ОПТИЧЕСКИЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ НАНОЭЛЕМЕНТ
OPTICAL MULTIFUNCTIONAL LOGIC NANOELEMENT

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемопередающих наноустройств.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является устройство, реализующее логические элементы И, ИЛИ, НЕ на основе трансфазора, содержащего интерферометр Фабри-Перро [А.А. Акаев, С.А. Майоров. Оптические методы обработки информации. 1988 г. 240 с. Рис.7.6, стр.198].
Недостатками данного устройства являются необходимость использования только когерентных оптических сигналов и невозможность реализации в наноразмерном исполнении.
Заявленное устройство направлено на возможность выполнения логических операций "И", "ИЛИ", "НЕ" как с когерентными, так и с некогерентными оптическими сигналами с быстродействием, потенциально возможным для оптических схем, реализуемых в наноразмерном исполнении.
Поставленная задача возникает при разработке и создании чисто оптических вычислительных наномашин или приемопередающих 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, 2002 г.].
Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены источник постоянного оптического сигнала, два оптических нановолоконных объединителя, две телескопические нанотрубки, два выходных оптических нановолокна, оптический нановолоконный трехвыходной разветвитель и оптический нановолоконный Y-разветвитель, причем информационными входами устройства являются входы первого оптического нановолоконного объединителя, а управляющим входом является первый вход второго оптического нановолоконного объединителя, телескопические нанотрубки расположены между выходами первого и второго оптических нановолоконных объединителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя, третий выход которого подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко второму входу второго оптического нановолоконного объединителя, а второй выход является поглощающим, а первый и второй выходы оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя оптически связаны со входами первого и второго выходных оптических нановолокон, при этом в крайних положениях (левом или правом) внутренней телескопической нанотрубки оптическая связь между соответствующими выходами оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя и входами выходных оптических нановолокон отсутствует, выходы первого и второго выходных оптических нановолокон являются выходами устройства.
На чертеже представлена функциональная схема оптического многофункционального логического наноэлемента.
i
i=1…2
i
i=1…2
1
2
1
3
Устройство состоит из двух оптических нановолоконных объединителей 1, , двух телескопических нанотрубок 2, , (2 - внутренняя нанотрубка, 2 - внешняя нанотрубка), двух выходных оптических нановолокон 3, 3, источника постоянного оптического сигнала 4, оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5, оптического нановолоконного Y-разветвителя 6.
1
2
Информационными входами устройства «X1» и «Х2» являются входы первого оптического нановолоконного объединителя 1, а управляющим входом «F» является первый вход второго оптического нановолоконного объединителя 1.
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
Телескопические нанотрубки 2, 2 расположены между первым и вторым оптическими нановолоконными объединителями 1 и 1 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Выход источника постоянного оптического сигнала 4 подключен ко входу оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5. Выход первого оптического разветвления оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 оптически связан со входом первого выходного оптического нановолокна 3, выход которого является первым выходом устройства «Y1», а выход второго оптического разветвления оптического нановолоконного разветвителя 5 оптически связан со входом второго выходного оптического нановолокна 3, выход которого является вторым выходом устройства «Y2». Выход третьего оптического разветвления оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя 6, первый выход которого подключен ко второму входу второго оптического нановолоконного объединителя 1, а второй выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 6 является поглощающим. В крайних положениях (левом или правом) внутренней нанотрубки 2 оптическая связь между первым и вторым выходами оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 и входами выходных оптических нановолокон 3 и 3 отсутствует.
Оптический многофункциональный логический наноэлемент может работать в одном из трех режимов.
В режиме инверсии (логического элемента "НЕ")
на входах "F" и "XI" оптические сигналы отсутствуют (интенсивность сигналов 0 усл. ед.). Входной информационный сигнал подается на вход Х2.
1
1
2
2
1
Пусть на вход "Х2" подан оптический сигнал интенсивности 1 усл. ед., который, пройдя первый оптический нановолоконный объединитель 1, оказывает соответствующее световое давление на нанотрубку 2. Одновременно сигнал с интенсивностью 3 усл. ед. с выхода источника постоянного оптического сигнала 4 поступает на вход оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5, формируя на каждом его выходе оптический сигнал интенсивности 1 усл. ед. Сигнал с третьего выхода оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 поступает на вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 6, где, уменьшившись по интенсивности в два раза, с интенсивностью 0,5 усл. ед. поступает на вход второго оптического нановолоконного объединителя 1. Световой поток с выхода второго оптического нановолоконного объединителя 1 оказывает соответствующее световое давление на внутреннюю нанотрубку 2.
1
2
1
Под действием разности световых давлений, создаваемых информационным входным оптическим потоком (с интенсивностью 1 усл. ед.) и вспомогательным оптическим потоком (с интенсивностью 0,5 усл. ед.), внутренняя нанотрубка 2 переместится в крайнее правое положение, разрывая оптическую связь между вторым выходом оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 и входом второго выходного оптического нановолокна 3 (и одновременно формируя оптическую связь между первым выходом оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 и входом первого выходного оптического нановолокна 3). В результате интенсивность оптического сигнала на выходе устройства Y1 будет равна 1 усл. ед., а на выходе Y2 - 0 усл. ед.
