ОПТИЧЕСКИЙ НАНОУСИЛИТЕЛЬ
OPTICAL NANO-AMPLIFIER

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемопередающих устройств.
Известен оптический усилитель, обеспечивающий усиление входного оптического сигнала [Патент №2115156, Россия, 1998. Оптический усилитель. / Соколов С.В. и др.] и содержащий оптические бистабильные элементы, оптический разветвитель, оптический выходной объединитель.
Недостатками этого оптического усилителя являются сложность и невозможность наноразмерного исполнения.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое вычитающее устройство, 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 - внутреннюю и внешнюю [Патент №2364906, Россия, 2009. Оптическое вычитающее наноустройство. / Соколов С.В., Каменский В.В.].
Недостатком данного оптического вычитающего наноустройства является невозможность выполнения функции усиления оптических сигналов.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи усиления оптических сигналов, задачи упрощения устройства и задачи реализации устройства в наноразмерном исполнении.
Поставленные задачи возникают при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемопередающих наноустройств, обеспечивающих обработку информации в гигагерцовом диапазоне.
Заявленное устройство строится на основе оптических нановолокон, варианты технического исполнения которых описаны в Оптика наноструктур. / Под редакцией А.В. Федорова: СПб.: «Недра», 2005; 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 [Multi-walled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators. / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
Сущность изобретения состоит в том, что в него введены входное оптическое нановолокно, оптический нановолоконный P-выходной разветвитель (P=N+M) и оптический M-входной нановолоконный объединитель обратной связи, причем входом устройства является вход входного оптического нановолокна, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами оптического Q-входного нановолоконного объединителя, выход которого подключен ко входу оптического нановолоконного P-выходного разветвителя, выходы которого от (N+1)-го до (N+M)-го подключены к соответствующим входам оптического M-входного нановолоконного объединителя обратной связи, а телескопические нанотрубки расположены между выходами входного оптического нановолокна и оптического M-входного нановолоконного объединителя обратной связи по оси распространения их выходных оптических сигналов, а первые N выходов оптического нановолоконного P-выходного разветвителя являются выходами устройства.
На фиг.1 представлена функциональная схема оптического наноусилителя, реализующего в данном схемном исполнении функцию усиливающего оптического наноразветвителя.
i
i=1,2
1
2
Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 2, оптического Q-входного нановолоконного объединителя 3, двух телескопических нанотрубок 4,, (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка), входного оптического нановолокна 5, оптического нановолоконного P-выходного разветвителя 6, оптического M-входного нановолоконного объединителя 7 обратной связи.
Входом устройства I является вход входного оптического нановолокна 5. Выходами устройства являются первые N выходов оптического нановолоконного P-выходного разветвителя 6 (P=N+M).
Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 2. Выходы оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 2 оптически связаны со входами оптического Q-входного нановолоконного объединителя 3.
1
2
1
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходами входного оптического нановолокна 5 и оптического M-входного нановолоконного объединителя 7 обратной связи по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под действием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность сил 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 4 будет перемещаться в сторону оптического потока с меньшей 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]). В исходном положении внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 2 и входами оптического Q-входного нановолоконного объединителя 3.
1
N
Выход оптического Q-входного нановолоконного объединителя 3 подключен ко входу оптического нановолоконного P-выходного разветвителя 6, выходы которого от (N+1)-го до (N+M)-го подключены ко входам оптического М-входного нановолоконного объединителя 7 обратной связи, а выходы от 1-го до N-го являются выходами оптического наноусилителя O…O при реализации им функции усиливающего оптического наноразветвителя.
Устройство работает следующим образом.
На вход устройства I подается усиливаемый оптический сигнал с интенсивностью E усл.ед., который поступает на вход входного оптического нановолокна 5.
С выхода источника постоянного оптического сигнала 1 сигнал с интенсивностью Q-K усл.ед. (Q-количество выходов Q-выходного оптического нановолоконного разветвителя 2) поступает на вход Q-выходного оптического нановолоконного разветвителя 2, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K усл.ед.
1
До подачи на вход I оптического сигнала устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4 находится в крайнем левом (исходном) положении.
1
1
2
1
2
j
j
При поступлении на вход устройства I оптического сигнала с интенсивностью Е на внутреннюю нанотрубку 4 будет действовать разность сил F и F, пропорциональных интенсивностям световых потоков на выходах входного оптического нановолокна 5 (I=E) и оптического M-входного нановолоконного объединителя 7 обратной связи (в начальный момент времени I=0):F=Z·I, где Z - коэффициент пропорциональности.
1
1
1
1
1
Внутренняя нанотрубка 4 из начального положения начнет перемещаться вправо, интенсивность светового потока на входе Q-входного оптического нановолоконного объединителя 3 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения X внутренней нанотрубки 4. Т.к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки 4 составляют 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 выходе Q-входного оптического нановолоконного объединителя 3 будет равна K·X. Оптический сигнал с интенсивностью K·X поступает далее на вход оптического нановолоконного P-выходного разветвителя 6. С его выходов - от (N+1)-го до (N+M)-го оптический сигнал поступает на вход оптического M-входного нановолоконного объединителя 7 обратной связи. С выхода оптического M-входного нановолоконного объединителя 7 обратной связи оптический сигнал с интенсивностью K·X·M/(N+M) поступает на внутреннюю нанотрубку 4 и 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
X=E·(N+M)/(K·M).
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 E входного оптического сигнала и составляет ≈10-10 с.)
1
N
Интенсивность сигнала на каждом из выходов O…O при этом будет равна
J=K·X/(N+M)=E·(1/M).
1
N
Если, в частном случае, M=1, то J=E·(1/M)=E. Т.е. в этом случае на каждом выходе устройства O…O формируется сигнал, интенсивность которого равна интенсивности входного оптического сигнала - оптический наноусилитель реализует функцию усиливающего оптического наноразветвителя (аналога набора активных оптических волокон).
Функциональная схема оптического наноусилителя, реализующего непосредственно функцию усиления оптического сигнала, представлена на фиг.2.
По сравнению с оптическим наноусилителем, представленным на фиг.1, устройство дополнительно содержит N-входной оптический нановолоконный объединитель 8, входы которого оптически связаны с выходами - с 1-го по N-й оптического нановолоконного P-выходного разветвителя 6, а выход является выходом устройства.
Работа оптического наноусилителя непосредственно в режиме усиления оптического сигнала при этом аналогична вышеописанной, с той лишь разницей, что на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 8 (выходе устройства) формируется оптический сигнал, интенсивность которого равна
J=K·X·N/(N+M)=E·(N/M),
где N/M - коэффициент усиления оптического наноусилителя (N>M).
Простота данного оптического наноусилителя, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемопередающих наноустройств.