы по ходу распространения импульса на установленные между третьими вращателями 6_3-1 и 6_3-2 первое и второе поляризационные зеркала 10₁ и 10₂ третьего вида, отражающие световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

ОЛЭ по первому варианту выполняет операцию «И» следующим образом. Поступающий на первый вход 2 волновода 1 световой импульс х₁ с поляризацией 0° изменяет после первого левостороннего вращателя 6₁ плоскость поляризации на угол α по правилу «левого винта», например на угол 45°(-), проходит через первое поляризационное зеркало 8₁ первого вида. После первого правостороннего вращателя 7₁ он восстанавливает плоскость поляризации и взаимодействует со щелями 11, ответвителями 14 импульса с первого входа и (при наличии) со встречным импульсом х₂, поступившим после аналогичных операций со второго входа 3. В результате их столкновения образуются пучности и узлы световой волны. Над пучностями в той же плоскости расположены щели 11, ответвители 14, 15 и ответвительные волноводы 13.

По окончании взаимодействия и прохода через второй вращатель 7₂ импульс х₁ со входа 2 приобретает поляризацию 45°(-) и отражается первым поляризационным зеркалом 9₁ второго вида на третий левосторонний вращатель 6_3-2.

Третий вращатель 6_3-2 восстанавливает исходную плоскость поляризации светового импульса х₁, который со входа 2 поступает во внешнюю среду и, в частности, в последующие элементы. Идентичные действия осуществляются и в отношении импульса х₂ со входа 3, который в итоге также поступает на первый выход 4 и далее во внешнюю среду и, в частности, в последующие элементы

Если оба импульса присутствуют одновременно (они когерентны), то после взаимодействия со щелями 11 и между собой они складываются на выходе 4 и поступают далее во внешнюю среду и, в частности, в последующий элемент.

Если импульс поступил на один из входов 2 или 3, это означает х₂=1, х₁=0 или х₂=0, х₁=1, то интенсивность электромагнитной волны I_f на выходе 4 элемента составит I_f=I₀(1-q₁)^2m, где - коэффициент ответвления, характеризует долю интенсивности, уходящую через щель 11 из волновода 1 в ответвитель 14 или 15 и далее в ответвительный волновод 13. Это значение I_f соответствует логическому «0», т.е. ƒ(x₂, х₁)=0.

Если импульсы одновременно поступили на вход 2 и на вход 3, это означает х₂=1, х₁=1, то образуется стоячая волна. Суммарная интенсивность на выходе 4 равна I_f=4I₀(1-q₁)^2m. Это значение I_f соответствует логической «1», т.е. ƒ(x₂, x₁)=1.

Значения функции ƒ(x₂, x₁)=x₂&x₁ и соответствующие им значения I_f приведены на фиг. 2.

Элемент «исключающее ИЛИ», реализующий функцию ƒ=х₂⊕х₁, получается из элемента «И» задействованием выхода 5 и щелей 11 с ответвителями 14, 15, имеющими коэффициент ответвления q₂.

Значения функции ƒ(x₂, x₁)=x₂⊕x₁ и соответствующие им значения I_f приведены на фиг. 3.

Элемент «НЕ», реализующий функцию получается из элемента «исключающее ИЛИ», подачей на один из входов 2 или 3 светового импульса, соответствующего логической “1”.

Значения функции и соответствующие им значения I_f при подаче на вход 3 логической «1» приведены на фиг. 4.

При выполнении ОЛЭ по второму заявляемому варианту, в отличие от первого, волновод снабжен тремя группами одинаковых щелей. Первая группа k одинаковых щелей 11, где k - целое число, расположена между первым и вторым правосторонними фарадеевскими вращателями 7₁ и 7₂ на расстоянии одна от другой, где u - целое число, над узлами стоячей волны, образованной встречными входными световыми импульсами х₁ и х₂, при этом каждая щель 11 первой группы снабжена двумя противоположно направленными ответвителями (1×2) 14 и 15, каждый из которых соединен со входом соответствующего ответвительного волновода 13 для отвода энергии и имеет одинаковый заданный коэффициент ответвления, выход которого соединен с входом соответствующего объединяющего ответвительного волновода 12.

Вторая группа из 2m-k одинаковых щелей 11, расположенных на расстоянии одна от другой, где u - целое число, на волноводе 1 до первого левостороннего фарадеевского вращателя 6₁, при этом каждая щель 11 второй группы снабжена ответвителем (1×2) 14 входного импульса с первого входа 2 с тем же заданным коэффициентом ответвления, соединенным с входом соответствующего, ответвительного волновода 13 для отвода энергии и имеет одинаковый заданный коэффициент ответвления.

Третья группа из 2m-k одинаковых щелей, расположенных на расстоянии одна от другой, где u - целое число, на волноводе 1 до второго левостороннего фарадеевского вращателя 6₂, при этом каждая щель 11 третьей группы снабжена ответвителем (1×2) 14 входного импульса со второго входа 3 с тем же заданным коэффициентом ответвления, соединенным с входом соответствующего, ответвительного волновода 13 для отвода энергии и имеет одинаковый заданный коэффициент ответвления,

при этом общая длина волновода 1 (nλ)>(4m-k)λ. Значение одинакового для всех щелей элемента заданного коэффициента ответвления определяется реализуемой элементом функцией.

Количество щелей k₁ параметры щели 11, ответвителей 14, 15 и коэффициент ответвления q₁ для элемента, реализующего функцию «И» и количество щелей k₂, параметры щели 11, ответвителей 14 и 15 и коэффициент ответвления q₂ для элемента, реализующего функцию «исключающее ИЛИ», выбраны при заданном значении m так, чтобы значение интенсивности импульса I_ƒ, указанное на фиг. 6, соответствующее логическому «0» на выходе 4 элемента, реализующего функцию «И», совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 7, соответствующим логическому «0» на выходе 5 элемента, реализующего функцию «исключающее ИЛИ» и совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 8, соответствующим логическому «0» на выходе 5 элемента реализующего функцию «НЕ», а также, чтобы значение интенсивности I_ƒ, указанное на фиг. 6, соответствующее логической «1» на выходе 4 элемента, реализующего функцию «И», совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 7, соответствующим логической «1» на выходе 5 элемента, реализующего функцию «исключающее ИЛИ» и совпадало со значением интенсивности If, указанным на фиг. 8, соответствующим логической «1» на выходе 5 элемента, реализующего функцию «НЕ». При этом значения интенсивности I_ƒ, соответствующие логическим «1», в 4 раза превосходят значения интенсивности I_ƒ, соответствующие логическим «0».

