ОПТИЧЕСКИЙ НАНОСУММАТОР
OPTICAL NANO-ADDER

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.
Известные различные сумматоры, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983], обеспечивают сложение двоичных чисел.
Недостатком этих сумматоров являются большая сложность, низкое быстродействие и невозможность наноразмерного исполнения.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое вычитающее наноустройство, содержащее источник постоянного оптического сигнала, входной оптический нановолоконный Y-разветвитель, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два входных оптических нановолоконных объединителя, два оптических N-входных нановолоконных объединителя, две телескопические нанотрубки [патент №2364906, Россия, 2009. Оптическое вычитающее наноустройство / Соколов С.В., Каменский В.В.].
Недостатком данного оптического вычитающего наноустройства является невозможность выполнения сложения двоичных чисел.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи суммирования оптических двоичных чисел и получения результата в виде сигнала суммы S и сигнала переноса Р с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации, задачи упрощения устройства и задачи реализации устройства в наноразмерном исполнении.
Поставленные задачи возникают при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемо-передающих наноустройств, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах.
Заявленное устройство строится на основе оптических нановолокон, варианты технического исполнения которых описаны в [Оптика наноструктур / Под редакцией А.В.Федорова: СПб. «Недра», 2005 г.; Krenn J.R., Dereux A., Weeber J.C., et al. Squeezing the optical near-field zone by plasmon coupling of metal nanoparticles. Physical Review Letters, 1999, 82, 12, 2590], и телескопических нанотрубок, под которыми понимается пара вложенных одна в другую нанотрубок [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены источник постоянного оптического сигнала, четыре оптических нановолокна, оптический нановолоконный четырехвыходной разветвитель, входной оптический нановолоконный трехвходной объединитель, причем входами устройства являются входы входного оптического нановолоконного трехвходного объединителя, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя, выходы оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя оптически связаны со входами четырех оптических нановолокон, выходы первого и третьего оптических нановолокон оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного Y-объединителя, выходы второго и четвертого оптических нановолокон оптически связаны со входами второго оптического нановолоконного объединителя, выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя, причем выходы всех оптических нановолокон и выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, телескопические нанотрубки расположены между выходом входного оптического нановолоконного трехвходного объединителя и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, выходами устройства являются выходы первого и второго оптических нановолоконных объединителей.
На чертеже представлена функциональная схема оптического наносумматора.
j
i
i
1
2
i
Устройство состоит из четырех оптических нановолокон 1, j=1,4, двух оптических нановолоконных объединителей 2, i=1,2, оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя 3, двух телескопических нанотрубок 4, i=1,2 (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка), двух источников постоянного оптического сигнала 5, i=1,2, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6, входного оптического нановолоконного трехвходного объединителя 7, оптического нановолоконного N-входного объединителя 8.
Входами устройства «a», «b», «c» являются входы входного оптического нановолоконного трехвходного объединителя 7.
1
2
Выходом суммы S является выход первого оптического нановолоконного объединителя 2. Выходом переноса Р является выход второго оптического нановолоконного объединителя 2.
1
1
4
1
3
1
2
4
2
Выход первого источника постоянного оптического сигнала 5 подключен ко входу оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя 3. Выходы оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя 3 оптически связаны со входами четырех оптических нановолокон 1-1. Выходы первого и третьего оптических нановолокон 1, 1 оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного объединителя 2. Выходы второго и четвертого оптических нановолокон 1, 1 оптически связаны со входами второго оптического нановолоконного объединителя 2.
2
Выход второго источника постоянного оптического сигнала 5 подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6. Выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6 оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя 8.
1
2
3
4
Оптический поток с выходов оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя 3 и с выходов оптических нановолокон 1, 1, 1, 1 распространяется по оси OY, оптический поток от оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6 распространяется по оси OZ (см. чертеж).
1
2
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходом входного оптического нановолоконного трехвходного объединителя 7 и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя 8 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под воздействием разности давлений световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность давлений 5-15 нH), 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]).
1
1
1
4
1
4
1
2
В крайнем левом (исходном) положении внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 6 и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя 8. Кроме этого внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя 3 и входами оптических нановолокон 1-1. При этом оптические связи между выходами оптических нановолокон 1-1 и входами оптических нановолоконных объединителей 2 и 2 присутствуют.
Устройство работает следующим образом.
2
С выхода второго источника постоянного оптического сигнала 5 сигнал с интенсивностью N·K усл. ед. (N - количество выходов N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 6) поступает на вход N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 6, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K усл. ед.
0
Пусть на входах устройства «a», «b», «c» оптические сигналы отсутствуют. Тогда оптический сигнал на выходе входного оптического нановолоконного трехвходного объединителя 7 будет равен I=0+0+0=0 усл. ед.
Внутренняя нанотрубка будет находиться в крайнем левом (исходном) положении (величина перемещения «X» будет равна 0), за счет воздействия постоянного оптического сигнала с выхода N-входного оптического нановолоконного объединителя 8 при ее отклонении от данного положения. Оптические сигналы на выходах S и P будут иметь интенсивность 0 усл. ед.
