ОПТИЧЕСКИЙ НАНОСЕЛЕКТОР МИНИМАЛЬНОГО СИГНАЛА
OPTICAL MINIMUM SIGNAL NANOSELECTOR

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических наноустройствах обработки информации для выбора (селекции) минимального сигнала из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход.
Известным оптическим селектором минимального сигнала является селектор минимального сигнала [А.с.№1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала /Соколов С.В. и др.], предназначенный для вычисления минимального сигнала из совокупности оптических сигналов, поданных на его вход. Селектор минимального сигнала содержит дифференциальные оптроны, входные оптические волноводы.
Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптические волноводы.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и невозможность реализации устройства в наноразмерном исполнении.
Наиболее близким по техническому исполнению к заявленному устройству является оптический нанокомпаратор [патент РФ №2357275. 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, входные оптические нановолноводы.
Недостатком прототипа является невозможность определения минимального сигнала из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход.
Задачами изобретения являются создание оптического устройства, способного определять минимальный сигнал из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход и формировать на выходе устройства оптический поток с интенсивностью излучения, пропорциональной этому минимальному сигналу, а также реализация устройства в наноразмерном исполнении.
Техническим результатом является расширение возможностей устройства за счет выполнения функции определения минимального сигнала из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход, и формирования на выходе устройства оптического потока с интенсивностью излучения, пропорциональной этому минимальному сигналу, при реализации устройства в наноразмерном исполнении.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический наноселектор минимального сигнала, содержащий телескопические нанотрубки, оптический источник постоянного сигнала, входные оптические нановолноводы, введены два оптических n-выходных нановолноводных разветвителя, оптический n-входной нановолноводный объединитель, оптический нановолноводный Y-разветвитель, i-м входом оптического наноселектора минимального сигнала является вход i-го входного оптического нановолновода (i=1, 2,…, n), выход оптического источника постоянного сигнала подключен ко входу первого оптического n-выходного нановолноводного разветвителя, i-й выход которого оптически связан с i-м входом оптического n-входного нановолноводного объединителя (i=1, 2,…, n), выход которого подключен ко входу оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу второго оптического n-выходного нановолноводного разветвителя, а i-я пара телескопических нанотрубок расположена между i-м выходом второго оптического n-выходного нановолноводного разветвителя и выходом i-го входного оптического нановолновода по оси распространения их выходных оптических сигналов таким образом, что в исходном положении внутренняя нанотрубка любой пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между выходами первого оптического n-выходного нановолноводного разветвителя и соответствующими входами оптического n-входного нановолноводного объединителя, а при крайнем левом положении всех внутренних нанотрубок пар телескопических нанотрубок присутствует оптическая связь между всеми выходами первого оптического n-выходного нановолноводного разветвителя и соответствующими входами оптического n-входного нановолноводного объединителя (i=1, 2,…, n), а второй выход оптического нановолноводного Y-разветвителя является 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 наноселектора минимального сигнала показана на фигуре 1.
Оптический наноселектор минимального сигнала содержит:
1
2
n
- 1,1,…,1-n входных оптических нановолноводов;
2
- 2 - источник постоянного излучения (ИИ) с интенсивностью 2×nусл(овных) ед(иниц);
1
2
- 3, 3 - первый и второй оптические нановолноводные n-выходные разветвители;
11
12
21
22
n1
n2
- 4, 4, 4, 4,…, 4, 4 - n пар телескопических нанотрубок;
- 5 - оптический n-входной нановолноводный объединитель;
- 6 - оптический нановолноводный Y-разветвитель.
i
Оптический наноселектор минимального сигнала имеет n входов, причем i-м входом является вход 1-го входного оптического нановолновода 1 (i=1, 2,…, n).
1
Выход ИИ 2 подключен ко входу первого оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3, 1-й выход которого имеет оптическую связь с 1-м входом оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (i=1, 2,…,n).
2
Выход оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 подключен ко входу оптического нановолноводного Y-разветвителя 6, первый выход которого подключен ко входу второго оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3, а второй выход является выходом устройства.
i1
i2
i
2
Каждая i-я пара телескопических нанотрубок 4, 4 расположена между выходом i-го входного оптического нановолновода 1 и i-м выходом второго оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 по оси распространения их выходных оптических сигналов.
i1
i1
i2
Под воздействием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность сил 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 4 i-й пары телескопических нанотрубок 4, 4 (i=1,2,…,n) 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]).
i1
i1
i2
11
21
n1
11
12
21
22
n1
n2
1
В крайнем правом (исходном) положении любая внутренняя нанотрубка 4 i-й пары телескопических нанотрубок 4, 4 разрывает оптическую связь между выходами первого оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3i и соответствующими входами оптического n-входного нановолноводного объединителя 5, а при крайнем левом положении всех внутренних нанотрубок 4, 4,…, 4 n пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4 образуется оптическая связь между выходами первого оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и соответствующими входами оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (i=1, 2,…, n).