Вторым выходом 5 элемента, предназначенным для передачи в соответствии с выполняемой логической операцией световых импульсов во внешнюю среду, включая входы следующих элементов, является общий выход объединяющих ответвительных волноводов 12, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов 13 для отвода энергии от первой группы щелей, а также выходов ответвительных волноводов 13 для отвода энергии входного импульса с первого 2 и второго 3 входов элемента от второй и третьей групп щелей.

Между двумя третьими вращателями 6_3-1 и 6_3-2 могут быть установлены первое 10₁ и соответственно второе 10₂ поляризационные зеркала третьего вида, отражающие направленные на них третьими вращателями 6_3-1 и 6_3-2 световые импульсы, поляризованные под углом 0° на первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

В волноводе 1 в соответствии с реализуемой ОЛЭ логической операцией по направлению распространения импульсов могут быть установлены второе поляризационное зеркало 8₂ первого вида и второе поляризационное зеркало 9₂ второго вида, направляющие импульсы, поступившие соответственно с первого поляризационного зеркала 8₁ первого вида и со второго поляризационного зеркала 9₂ второго вида, на соответствующий один из двух третьих левосторонних фарадеевских вращателей 6_3-1 и 6_3-2, придающих плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющих световые импульсы по ходу распространения импульса на установленные между третьими вращателями 6_3-1 и 6_3-2 первое 10₁ и соответственно второе 10₂ поляризационные зеркала третьего вида, отражающие световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Один из входов волновода при выполнении логической операции предназначен для подачи светового импульса, соответствующего логической “1”.

ОЛЭ по второму заявляемому варианту выполняет операцию «И» следующим образом.

Поступающий на первый вход 2 импульс х₁ с поляризацией 0° взаимодействует со второй группой 2m-k₁ одинаковых щелей 11, снабженных однонаправленными ответвителями (1×2) 14 импульса с первого входа, каждый из которых имеет одинаковый с другими заданный коэффициент ответвления q₁, и соединенными с ними ответвительными волноводами 13, затем изменяет после первого левостороннего фарадеевского вращателя 6₁, плоскость поляризации на угол α(-) по правилу «левого винта» и через первое поляризационное зеркало 8₁ первого вида поступает в зону волновода 1, ограниченную поляризационными зеркалами 8₁ и 9₁. После первого правостороннего фарадеевского вращателя 7₁ импульс х₁ восстанавливает плоскость поляризации и взаимодействует с первой группой одинаковых щелей 11, ответвителями 14 и (при наличии) со встречным импульсом х₂, поступившим после аналогичных операций со второго входа 3. В результате столкновения импульсов образуются пучности и узлы световой волны. Над узлами в той же плоскости расположены щели 11, каждая щель первой группы снабжена двумя противоположно направленными ответвителями (1×2) импульса с первого и второго входа 14 и 15 соответственно, каждый из которых соединен с входом соответствующего ответвительного волновода 13 для отвода энергии и имеет одинаковый с другими заданный коэффициент ответвления q₁.

По окончании взаимодействия и прохода через второй вращатель 7₂ импульс х₁ с первого входа 2 приобретает поляризацию на угол α(-) и после отражения первым поляризационным зеркалом 9₁ второго вида поступает на второй третий левосторонний вращатель 6_3-2.

Вращатель 6_3-2 восстанавливает исходную плоскость поляризации, и импульс х₁ со входа 2 поступает на выход 4 и далее во внешнюю среду и, в частности, на входы последующих элементов. Идентичные действия осуществляются и в отношении импульса х₂ со входа 3, который в итоге также поступает во внешнюю среду и, в частности, на входы последующих элементов.

Если оба импульса присутствуют одновременно (они когерентны), то после взаимодействия со щелями и между собой они объединяются на выходе 4 и поступают далее во внешнюю среду и, в частности, на входы следующих элементов.

Между двумя третьими вращателями 6_3-1 и 6_3-2 могут быть установлены первое 10₁ и соответственно второе 10₂ поляризационные зеркала третьего вида, отражающие направленные на них третьими вращателями световые импульсы, поляризованные под углом 0° на первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

В волноводе 1 в соответствии с реализуемой ОЛЭ логической операцией по направлению распространения импульсов могут быть установлены второе поляризационное зеркало 8₂ первого вида и второе поляризационное зеркало 9₂ второго вида, направляющие импульсы, поступившие соответственно с первого поляризационного зеркала 8₁ первого вида и со второго поляризационного зеркала 9₂ второго вида, на соответствующий один из двух третьих левосторонних фарадеевских вращателей 6_3-1 либо 6_3-2, придающих плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющих световые импульсы по ходу распространения импульса на установленные между третьими вращателями 6_3-1 и 6_3-2 первое 10₁ и соответственно второе 10₂ поляризационные зеркала третьего вида, отражающие световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Если импульс поступил на один из входов 2 или 3, это означает х₂=1, х₁=0 или х₂=0, х₁=1, то интенсивность I_f на выходе 4 элемента составит I_f=I₀(l-q₁)^2m, где - коэффициент ответвления, характеризует долю интенсивности, уходящую через щель 11 из волновода 1 в ответвитель 14 или 15 и далее в ответвительный волновод. Это значение I_f соответствует логическому «0», т.е. ƒ(x₂, x₁)=0.

Если импульсы одновременно поступили на вход 2 и на вход 3, это означает х₂=1, х₁=1, то образуется стоячая волна. Суммарная интенсивность на функциональном выходе 4 равна Это соответствует логической «1», т.е. ƒ(x₂, x₁)=1.

Значения функции ƒ(x₂, x₁)=х₂&х₁ и соответствующие им значения I_f приведены на фиг. 6.

Элемент «исключающее ИЛИ», реализующий функциюƒ =х₂⊕х₁, получается из элемента «И» задействованием функционального выхода 5, определенного количества k₂, щелей 11 и ответвителей (1×2) 14, 15 с заданным коэффициентом ответвления q₂.

Значения функции ƒ(x₂, x₁)=x₂⊕x₁ и соответствующие им значения I_f приведены на фиг. 7.

Элемент «НЕ», реализующий функцию получается из элемента «исключающее ИЛИ», подачей на один из входов светового импульса, соответствующего логической “1”.

Значения функции и соответствующие им значения I_f при подаче на вход 3 логической «1» приведены на фиг. 8.

