ОПТИЧЕСКИЙ НАНОГЕНЕРАТОР
OPTICAL NANOGENERATOR

Изобретение относится к средствам оптической импульсной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации и оптических вычислительных машинах в качестве источника тактовых импульсов.
Известным оптическим генератором является оптический мультивибратор, состоящий из оптических волноводов, оптических разветвителей и оптических бистабильных элементов [Патент №2050017, Россия, 1995. Оптический мультивибратор. / Соколов С.В.].
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и невозможность реализации устройства в наноразмерном исполнении.
Существенные признаки указанного аналога, общие с заявляемым устройством, - оптические волноводы, оптический разветвитель.
Наиболее близким по техническому исполнению к заявленному устройству является оптический нанокомпаратор [Патент №2357275 РФ. Оптический нанокомпаратор. / Соколов С.В., Каменский В.В., 2009 г., БИ №15], содержащий входные и выходные оптические нановолноводы, телескопические нанотрубки, источник постоянного сигнала.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, - телескопические нанотрубки, источник постоянного сигнала, выходные оптические нановолноводы.
Недостатком прототипа является невозможность генерации оптических импульсов.
Задачами изобретения являются создание оптического устройства, способного генерировать как когерентные, так и некогерентные оптические импульсы, а также реализация устройства в наноразмерном исполнении.
Техническим результатом является расширение возможностей устройства за счет выполнения функций генератора оптических импульсов при реализации последнего в наноразмерном исполнении.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический наногенератор, содержащий пару телескопических нанотрубок, оптический источник постоянного сигнала, два выходных оптических нановолновода, введены источник постоянного сигнала, источник электрического питания, группа электрических контактов, два оптических нановолноводных Y-разветвителя, выход источника электрического питания подключен ко входу первого источника постоянного сигнала через группу электрических контактов, выход второго источника постоянного сигнала подключен ко входу первого оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход которого оптически связан со входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко входу первого выходного оптического нановолновода, а второй выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя оптически связан со вторым выходным оптическим нановолноводом, пара телескопических нанотрубок расположена между выходом первого источника постоянного сигнала и вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя таким образом, что в исходном положении внутренняя нанотрубка пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между первым выходом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом первого выходного оптического нановолновода, при этом присутствует оптическая связь между вторым выходом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом второго выходного оптического нановолновода, а также замкнута группа электрических контактов, в крайнем правом положении внутренняя нанотрубка пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между вторым выходом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом второго выходного оптического нановолновода и размыкает группу электрических контактов, при этом присутствует оптическая связь между первым выходом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом первого выходного оптического нановолновода, выход первого выходного оптического нановолновода является первым выходом устройства, выход второго выходного оптического нановолновода является вторым выходом устройства.
Заявленное устройство строится на основе оптических нановолноводов, 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].
Функциональная схема оптического наногенератора показана на фигуре 1.
Оптический наногенератор содержит:
1
2
1
2
- 1, 1, - два источника постоянного излучения (ИИ); интенсивность излучения первого ИИ 1 составляет m усл(овных) ед(иниц); интенсивность излучения второго ИИ 1 составляет 4×n усл.ед.; причем 2×n<m;
- 2 - источник электрического питания (ИЭП);
- 3 - группу электрических контактов;
1
2
- 4, 4 - первый и второй оптические нановолноводные Y-разветвители;
1
2
1
2
- 5, 5 - пару телескопических нанотрубок, содержащую внутреннюю нанотрубку 5 и внешнюю нанотрубку 5;
1
2
- 6, 6 - первый и второй выходные оптические нановолноводы.
1
Первый ИИ 1 включен в цепь ИЭП 2, замыкаемую группой электрических контактов 3.
2
1
2
Выход второго ИИ 1 подключен ко входу первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4, первый выход которого оптически связан со входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4.
2
1
2
Первый выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 оптически связан со входом первого выходного оптического нановолновода 6, а второй выход оптически связан со входом второго выходного оптического нановолновода 6.
1
2
1
1
Пара телескопических нанотрубок 5, 5 расположена между выходом первого ИИ 1 и вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 по оси распространения их оптических сигналов.
1
1
2
2
1
2
2
В исходном состоянии внутренняя нанотрубка 5 пары телескопических нанотрубок 5, 5 разрывает оптическую связь между первым выходом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом первого выходного оптического нановолновода 6 - при этом присутствует оптическая связь между вторым выходом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго выходного оптического нановолновода 6, а также замкнута группа электрических контактов 3.