Работа устройства протекает следующим образом.
2
1
С выхода ИИ 2 оптический поток с интенсивностью 2×n усл. ед. поступает на вход первого оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3, с каждого i-го выхода которого формируется оптический поток с интенсивностью 2×n усл. ед.
1
11
21
n1
11
12
21
22
n1
n2
В исходном состоянии (когда на входы оптического наноселектора минимального сигнала не подаются оптические сигналы) оптические потоки с выходов первого оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 не пройдут на входы оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (будут поглощаться), так как все внутренние нанотрубки 4, 4,…, 4 n пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4 находятся в крайних правых положениях.
1
2
n
1
2
n
11
21
1
11
12
21
22
1
2
Пусть далее совокупность n оптических сигналов, интенсивность минимального из которых равна k усл. ед. (k<n), подается на входы оптического наноселектора минимального сигнала, т.е. на входы входных оптических нановолноводов 1, 1,…, 1. Далее с выходов входных оптических нановолноводов 1, 1,…, 1 эти оптические сигналы поступают на соответствующие внутренние нанотрубки 4, 4,…, 4n n пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4n, 4n.
11
21
n1
11
12
21
22
1
2
1
Под действием сил давлений входных оптических потоков внутренние нанотрубки 4, 4,…, 4 n пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4n, 4n начнут перемещаться влево. По мере их перемещения влево будет появляться оптическая связь между выходами первого оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и соответствующими входами оптического n-входного нановолноводного объединителя 5.
1
2
При появлении оптической связи между 1-м, 2-м,…, k-м выходами первого оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и 1-м, 2-м,…, k-м входами оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 на выходе оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 формируется оптический поток с интенсивностью 2×k×n усл. ед. Далее этот оптический поток поступает на вход оптического нановолноводного Y-разветвителя 6, с первого выхода которого формируется оптический поток с интенсивностью k×n усл. ед., поступающий на вход второго оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3.
2
11
21
1
11
12
21
22
n1
n2
На каждом выходе второго оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 формируются оптические потоки с интенсивностью k усл. ед., которые поступает на внутренние нанотрубки 4, 4,…, 4n n пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4.
Допустим, что оптический поток с минимальной интенсивностью k усл. ед. поступает на i-й вход оптического наноселектора минимального сигнала.
i1
i1
i2
11
21
i-1
1
i+1,1
n1
11
12
21
22
i-1,1
i-12
i+1,1
i+12
n1
n2
1
i1
i1
i2
-9
Так как на 1-м входе оптического наноселектора минимального сигнала присутствует оптический поток с интенсивностью k усл. ед., то внутренняя нанотрубка 4 i-й пары телескопических нанотрубок 4, 4 - единственная из всех внутренних нанотрубок по окончании переходного процесса (≈10 с) прекратит свое движение влево и остановится (т.к. с двух сторон на нее будут действовать два одинаковых по интенсивности оптических потока - входной и обратной связи). Остальные внутренние нанотрубки 4, 4,… 4,, 4,…, 4 n-1 пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4, 4, 4,…, 4, 4 займут крайнее левое положение, так как интенсивность входных оптических потоков на 1-м, 2-м,…, (i-1)-м, (i+1)-м,…, n-м входах оптического селектора минимального сигнала будет больше интенсивности (k усл. ед.) оптического потока обратной связи. При этом будет отсутствовать оптическая связь между (k+1)-м, (k+2)-м,…, n-м выходами первого оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и (k+1)-м, (k+2)-м,…, n-м входами оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 - оптические потоки будут поглощаться внутренней нанотрубкой 4 i-й пары телескопических нанотрубок 4, 4.
Одновременно со второго выхода оптического нановолноводного Y-разветвителя 6 формируется оптический поток с интенсивностью k×n усл. ед., пропорциональной интенсивности минимального оптического потока из совокупности оптических потоков, подаваемых на вход устройства.
11
21
n1
11
12
21
22
n1
n2
2
После прекращения подачи на вход оптического наноселектора минимального сигнала совокупности n оптических потоков внутренние нанотрубки 4, 4,…, 4 n пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4 займут крайнее правое (исходное) положение за счет давления оптических потоков обратной связи с интенсивностью k×n усл. ед. с выходов второго оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3. Оптический наноселектор минимального сигнала приходит в исходное состояние.
Таким образом, оптический наноселектор минимального сигнала определяет минимальный сигнал из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход, и формирует на своем выходе оптический поток с интенсивностью, пропорциональной интенсивности этого минимального сигнала.
-15
-16
-10
-9
Быстродействие оптического наноселектора минимального сигнала определяется массой внутренней нанотрубки (≈10-10 г), силой трения при ее движении (≈10 н), разностью интенсивностей оптических сигналов и составляет ≈10 с. Для существующих оптических систем обработки информации и сигналов подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.