По третьему заявляемому варианту, в отличие от первого варианта, ОЛЭ содержит J оптически связанных волноводов 1, где J - целое число больше 1, два входа 2, 3, расположенных один напротив другого, предназначенных для ввода встречных входных световых импульсов длительностью τ=(mλ/υ), где m - целое число, λ - длина волны, υ - скорость света в волноводе, распространяющихся в противоположных направлениях в каждом волноводе 1_i, где i=1, 2, …, J, выполненном длиной (nλ), где n≥m, три выхода 4, 5 и 16.

На первом входе 2 первого волновода 1₁, являющемся первым входом элемента, последовательно по ходу поступления светового импульса х₁ извне установлены левосторонний 6₁ и правосторонний 7₁, фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации соответственно на заданный угол α(-) по правилу «левого винта» и на заданный угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», между ними размещено поляризационное зеркало 8₁ первого вида, пропускающее световой импульс, поляризованный под углом α(-), и отражающее световой импульс, поляризованный под углом 90°+α(-).

На втором входе 3 первого волновода 1₁, являющемся вторым входом элемента, последовательно по ходу поступления светового импульса х₂ извне установлены левосторонний 6₂ и правосторонний 7₂ фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации соответственно на заданный угол α(-) по правилу «левого винта» и на заданный угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», между ними размещено поляризационное зеркало 9₁ второго вида, пропускающее световой импульс поляризованный под углом α(-) и отражающее световой импульс поляризованный под утлом 90°+α(-).

Волноводы 1_i, где i=1, 2, …, J соединены таким образом, что поляризационные зеркала 9 второго вида, установленные на первых входах четных волноводов 1_i (по аналогии с первым волноводом по направлению распространения импульса) где i=2, 4, … следующих за первым, пропускают световой импульс с поляризационного зеркала 8 первого вида предыдущего волновода 1_i-1, поляризованный под углом 90°+α(-), на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский левосторонний вращатель 6 и отражают световой импульс, поляризованный под углом α(-).

Поляризационные зеркала 8 первого вида, установленные на вторых входах четных волноводов 1_i, где i=2, 4 … следующих за первым, пропускают световой импульс с поляризационного зеркала 9 второго вида предыдущего волновода 1_i-1, поляризованный под углом α(-), на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский левосторонний вращатель 6 и отражают световой импульс, поляризованный под углом 90°+α(-);

Поляризационные зеркала 8 первого вида, установленные на первых входах нечетных волноводов 1_i, где i=3, 5 …, следующих за первым, пропускают световой импульс с поляризационного зеркала 9 второго вида предыдущего волновода 1_i-1, поляризованный под углом 90°+α(-), на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский правосторонний вращатель 7 и отражают световой импульс, поляризованный под углом α(-).

Поляризационные зеркала 9 второго вида, установленные на вторых входах нечетных волноводов 1_i, где i=3, 5, …, следующих за первым, пропускают световой импульс с поляризационного зеркала 8 первого вида предыдущего волновода 1_i-1, поляризованный под углом α(-) на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский правосторонний вращатель 7 и отражают световой импульс, поляризованный под углом 90°+α(-).

Каждый волновод 1_i, где i=1, 2, …, J снабжен (2m) одинаковыми щелями 11, расположенными для нечетных волноводов между установленными на их входах правосторонними фарадеевскими вращателями 7, для четных волноводов - между установленными на их входах левосторонними фарадеевскими вращателями 6, на расстоянии одна от другой, где u - целое число, 2um<n, над пучностями стоячей волны, образованной встречными входными световыми импульсами.

Каждая щель 11 снабжена двумя противоположно направленными ответвителями (1×2) 14, 15 импульсов с первого и второго входа соответственно, каждый из которых соединен с входом соответствующего ответвительного волновода 13 для отвода энергии и имеет одинаковый определенный коэффициент ответвления q₁.

Параметры щели 11, ответвителей 14, 15 и коэффициент ответвления q₁ при заданном значении m для элемента, реализующего функцию «И», а также параметры щели 11, ответвителей 14, 15 и коэффициент ответвления q₂ при заданном значении m для элемента, выполненного по третьему варианту ОЛЭ, реализующего функцию «исключающее ИЛИ», выбраны так, чтобы значение интенсивности I_ƒ, указанное на фиг. 10, соответствующее логическому «0» на выходе 4 элемента, реализующего функцию «И», совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 11, соответствующим логическому «0» на выходе 5 элемента, реализующего функцию «исключающее ИЛИ» и совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 12, соответствующим логическому «0» на функциональном выходе 5 элемента, реализующего функцию «НЕ», а также, чтобы значение интенсивности I_ƒ, указанное на фиг. 10, соответствующее логической «1» на выходе 4 элемента, реализующего функцию «И», совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 11, соответствующим логической «1» на выходе 5 элемента, реализующего функцию «исключающее ИЛИ» и совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 12, соответствующим логической «1» на выходе 5 элемента, реализующего функцию «НЕ».

Последний 1_i волновод выполнен замкнутым.

В последнем J-м волноводе 1_J (в данном примере выполнения J=3) установлены левосторонние 6 фарадеевские вращатели, если J-нечетное, либо правосторонние 7 фарадеевские вращатели, если J-четное, придающие плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющие световые импульсы, поляризованные под углом 0° на выполненный в нем первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Между двумя фарадеевскими вращателями 6, либо 7, установленными в последнем J-м волноводе 1_J, могут быть установлены первое и соответственно второе поляризационные зеркала третьего вида 10, отражающие направленные на них установленными в последнем волноводе вращателями 6, либо 7, световые импульсы поляризованные под углом 0°, на первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Поляризационные зеркала могут быть установлены в волноводах 1_i таким образом, что поляризационные зеркала 8 первого вида отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала 8 первого вида предыдущего волновода 1_i-1 на поляризационное зеркало 9 второго вида на первых входах четных волноводов 1_i, где i=2, 4 …, а поляризационные зеркала 9 второго вида отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала 9 второго вида предыдущего волновода, на поляризационное зеркало 8 первого вида на вторых входах четных волноводов 1_i, где i=2, 4 ….

Поляризационные зеркала 9 второго вида на первых входах нечетных волноводов 1_i, где i=3, 5 …, следующих за первым, отражают световой импульс с поляризационного зеркала 9 второго вида предыдущего волновода 1_i-1 на поляризационное зеркало 8 первого вида на первых входах нечетных волноводов, а поляризационного зеркала 8 первого вида на вторых входах нечетных волноводов отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала 8 первого вида предыдущего волновода на поляризационное зеркало 9 второго вида на вторых входах нечетных волноводов.