1
Пусть на любой из входов устройства «a», «b» или «c» подан оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед., а на оставшиеся входы соответственно - 0 усл. ед. Этому условию соответствует любая из следующих комбинаций сигналов: 010, 100, 001. Оптический сигнал на выходе входного оптического нановолоконного трехвходного объединителя 7 при этом будет равен I=1+0+0=1 усл. ед.
1
1
Тогда на внутреннюю нанотрубку 4 будет действовать разность световых давлений: давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе входного оптического нановолоконного трехвходного объединителя 7 - F=Z·I (Z - коэффициент пропорциональности), и давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 8 (в начальный момент равного нулю).
1
1
1
Под действием разности световых давлений внутренняя нанотрубка 4 из крайнего левого положения начнет перемещаться вправо, интенсивность светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 8 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «X» внутренней нанотрубки 4. Т.к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки 4 составляют единицы микрон, а диаметры оптических нановолокон - нанометры, 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 выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 8 будет равна «K·X», где «K» - интенсивность постоянного оптического сигнала.
1
Оптический сигнал с интенсивностью «K·X» формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 4 вправо, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «X» замедляется.
1
По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 4) величина перемещения «X» будет равна
1
1
X=I/K.
1
-15
-16
-9
-9
-10
(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 4(≈10-10 г), силой трения при ее движении (≈10 н), интенсивностью «K» постоянного оптического сигнала, интенсивностью I входного оптического сигнала и составляет ≈10-10с.)
1
1
1
1
1
Смещение внутренней нанотрубки 4 вправо на X приведет к образованию связи между первым выходом оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя 3 и входом оптического нановолокна 1, но не приведет к разрыву оптической связи между выходом оптического нановолокна 1 и входом выходного оптического нановолоконного объединителя 2.
1
1
1
Оптический сигнал от первого источника постоянного оптического сигнала 5 поступит на вход оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя 3, с первого выхода которого с интенсивностью 1 усл. ед. поступит далее на вход первого оптического нановолокона 1 и через первый оптический нановолоконный объединитель 2 поступит на выход устройства S.
Оптический сигнал на выходе устройства S будет равен 1 усл. ед., а на выходе устройства P - по-прежнему 0 усл. ед.
2
1
Пусть теперь на любой из входов устройства «a», «b» или «b» подан оптический сигнал с интенсивностью 0 усл. ед., а на оставшиеся входы - оптические сигналы с интенсивностью 1 усл. ед. Этому условию соответствует любая из следующих комбинаций сигналов: 110, 011, 101. Оптический сигнал на выходе входного оптического нановолоконного трехвходного объединителя 7 при этом будет равен I=0+1+1=2 усл. ед. Тогда внутренняя нанотрубка 4 начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна
2
2
X=I/K.
2
1
1
2
1
1
В положении X внутренняя нанотрубка 4 не препятствует образованию оптических связей между первым и вторым выходами оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя 3 и входами оптических нановолокон 1 и 1, но препятствует образованию оптической связи между выходом оптического нановолокна 1 и входом оптического нановолоконного объединителя 2. Следовательно, оптический сигнал на выходе устройства S будет равен 0 усл. ед.
1
2
2
При этом оптический сигнал от первого источника постоянного оптического сигнала 5 поступает на вход оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя 3, со второго выхода которого с интенсивностью 1 усл. ед. поступает далее на вход второго оптического нановолокна 1. И затем через второй оптический нановолоконный объединитель 2 поступает на выход устройства P.
Оптический сигнал на выходе устройства P будет равен 1 усл. ед.
3
1
Пусть теперь на все входы устройства «a», «b» и «c» поданы оптические сигналы с интенсивностями 1 усл. ед. Этому условию соответствует комбинация сигналов: 111. Интенсивность оптического сигнала на выходе входного оптического нановолоконного трехвходного объединителя 7 будет равна I=1+1+1=3 усл. ед. При этом внутренняя нанотрубка 4 начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна
3
3
X=I/K.
3
1
1
4
1
2
1
2
В положении X внутренняя нанотрубка 4 не препятствует образованию оптических связей между выходами оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя 3 и входами оптических нановолокон 1-1, но препятствует образованию оптических связей между выходами оптических нановолокон 1, 1 и входами оптических нановолоконных Y-объединителей 1 и 2.
1
3
4
1
2
Оптический сигнал от первого источника постоянного оптического сигнала 5 поступит на вход оптического нановолоконного четырехвыходного разветвителя 3, с третьего и четвертого выходов которого поступит с интенсивностями 1 усл. ед. на входы третьего и четвертого оптических нановолокон 1 и 1. Затем, пройдя через первый оптический нановолоконный объединитель 2, оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. поступит на выход устройства S, а пройдя через второй оптический нановолоконный объединитель 2, оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. поступит на выход устройства P.
Таким образом, устройство осуществляет суммирование входных оптических сигналов, поступающих на входы «a» и «b», с учетом сигнала переноса из младшего разряда на входе «c», формируя в результате сигнал суммы S и сигнал переноса P.
Простота данного оптического наносумматора, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.