1
1
2
2
2
2
1
В крайнем правом положении внутренняя нанотрубка 5 пары телескопических нанотрубок 5, 5 разрывает оптическую связь между вторым выходом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго выходного оптического нановолновода 6 и размыкает группу электрических контактов 3, при этом присутствует оптическая связь между первым выходом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом первого выходного оптического нановолновода 6.
1
1
2
Под воздействием силы, обусловленной давлением светового потока или разностью давлений световых потоков (оптические мощности 1-5 ватт создают силы 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 5 пары телескопических нанотрубок 5, 5, будет перемещаться в направлении оптического потока с большей интенсивностью (при этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимая сила для перемещения нанотрубки составляет аттоньютоны [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators. / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]).
1
2
Выход первого выходного оптического нановолновода 6 является первым выходом устройства (Выход 1), выход второго выходного оптического нановолновода 6 является вторым выходом устройства (Выход 2).
Работа устройства протекает следующим образом.
2
1
2
2
1
1
1
2
С выхода второго ИИ 1 оптический поток с интенсивностью 4×n усл.ед. поступает на вход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4, с первого и второго выходов которого формируются оптические потоки с интенсивностью по 2×n усл.ед. каждый. Первый из них поступает на вход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4. На первом и втором выходах второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 формируются оптические потоки с интенсивностью по n усл.ед. каждый. Со второго выхода первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 оптический поток с интенсивностью 2×n усл.ед. поступает на внутреннюю нанотрубку 5 пары телескопических нанотрубок 5, 5.
2
В исходном положении на выходе второго выходного оптического нановолновода 6 (на «Выходе 2» устройства) формируется оптический поток с интенсивностью n усл.ед.
1
1
2
1
1
1
1
2
Одновременно внутренняя нанотрубка 5 пары телескопических нанотрубок 5, 5 в исходном положении замыкает группу электрических контактов 3. При этом на вход первого ИИ 1 подается напряжение от ИЭП 3. С выхода первого ИИ 1 оптический поток с интенсивностью m>2×n усл.ед. поступает на внутреннюю нанотрубку 5 пары телескопических нанотрубок 5, 5.
1
1
2
2
2
2
1
2
1
Под действием разности силы давлений оптических потоков внутренняя нанотрубка 5 пары телескопических нанотрубок 5, 5 начнет перемещаться вправо и займет правое крайнее положение. При этом будет отсутствовать оптическая связь между вторым выходом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго выходного оптического нановолновода 6. Кроме того, будет присутствовать оптическая связь между первым выходом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом первого выходного оптического нановолновода 6, а также разомкнута группа электрических контактов 3. Следовательно, с выхода второго выходного оптического нановолновода 6 (на «Выходе 2» устройства) оптический поток с интенсивностью n усл.ед. больше формироваться не будет, а на выходе первого выходного оптического нановолновода 6 (на «Выходе 1» устройства) появится оптический поток с интенсивностью n усл.ед.
1
1
1
1
2
Так как в крайнем правом положении группа электрических контактов 3 разомкнута, то на вход первого ИИ 1 напряжение от ИЭП 3 не подается. С выхода первого ИИ 1 оптический поток с интенсивностью m>2×n усл.ед. поступающий ранее на внутреннюю нанотрубку 5 пары телескопических нанотрубок 5, 5, больше не формируется.
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
Под действием силы давления от оптического потока со второго выхода первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 с интенсивностью 2×n усл.ед. внутренняя нанотрубка 5 пары телескопических нанотрубок 5, 5 начнет перемещаться влево и займет крайнее левое - исходное положение. При этом будет отсутствовать оптическая связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом первого выходного оптического нановолновода 6. Кроме того, будет присутствовать оптическая связь между вторым выходом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго выходного оптического нановолновода 6, a также замкнута группа электрических контактов 3. Следовательно, с выхода первого выходного оптического нановолновода 6 (на «Выходе 1» устройства) оптический поток с интенсивностью n усл.ед. больше формироваться не будет, а на выходе второго выходного оптического нановолновода 6 (на «Выходе 2» устройства) появится оптический поток с интенсивностью n усл.ед.
Устройство пришло в исходное состояние. Дальнейшее функционирование оптического наногенератора осуществляется аналогично вышеизложенному.
-15
-16
-10
-10
-12
9
10
-1
Частота генерируемых импульсов определяется массой внутренней нанотрубки (≈10-10 г), силой трения при ее движении (≈10 Н), интенсивностью и динамическими характеристиками источников излучения (для источников излучения, выполненных в варианте инжекционного лазерного диода, быстродействие составляет порядка 10…10 с [Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. / Ю.Р.Носов. - М.: Изд-во «Радио и связь», 1989. - 360 с.]) и составляет ≈10-10 с.