Вторым выходом элемента является общий выход 5 объединяющих ответвительных волноводов 13, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов 12 последнего волновода для отвода энергии входных импульсов с первого 2 и второго 3 входов волновода от первой, от второй и третьей групп щелей 11.

Третьим выходом элемента, предназначенным для передачи световых импульсов во внешнюю среду либо для усиления сигналов в соответствии с реализуемой оптическим элементом логической операцией (при определенных условиях он может быть объединен либо с выходом 4 в элементе «исключающее ИЛИ», либо с выходом 5 в элементе «И»), является общий выход 16 объединяющих ответвительных волноводов 12, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов 13 всех волноводов, кроме последнего волновода 1_i.

Один из входов 2 или 3 элемента при выполнении логической операции «НЕ» предназначен для подачи светового импульса, соответствующего логической «1».

ОЛЭ по третьему заявляемому варианту выполняет операцию «И» следующим образом. Поступающий на первый вход 2 импульс х₁ с поляризацией 0° изменяет после первого левостороннего вращателя 6₁ плоскость поляризации на угол α(-), например, на угол 45°(-) и через первое поляризационное зеркало 8₁ первого вида поступает на первый правосторонний вращатель 7₁. После первого правостороннего вращателя 7₁ импульс х₁ восстанавливает плоскость поляризации и взаимодействует со щелями 11, ответвителями 14 импульса с первого входа и (при наличии) со встречным импульсом х₂, поступившим после аналогичных операций со второго входа 3. В результате их столкновения образуются пучности и узлы световой волны. Над пучностями в той же плоскости расположены щели 11, ответвители 14 и 15 и ответвительные волноводы 13.

По окончании взаимодействия и прохода через второй правосторонний вращатель 7₂ (по направлению движения в первом волноводе 1) импульс х₁ с первого входа 2 приобретает поляризацию α(-) и отражается первым поляризационным зеркалом 9₁ второго вида на второе поляризационное зеркало 8₂ первого вида, которое пропускает этот импульс на левосторонний вращатель 6 на втором входе (расположение входов по аналогии с первым волноводом) второго волновода 1₂.

Вращатель 6 восстанавливает исходную плоскость поляризации и импульс х₁ с первого входа 2 ОЛЭ движется по второму волноводу 1₂, где взаимодействует со щелями 11, ответвителями 15 и (при наличии) со встречным импульсом х₂, поступившим после аналогичных действий на первый вход второго волновода.

Идентичные действия осуществляются и в отношении импульса х₂ со второго входа 3 ОЛЭ, который поступает на первый вход (расположение входов аналогично расположению входов в первом волноводе) следующего волновода.

В последнем J-м волноводе левосторонний фарадеевский вращатель 6, если J-нечетное, либо правосторонний фарадеевский вращатель 7, если J-четное, восстанавливает исходную плоскость поляризации и импульс х₁ с первого входа 2 ОЛЭ поступает во внешнюю среду, в частности, на входы следующих элементов.

Идентичные действия осуществляются и в отношении импульса х₂ со второго входа 3 ОЛЭ, который поступает во внешнюю среду, в частности, на входы следующих элементов.

Если оба импульса присутствуют одновременно (они когерентны), то после взаимодействия со щелями и между собой они складываются на выходе 4, объединенный импульс поступает во внешнюю среду и, в частности, на входы следующих элементов.

Если импульс поступил на один из входов 2 или 3, это означает х₂=1, х₁=0 или х₂=0, х₁=1, то интенсивность I_ƒ на первом выходе 4 элемента составит I_ƒ=I₀(1-q₁)^J2m, т.е. I_ƒ=I₀(1-q₁)^6m при J=3, где - коэффициент ответвления характеризует долю интенсивности, уходящую в щель волновода элемента «И». Это значение I_ƒ соответствует логическому «0», т.е. ƒ(x₂, x₁)=0.

Если импульсы поступили на оба входа 2 и 3, это означает х₂=1, х₁=1, то образуется стоячая волна. Суммарная интенсивность на выходе 4 I_ƒ=2⋅2^J(1-q₁)^J2m, т.е. I_ƒ=16I₀(1-q₁)^6m при J=3. Это значение I_ƒ соответствует логической «1», т.е. ƒ(x₂, x₁)=1.

Между левосторонними фарадеевскими вращателями 6, либо правосторонними фарадеевскими вращателями 7, установленными на выходе в последнем волноводе, могут быть установлены первое и соответственно второе поляризационные зеркала 10 третьего вида, отражающие направленные на них третьими фарадеевскими левосторонними либо правосторонними вращателями световые импульсы, поляризованные под углом 0° на первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

В каждом волноводе 1_i, где i=1, 2, …, J в соответствии с реализуемой ОЛЭ логической операцией по направлению распространения импульсов могут быть установлены второе поляризационное зеркало 8 первого вида и второе поляризационное зеркало 9 второго вида, направляющие импульсы, поступившие соответственно с первого поляризационного зеркала 8 первого вида предыдущего волновода 1_i-1 и со второго поляризационного зеркала 9 второго вида предыдущего волновода 1_i-1, на установленные в данном волноводе 1_i, поляризационные зеркала 9 второго вида и далее на левосторонние фарадеевские вращатели 6, если i=2, 4 … четное, либо на установленные в данном волноводе 1_i поляризационные зеркала второго вида и далее на правосторонние фарадеевские вращатели 7, если i=3, 5 … нечетное, придающие плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющие световые импульсы по ходу распространения импульса в следующий волновод 1_i+1, где осуществляется взаимодействие со щелями 11 (при наличии) со встречным импульсом, а в случае последнего J-го волновода на установленными в нем на выходе левосторонними фарадеевскими вращателями 6, если J-нечетное, либо правосторонними фарадеевскими вращателями 7, если J-четное, первое и соответственно второе поляризационные зеркала 10 третьего вида, отражающие световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

При этом выход 5 может быть объединен с третьим выходом 16 и использоваться для усиления импульсов в других элементах.

Значения функции ƒ(х₂, х₁)=х₂&х₁ и соответствующие им значения I_ƒ, полученные для третьего заявляемого варианта ОЛЭ при J=3, приведены на фиг. 10.

Элемент «исключающее ИЛИ», реализующий функцию ƒ=х₂⊕х₁, получается из элемента «И» задействованием выхода 5, щелей 11 и ответвителей 14, 15 с отражательной способностью q₂. При этом информационный выход 4 может быть объединен с дополнительным ответвительным выходом 16.

