НАНОУСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
NANODEVICE FOR DIVIDING OPTICAL SIGNALS

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемо-передающих устройств.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический модулятор, содержащий группу оптических ответвлений [Патент №2103823, Россия, 1998. Оптический модулятор / Соколов С.В. и др.].
Недостатками данного устройства являются его сложность, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.
Заявленное устройство направлено на решение задачи деления как когерентных, так и некогерентных, оптических сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, а также задачи наноразмерного исполнения устройства.
Поставленная задача возникает при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемо-передающих наноустройств, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах.
Заявленное устройство строится на основе оптических нановолокон, варианты технического исполнения которых описаны в [Оптика наноструктур / Под редакцией А.В.Федорова: СПб. «Недра», 2005 г.; Krenn J.R., Dereux A., Weeber J.C., et al. Squeezing the optical near-field zone by plasmon coupling of metal nanoparticles. Physical Review Letters, 1999, 82, 12, 2590], и телескопических нанотрубок, под которыми понимается пара вложенных одна в другую нанотрубок [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
Сущность изобретения состоит в том, что устройство содержит входное оптическое нановолокно, входной оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, выходной оптический N-входной нановолоконный объединитель, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, оптический N-входной нановолоконный объединитель обратной связи, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, источник постоянного оптического сигнала, входом делимого является вход входного оптического нановолокна, входом делителя является вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя, выход которого является выходом устройства, причем между выходами входного оптического нановолокна и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи расположены телескопические нанотрубки по оси распространения их выходных оптических сигналов, а направления распространения выходных оптических сигналов входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и оптического нановолоконного N-выходного разветвителя взаимно ортогональны, при этом внутренняя телескопическая нанотрубка в исходном положении разрывает оптические связи между выходом входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и входом оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, а также выходом оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и входом выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя.
На чертеже представлена функциональная схема наноустройства для деления оптических сигналов. Для удобства дальнейшего анализа его работы на чертеже введена условная система координат OXYZ.
1
2
1
2
i, i=1, 2,
1
2
Устройство состоит из входного оптического нановолокна 1, входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2, оптического N-входного нановолоконного объединителя 3 обратной связи, выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3, двух телескопических нанотрубок 4 (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка) и источника постоянного оптического сигнала 5 с интенсивностью К усл. ед.
1
Входом делимого "А" является вход входного оптического нановолокна 1. Входом делителя "В" является вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2.
1
Выходом устройства «А/В» является выход выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 2.
1
1
2
2
Выходы входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя 3 обратной связи, а выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 оптически связаны со входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3.
1
2
Световой поток от входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 распространяется по оси OZ, световой поток от оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 распространяется по оси OY.
1
2
1
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходами входного оптического нановолокна 1 и оптического N-входного нановолоконного объединителя 3 обратной связи по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под воздействием разности давлений световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность давлений 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 4 будет перемещаться в сторону оптического потока с меньшей интенсивностью (при этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимое давление для перемещения нанотрубки составляет аттоньютоны [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]).
2
Выход источника постоянного оптического сигнала 5 подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2.
1
В исходном положении внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя
1
1
2
2
2 и входами оптического N-входного нановолоконного объединителя 3 обратной связи, а также оптические связи между выходами оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 и входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3.
Устройство работает следующим образом.
1
До подачи на входы «А» и «В» оптических сигналов устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4 находится в левом крайнем положении.
A
1
B
На вход входного оптического нановолокна 1 подается оптический сигнал, соответствующий делимому (с интенсивностью I усл. ед.), а на вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 подается сигнал, соответствующий делителю (с интенсивностью I усл. ед.).
1
B
Оптический сигнал со входа «В» поступает на вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2, с каждого выхода которого снимается оптический сигнал с интенсивностью I/n усл. ед.
2
От источника постоянного оптического сигнала 5 оптический сигнал с интенсивностью K усл. ед. поступает на вход оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K/N усл. ед.
A
B
1
Под действием разности световых давлений, создаваемых оптическими потоками (входным I и потоком обратной связи I), внутренняя нанотрубка 4 из исходного положения начнет перемещаться вправо.
1
1
1
1
B
Интенсивность светового потока на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 3 обратной связи начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «X» (вдоль оси ОХ) внутренней нанотрубки 4. Т.к. длина внутренней нанотрубки 4 составляет единицы микрон, а диаметр оптических нановолокон - единицы нанометров, то изменение величины перемещения «X», для ясности последующего изложения, можно считать непрерывным (дискретный характер изменения «X» не вносит никаких принципиальных ограничений в принцип действия устройства) - интенсивность светового потока на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 3 обратной связи будет равна I·Х усл. ед.
B
1
1
Оптический сигнал с интенсивностью I·X усл. ед. на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 3 обратной связи формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 4 вправо, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «X» замедляется.
1
A
B
-15
-16
-9
-9
-10
(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 4 (≈10 - 10 г), силой трения при ее движении (≈10 н), интенсивностями I и I входных оптических сигналов и составляет ≈10 - 10 с).
1
По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 4) силы, действующие на внутреннюю нанотрубку с противоположных концов, будут равны, а величина ее перемещения «X» будет равна
=
A
B
A
B
Х(Z·I)/(Z·I)=I/I,
1
где Z - коэффициент перевода интенсивности оптического сигнала в силу светового давления, действующую на внутреннюю нанотрубку 4.
2
Интенсивность сигнала на выходе выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3 составит
A/B
A
B
I=KХ=K·I/I.
Таким образом, на выходе устройства «А/В» формируется сигнал, интенсивность которого пропорциональна (с коэффициентом K) частному интенсивностей поданных оптических сигналов.
Простота данного устройства для деления оптических сигналов и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.