Значения функции ƒ=(x₂, x₁)=x₂⊕x₁ и соответствующие им значения I_ƒ, полученные для третьего заявляемого варианта ОЛЭ при J=3, приведены на фиг. 11.

Элемент «НЕ», реализующий функцию получается из элемента «исключающее ИЛИ», подачей на один из входов светового импульса, соответствующего логической «1».

Значения функции и соответствующие им значения I_ƒ при подаче на вход 3 логической «1», полученные для третьего варианта ОЛЭ при J=3, приведены на фиг. 12.

По четвертому заявляемому варианту ОЛЭ содержит J оптически связанных волноводов 1, где J - целое число больше 1, два входа 2, 3, расположенных один напротив другого, предназначенных для ввода встречных входных импульсов длительностью τ=mλ/υ, где m - целое число, λ - длина волны, υ - скорость света в волноводе, распространяющихся в противоположных направлениях в каждом волноводе 1_i, где i=1, 2, …, J, выполненном длиной (nλ), где n≥m, три выхода 4, 5 и 16.

На первом входе 2 первого волновода 1₁, являющемся первым входом элемента, последовательно по ходу поступления светового импульса х₁ извне установлены левосторонний 6₁ и правосторонний 7₁ фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации светового импульса соответственно на заданный угол α(-) по правилу «левого винта» и на заданный угол 90°+α(-) по правилу «правого винта», между ними размещено поляризационное зеркало 8₁ первого вида, пропускающее световой импульс х₁, следующий с первого входа 2, поляризованный под углом α(-), и отражающее следующий с первого входа световой импульс, поляризованный под углом 90°+α(-).

На втором входе 3 первого волновода 1₁ являющемся вторым входом элемента, последовательно по ходу поступления светового импульса х₂ извне, установлены левосторонний 6₂ и правосторонний 7₂ фарадеевские вращатели, поворачивающие плоскость поляризации светового импульса х₂ соответственно на угол α(-) и на угол 90°+α(-), между ними размещено поляризационное зеркало 9₁ второго вида, пропускающее световой импульс х₂, следующий со второго входа 3, поляризованный под углом α(-) и отражающее световой импульс, следующий со второго входа 3, поляризованный под углом 90°+α(-).

Волноводы 1_i, где i=1, 2, …, J соединены таким образом, что поляризационные зеркала 9 второго вида, установленные после двух последовательно установленных левосторонних фарадеевских вращателей 6, на первых входах четных волноводов 1_i, где i=2, 4, …, следующих за первым, пропускают световой импульс с первого поляризационного зеркала 8 первого вида предыдущего волновода, поляризованный под углом 90°+α(-), на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский правосторонний вращатель 7 и отражают световой импульс, поляризованный под углом α(-).

Поляризационные зеркала 8 первого вида, установленные после двух последовательно установленных левосторонних фарадеевских вращателей 6 по ходу движения импульса, на вторых входах четных волноводов 1_i, где i=2, 4, …, следующих за первым, пропускают световой импульс с поляризационного зеркала 9 второго вида предыдущего волновода с поляризацией на угол α(-), на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский правосторонний вращатель 7 и отражают световой импульс с поляризацией на угол 90°+α(-).

Поляризационные зеркала 8 первого вида, установленные после двух последовательно установленных левосторонних фарадеевских вращателей 6, на первых входах нечетных волноводов 1_i, где i=3, 5, …, следующих за первым, пропускают световой импульс с поляризационного зеркала 9 второго вида предыдущего волновода 1_i-1, поляризованный под углом 90°+α(-), на установленный следом за ним на этом же входе фарадеевский правосторонний вращатель 7 и отражают световой импульс, поляризованный под углом α(-).

Поляризационные зеркала 9 второго вида, установленные после двух последовательно установленных левосторонних фарадеевских вращателей 6, на вторых входах нечетных волноводов 1_i, где i=3, 5, …, следующих за первым, пропускают световой импульс с поляризационного зеркала 8 первого вида предыдущего волновода 1_i-1, поляризованный под углом α(-) на фарадеевский правосторонний вращатель 7 и отражают световой импульс, поляризованный под углом 90°+α(-).

Каждый волновод 1_i, где i=1, 2, …J, снабжен одинаковыми щелями.

Первая группа состоит из k щелей 11, где k - целое число, расположенных в каждом волноводе между правосторонними фарадеевскими вращателями 7, на расстоянии одна от другой, где u - целое число, над узлами стоячей волны, образованной встречными входными световыми импульсами х₁ и х₂. Каждая щель 11 первой группы снабжена двумя противоположно направленными ответвителями (1×2) входных импульсов с первого и второго входа 14 и 15 соответственно, каждый из которых соединен с входом соответствующего ответвительного волновода 13 для отвода энергии и имеет одинаковый заданный коэффициент ответвления.

Вторая группа состоит из 2m-k щелей 11, расположенных на расстоянии одна от другой, где u - целое число, на первом волноводе 1 до первого левостороннего фарадеевского вращателя, на первых входах каждого четного волновода 1_i, и каждого нечетного волновода 1_i, кроме первого, между последовательно размещенными левосторонними и правосторонними фарадеевскими вращателями, установленными перед поляризационным зеркалом первого вида, при этом каждая щель второй группы снабжена ответвителем (1×2) 14 входного импульса с первого входа с тем же заданным коэффициентом ответвления, соединенным с входом соответствующего ответвительного волновода 13.

Третья группа состоит из 2 m-k щелей, расположенных на расстоянии одна от другой, где u - целое число, на первом волноводе до второго левостороннего фарадеевского вращателя, на вторых входах каждого четного волновода 1_i, и каждого нечетного волновода, кроме первого между двумя последовательно размещенными левосторонними фарадеевскими вращателями, установленными перед поляризационным зеркалом первого вида, при этом каждая щель третьей группы снабжена однонаправленным ответвителем (1×2) 15 входного импульса со второго входа с тем же заданным коэффициентом ответвления, соединенным с входом соответствующего ответвительного волновода 13, при этом общая длина каждого волновода 1_i, где i=1, 2, …, J равна (nλ)>(4m-k)λ.

Количество k₁ щелей 11, параметры щели 11, ответвителей 14, 15 и коэффициент ответвления q₁ для элемента, реализующего функцию «И», а также количество k₂ щелей 11, параметры щели 11, ответвителей 14, 15 и коэффициент ответвления q₂ для элемента, реализующего функцию «исключающее ИЛИ», выбраны при заданном значении m так, чтобы значение интенсивности I_ƒ, указанное на фиг. 14, соответствующее логическому «0» на выходе 4 элемента, реализующего функцию «И», совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 15, соответствующим логическому «0» на выходе 5 элемента, реализующего функцию «исключающее ИЛИ» и совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 16, соответствующим логическому «0» на выходе 5 элемента, реализующего функцию «НЕ», а также, чтобы значение интенсивности I_ƒ, указанное на фиг. 14, соответствующее логической «1» на выходе 4 элемента, реализующего функцию «И», совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 15, соответствующим логической «1» на выходе 5 элемента, реализующего функцию «исключающее ИЛИ» и совпадало со значением интенсивности I_ƒ, указанным на фиг. 16, соответствующем логической «1» на выходе 5 элемента, реализующего функцию «НЕ».

В последнем J-м волноводе 1_J, выполненном замкнутым, на выходе установлены левосторонние 6 фарадеевские вращатели, если J-нечетное, либо правосторонние 7 фарадеевские вращатели, если J-четное, придающие плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющие световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на выполненный в нем первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Между фарадеевскими вращателями 6, либо между фарадеевскими вращателями 7, установленными на выходе в последнем волноводе 1_J, придающими плоскости поляризации светового импульса исходный угол ориентации и направляющими световые импульсы, поляризованные под углом 0° на первый выход и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов, могут быть установлены два поляризационных зеркала третьего вида 10, отражающих направленные на них установленными в последнем волноводе вращателями 6, либо вращателями 7, световые импульсы, поляризованные под углом 0°, на первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Поляризационные зеркала могут быть установлены в волноводах 1_i, где i=1, 2, … J таким образом, что поляризационные зеркала 8 первого вида отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала 8 первого вида предыдущего волновода 1_i-1 на поляризационное зеркало 9 второго вида на первых входах четных волноводов 1_i, где i=2, 4, …,

а поляризационные зеркала 9 второго вида отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала 9 второго вида предыдущего волновода 1_i-1 на поляризационное зеркало 8 первого вида на вторых входах четных волноводов 1_i, где i=2, 4, …,

кроме того, поляризационные зеркала 9 второго вида на первых входах нечетных волноводов 1_i, где i=3, 5, …, следующих за первым, отражают световой импульс с поляризационного зеркала 9 второго вида предыдущего волновода 1_i-1 на поляризационное зеркало 8 первого вида на первых входах нечетных волноводов 1_i, где i=3, 5, …, а поляризационного зеркала 8 первого вида на вторых входах нечетных волноводов отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала 8 первого вида предыдущего волновода на поляризационное зеркало 9 второго вида на вторых входах нечетных волноводов.

Вторым выходом 5 элемента, является общий выход объединяющих ответвительных волноводов 13, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов 12 последнего волновода для отвода энергии входных импульсов с первого и второго входов волновода от первой, от второй и третьей групп щелей.

Третьим выходом 16 элемента, предназначенным для передачи световых импульсов во внешнюю среду либо для усиления сигналов в соответствии с реализуемой оптическим элементом логической операцией, является общий выход объединяющих ответвительных волноводов 13, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов 12 для отвода энергии входных импульсов с первого 2 и второго 3 входов элемента от первой группы щелей, а также выходов ответвительных волноводов для отвода энергии входного импульса с первого и второго входов элемента от второй и третьей групп щелей всех волноводов, кроме последнего волновода.

При определенных условиях он может быть объединен либо с выходом 4 в элементе «исключающее ИЛИ», либо с выходом 5 в элементе «И».

Один из входов 2 или 3 элемента при выполнении логической операции «НЕ» предназначен для подачи светового импульса, соответствующего логической “1”.

ОЛЭ по четвертому заявляемому варианту при J=3 выполняет операцию «И» следующим образом.

Поступающий на первый вход 2 импульс х₁ с поляризацией 0° взаимодействует с второй группой (2m-k₁) щелей 11, снабженных однонаправленными ответвителями (1×2) 14 входных импульсов с первого входа, каждый из которых имеет одинаковый с другими заданный коэффициент ответвления q₁ и соединен с соответствующим ответвительным волноводом 13, затем изменяет после первого по ходу движения импульса в первом волноводе левостороннего вращателя 6₁ плоскость поляризации на угол α(-) и через первое поляризационное зеркало 8₁ поступает в зону волновода 1₁, ограниченную поляризационными зеркалами 8₁ и 9₁. После первого правостороннего вращателя 7₁ импульс х₁ восстанавливает плоскость поляризации и взаимодействует со щелями 11, ответвителями 14, а также (при наличии) со встречным импульсом х₂, поступившим после аналогичных операций со второго входа 3 первого волновода 1₁. В результате столкновения импульсов х₁ и х₂ образуются пучности и узлы стоячей световой волны. Над узлами стоячей волны в той же плоскости расположены щели 11, ответвители 14, 15 и ответвительные волноводы 13.

По окончании взаимодействия и прохода через вращатель 7₂ импульс х₁ с первого входа 2 приобретает поляризацию на угол α(-) и после отражения поляризационным зеркалом 9₁ поступает на первый по ходу движения импульса x₁ левосторонний вращатель 6 второго волновода 1₂.

Вращатель 6 восстанавливает исходную плоскость поляризации импульса х₁, который с первого входа 2 ОЛЭ поступает на второй (нумерация входов последующих волноводов аналогична нумерации входов первого волновода) вход следующего волновода 1₂.

Идентичные действия осуществляются и в отношении импульса х₂ со второго входа 3 ОЛЭ, который после взаимодействия со щелями 11, ответвителями 15, вращателями 6, 7 и зеркалами 8, 9 волновода 1₁ поступает на первый вход следующего волновода 1₂.

В последнем волноводе первый по ходу движения импульса x₁ левосторонний вращатель 6 восстанавливает исходную плоскость поляризации импульса х₁, который с первого входа 2 ОЛЭ поступает на выход 4 и далее во внешнюю среду, в частности, на входы следующих элементов.

Идентичные действия осуществляются и в отношении импульса х₂ со входа 3 ОЛЭ, который поступает на выход 4 и далее во внешнюю среду, в частности, на входы следующих элементов.

Если оба импульса присутствуют одновременно (они когерентны), то после взаимодействия с волноводами и между собой они складываются на выходе 4 и поступают далее во внешнюю среду и, в частности, на входы следующих элементов.

Если импульс распространяется в одном из направлений, это означает х₂=1, х₁=0 или х₂=0, х₁=1, то интенсивность I_f на выходе 4 элемента составит I_f=I₀(1-q₁)^J2m, т.е. I_f=I₀(l-q₁)^6m, при J=3, где - коэффициент ответвления, характеризует долю интенсивности, уходящую в щель волновода элемента «И». Это соответствует логическому «0», т.е. ƒ(x₁, x₂)=0.

Если импульсы распространяются в обоих направлениях, это означает х₂=1, х₁=1, то образуется стоячая волна. Суммарная интенсивность на выходе 4 равна при J=3. Это соответствует логической «1»,т.е. ƒ(x₂, x₁)=1.

Между двумя вращателями 6 при нечетном J, либо двумя вращателями 7 при четном J на выходе последнего J-го волновода могут быть установлены первое и соответственно второе поляризационные зеркала 10 третьего вида, отражающие направленные на них установленными в последнем волноводе, вращателями световые импульсы, поляризованные под углом 0° на первый выход 4 и далее во внешнюю среду, включая входы следующих элементов.

Поляризационные зеркала могут быть установлены в волноводах 1_i таким образом, что поляризационные зеркала 8 первого вида отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала 8 первого вида предыдущего волновода l_i на поляризационное зеркало 9 второго вида на первых входах четных волноводов 1_i, где i=2, 4 …, а поляризационные зеркала 9 второго вида отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала 9 второго вида предыдущего волновода, на поляризационное зеркало 8 первого вида на вторых входах четных волноводов 1_i, где i=2, 4 ….

кроме того, поляризационные зеркала 9 второго вида на первых входах нечетных волноводов 1_i, где i=3, 5 …, следующих за первым, отражают световой импульс с поляризационного зеркала 9 второго вида предыдущего волновода 1_i-1 на поляризационное зеркало 8 первого вида на первых входах нечетных волноводов, а поляризационного зеркала 8 первого вида на вторых входах нечетных волноводов 1_i, где i=3, 5 …, отражают световой импульс, поступивший с поляризационного зеркала 8 первого вида предыдущего волновода на поляризационное зеркало 9 второго вида на вторых входах нечетных волноводов.

Вторым выходом элемента является общий выход 5 объединяющих ответвительных волноводов 12, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов 13 последнего J-го волновода для отвода энергии входных импульсов с первого и второго входов волновода от первой, от второй и третьей групп щелей.

Третьим выходом 16 элемента, предназначенным для передачи световых импульсов во внешнюю среду либо для усиления сигналов в соответствии с реализуемой оптическим элементом логической операцией, является общий выход объединяющих ответвительных волноводов 12, входы которых образованы соединением выходов ответвительных волноводов 13 для отвода энергии входных импульсов с первого и второго входов элемента от первой группы щелей, а также выходов ответвительных волноводов для отвода энергии входного импульса с первого и второго входов элемента от второй и третьей групп щелей всех волноводов, кроме последнего волновода.

При этом третий выход 16 может быть объединен с выходом 5 и использоваться для усиления импульсов в других элементах.

Значения функции ƒ(x₂, x₁)=х₂&х₁ и соответствующие им значения I_f приведены на фиг. 14.

Элемент «исключающее ИЛИ», реализующий функцию f=x₂⊕x₁, получается из элемента «И» задействованием выхода 5, и (2m-k₂) щелей 11 с ответвителями 14, имеющими коэффициент ответвления q₂, (2m-k₂) щелей 11 с ответвителями 15, имеющими коэффициент ответвления q₂ и k₂ щелей с ответвителями 14 и 15, имеющими коэффициент ответвления q₂. При этом дополнительный ответвительный выход 16 может быть объединен с информационным выходом 4 и использоваться для усиления импульсов в других элементах.

Значения функции ƒ(x₂, x₁)=х₂⊕х₁ и соответствующие им значения I_f приведены на фиг. 15.

Элемент «НЕ», реализующий функцию получается из элемента «исключающее ИЛИ», подачей на один из входов светового импульса, соответствующего логической “1”.

Значения функции и соответствующие им значения I_f при подаче на вход 3 логической «1» приведены на фиг. 16.

Пример выполнения по первому варианту. В качестве волновода 1 при изготовлении заявляемого ОЛЭ используется фотонный кристалл из кремния с заполненными воздухом отверстиями (Сунь Сяо-Вэнь, Ян Сю-Лунь, Мэн Сян-Фэн, Чжу Цзи-Нань, Ван Юй-Жун, Инь Юн-Кай, Дун Го-Янь. Разработка и анализ логических элементов «ИЛИ-НЕ», «И-НЕ» и «исключающее ИЛИ-НЕ» на основе эффекта интерференции. Квантовая электроника, 48, №2 (2018), стр. 178).

Полагаем, λ=1,55 мкм, радиус отверстий r=0,3р, где р=0,418 мкм - постоянная решетки кремния (там же, стр. 179).

Значение m=10 задаем согласно требованию к быстродействию элемента.

Значения q₁ и q₂ вычисляем при заданном m из условия идентичности значений интенсивности I_ƒ, соответствующих логическим константам на выходе элемента «И» и на выходе элемента «исключающее ИЛИ». Это условие выполняется, если (1-q₁)^2m=0,133 для элемента, реализующего операцию &, и (1-q₂)^2m=0,466 для элементов, реализующих ^⊕ и ^-.

При m=10 получаем:

(1-q₁)≈0,88 и (1-q₂)=0,95.

Далее q₁≈0,12 и q₂≈0,05.

В качестве щелей 11 и ответвителей 14 и 15 используем линейные дефекты в фотонных кристаллах (там же, стр. 179).

Из графика относительных значений интенсивности электромагнитной волны, уходящей в ответвительный волновод 13 (обозначенных символом R, там же, рис. 2, стр. 179), находим, что значение коэффициента ответвления q₁=0,12 достигается при r_d/p=0,38, где r_d - радиус стержня дефекта. Получаем r_d≈160 нм. Аналогично находим, что значение коэффициента ответвления q₂=0,05 достигается при r_d/p=0,1; получаем r_d≈41 нм.

Требуемые для изготовления таких дефектов технологии - освоены (Котляр В.В. Нанофотоника - манипулирование светом с помощью наноструктур. Компьютерная оптика, 2008, т. 32, №2, с. 119-135).

Диаметр волновода 1 принимаем равным d=6р (Chen Н., Li Z., Liu W. Yang F., Feng S., Zheng H. Line defect splitters for self-collimated beams in photonic crystals. Optics Communications 411 (2006), стр. 121).

Чтобы исключить взаимное влияние ответвительных волноводов 13, 12 и их физическое наложение в пространстве, расстояние между центрами щелей 11 выберем 11p=4,6 мкм, что составляет 3λ. Длина участка волновода, на котором размещены щели 11 в количестве m=10 шт. составит 46 мкм. Общую длину волновода 1, включающую длины вращателей, поляризационных зеркал и изгибы принимаем равной L=75 мкм. Полагая скорость света в волноводе υ=2⋅10⁸ м/с, находим τ=L/υ=375⋅10^-15 с длительность выполнения одной логической операции.

Выполнение одной логической операции оптическим элементом уменьшает значение интенсивности светового импульса. В оптическом логическом элементе «И» начальная интенсивность I₀ на каждом входе сменится для логического «0» значением интенсивности на выходе Iƒ=I₀(1-q)^2m, при этом количество интенсивности, выделенной в щели 11, составит Аналогично, начальная интенсивность I₀ на входе (например, на входе 2 (х₁) и на входе 3 (х₂)) сменится на выходе 4 элемента «И» значением I_ƒ=4I₀(1-q)^2m, соответствующим логической «1». Выделение интенсивности электромагнитной волны, в щели 11 составит

Продемонстрируем при m=10 выполнение равенства значений I_ƒ для логических нулей, вырабатываемых реализованными ОЛЭ по первому варианту элементами «И», «исключающее ИЛИ» и «НЕ», и для логических единиц, вырабатываемых элементами «И», «исключающее ИЛИ» и «НЕ».

Элемент «И», первый вариант ОЛЭ. В результате выполнения операции элементом «И» имеем значения I_ƒ и представленные в фиг. 17.

Элемент «исключающее ИЛИ», первый вариант ОЛЭ. В результате выполнения операции «исключающее ИЛИ» имеем значения интенсивностей I_ƒ и представленные на фиг. 18.

Элемент «НЕ», первый вариант ОЛЭ. Длительность выполнения операции и значения интенсивности, совпадают с соответствующими параметрами элемента «исключающее ИЛИ» (разумеется, при единичном значении I_x на одном из его входов 2 или 3, который объявляется управляющим).

Значения интенсивностей I_ƒ на выходе логического элемента «И» и на выходе логического элемента «исключающее ИЛИ», представленные на фиг. 17 и 18, совпадают до третьего знака после запятой и тем самым подтверждают совпадение значений интенсивностей, соответствующих одинаковым логическим константам, вырабатываемым элементами, реализующими функции &, ^⊕ и ^-.

Периодичность регенерации. В процессе выполнения логических операций расходуется энергия. Это выражается в уменьшении интенсивности электромагнитной волны. При достижении определенного уровня интенсивности необходимо осуществить регенерацию - восстановление исходного начального значения интенсивности.

Критичным является уровень интенсивности, соответствующий логической «1», определяющий наличие сигнала. Логический «0» может быть как угодно близок к значению физического нуля.

После каждого выполнения операции & над аргументами x₁=1 и х₂=1 значение I_ƒ при q₁=0,12 и m=10 уменьшается в раз, или в общепринятой терминологии (Вербовецкий А.А. Основы проектирования оптоэлектронных систем связи. М., - Радио и связь, 2000 г., стр. 84) на Δ=10lg1.879=2,74 дБ.

Оценим бюджет мощности для ОЛЭ из кремния при λ=1,55 мкм и длительности выполнения операции τ=375 фс.

Лучевая прочность кремния ε_разр=2,5 Дж/см² при длительности импульса τ=300-400 фс (L. Gallais, D.-B. Douti, М. Commandre, G. Bataviciute. Wavelength dependence of femtosecond laser-induced damage threshold of optical materials. Journal of Applied Physics 117, 223103 (2015), pp. 223103-6).

Пороговая интенсивность Вт/см². Эта величина определяет максимально допустимое значение электромагнитной волны, превышение которого вызывает разрушение волновода 1.

Диаметр волновода 1 полагаем d=2,5⋅10^-6 м, площадь S=4,9⋅10^-12 м².

При длительности информационного импульса τ=375⋅10^-15 c получаем в волноводе энергию Е=ISτ≈1,23⋅10^-11 Дж.

Энергия фотона при λ=1,5 мкм составляет:

где h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме (Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов М.: ООО «Издательство Оникс»: ООО «Издательство «Мир и Образование» 2008 г. - с. 1004).

Находим количество фотонов в импульсе:

Для надежной идентификации импульса при Т=300К необходимо более N=20 фотонов (Б. Салех, М. Тейх. Оптика и фотоника. Принципы и применения. т. 2. Долгопрудный: «Интеллект», 2012 г., стр. 708). Пусть N=10³ фотонов. Мощность импульса составит Тогда бюджет мощности составляет

Следовательно, при указанных параметрах можно без регенерации выполнить ≈14 шт. операций, т.е. в течение τ_∑=14τ=5,25⋅10^-12 с работать без регенерации. Для выполнения регенерации уровня сигнала после 14 операций применяются оптические ключи пикосекундного диапазона, основанные на нелинейных эффектах (Гончарова О.В., Демин А.В. Оптический переключающий элемент. Патент РФ 2096815, опубликован 20.11.1997 г.) Их задействование не скажется на производительности и энергопотреблении устройства.

Выделяемая в щели 11 элементов энергия остается в волноводах ОЛЭ и может быть задействована для усиления и регенерации сигнала.

Общие потери энергии определяются потерями в волноводах, эта величина составляет 0,1 дБ/см, и эффективностью ввода излучения в волновод μ≥0,9 (Белов П.А., Беспалов В.Г., Васильев В.Н., и др. Оптические процессоры: достижения и новые идеи [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://pandia.ru/77/192/21190.php).

Фотонная вычислительная система, реализованная из предложенных вариантов ОЛЭ, при λ=1,5 мкм, длине волновода L=75 мкм и указанных значениях энергетических параметров имеет в 10³-10⁴ раз большую производительность, по сравнению с электронными аналогами при одинаковых энергозатратах (Степаненко С.А. Фотонная вычислительная машина. Патент на изобретение №263969, опубликован 21.12.2017 Бюл. №36).

Таким образом заявляемые варианты ОЛЭ обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в создании оптического логического элемента и в реализации функционально полного базиса логических функций, повышении производительности и энергоэффективности оптической элементной базы и создаваемых на ее основе цифровых устройств.