2
1
1
Если на вход "Х2" подан информационный сигнал с интенсивностью 0 усл. ед., то под действием разности световых давлений, создаваемых входным информационным оптическим потоком (0 усл. ед.) и оптическим потоком с выхода второго оптического нановолоконного объединителя 1 (0,5 усл. ед.), внутренняя нанотрубка 2 переместится в крайнее левое положение, разорвав оптическую связь между первым выходом оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 и входом первого выходного оптического нановолокна 3. Информационный оптический сигнал на выходе устройства Y1 будет равен 0 усл. ед., а на выходе Y2 - 1 усл. ед.
Таким образом, сигнал, снимаемый с выхода Y2, будет соответствовать инвертированному сигналу на входе X1:Y2=НЕ (X1).
В режиме логического элемента "ИЛИ"
на вход F подается управляющий оптический сигнал с интенсивностью 0 усл. ед. На входы X1 и Х2 подаются входные оптические сигналы.
1
1
2
2
1
Пусть на вход "X1" подан сигнал интенсивности 0 усл. ед., а на вход "Х2" - сигнал интенсивности 1 усл. ед., который, пройдя первый оптический нановолоконный объединитель 1, оказывает соответствующее световое давление на нанотрубку 2. Одновременно сигнал с интенсивностью 3 усл. ед. с выхода источника постоянного оптического сигнала 4 поступает на вход оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5, формируя на каждом его выходе оптический сигнал интенсивности 1 усл. ед. Сигнал с третьего выхода оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 поступает на вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 6, где, уменьшившись по интенсивности в два раза, с интенсивностью 0,5 усл. ед. поступает на вход второго оптического нановолоконного объединителя 1. Световой поток с выхода второго оптического нановолоконного объединителя 1 оказывает соответствующее световое давление на внутреннюю нанотрубку 2.
1
2
1
Под действием разности световых давлений, создаваемых информационными входными оптическими потоками (с суммарной интенсивностью 1 усл. ед.) и вспомогательным оптическим потоком (с интенсивностью 0,5 усл. ед.), внутренняя нанотрубка 2 переместится в крайнее правое положение, разрывая оптическую связь между вторым выходом оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 и входом второго выходного оптического нановолокна 3 (и одновременно формируя оптическую связь между первым выходом оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 и входом первого выходного оптического нановолокна 3). В результате интенсивность оптического сигнала на выходе устройства Y1 будет равна 1 усл. ед., а на выходе Y2 - 0 усл.ед.
При подаче на вход "X1" сигнала интенсивности 1 усл. ед., а на вход "Х2" - 0 усл. ед, а также при подаче на оба входа "X1" и "Х2" сигналов с интенсивностями 1 усл. ед. работа устройства будет аналогична.
2
1
1
Если на входы "X1" и "Х2" поданы сигналы интенсивности 0 усл. ед., то под действием разности световых давлений, создаваемых входным информационным оптическим потоком (0 усл. ед.) и оптическим потоком с выхода второго оптического нановолоконного объединителя 1 (0,5 усл. ед.), внутренняя нанотрубка 2 переместится в крайнее левое положение, разорвав оптическую связь между первым выходом оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 и входом первого выходного оптического нановолокна 3. Информационный оптический сигнал на выходе устройства Y1 будет равен 0 усл. ед., а на выходе Y2 - 1 усл. ед.
Таким образом, сигнал на выходе Y1 будет равен Y1=ИЛИ (X1, Х2), а на выходе Y2 будет равен Y2=HE (Y1).
В режиме логического элемента "И"
на вход F подается управляющий оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. На входы X1 и Х2 подаются входные оптические сигналы.
1
1
2
2
1
Пусть на входы "X1" и "Х2" поданы сигналы интенсивности 1 усл. ед., которые, пройдя первый оптический нановолоконный объединитель 1, оказывают соответствующее световое давление на нанотрубку 2. Одновременно сигнал с интенсивностью 3 усл. ед. с выхода источника постоянного оптического сигнала 4 поступает на вход оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5, формируя на каждом его выходе оптический сигнал интенсивности 1 усл. ед. Сигнал с третьего выхода оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 поступает на вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 6, где, уменьшившись по интенсивности в два раза, с интенсивностью 0,5 усл. ед. поступает на вход второго оптического нановолоконного объединителя 1. Световой поток с выхода второго оптического нановолоконного объединителя 1 оказывает соответствующее световое давление на внутреннюю нанотрубку 2.
1
2
1
Под действием разности световых давлений, создаваемых информационными входными оптическими потоками (с суммарной интенсивностью 2 усл. ед.) и вспомогательным оптическим потоком (с интенсивностью 1+0,5=1,5 усл. ед.), внутренняя нанотрубка 2 переместится в крайнее правое положение, разрывая оптическую связь между вторым выходом оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 и входом второго выходного оптического нановолокна 3 (и одновременно формируя оптическую связь между первым выходом оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 и входом первого выходного оптического нановолокна 3). В результате интенсивность оптического сигнала на выходе устройства Y1 будет равна 1 усл. ед., а на выходе Y2 - 0 усл.ед.
2
1
1
Если на входы "X1" и "Х2" поданы сигналы интенсивности 0 усл. ед., то под действием разности световых давлений, создаваемых входным информационным оптическим потоком (0 усл.ед.) и оптическим потоком с выхода второго оптического нановолоконного объединителя 1 (1,5 усл. ед.), внутренняя нанотрубка 2 переместится в крайнее левое положение, разорвав оптическую связь между первым выходом оптического нановолоконного трехвыходного разветвителя 5 и входом первого выходного оптического нановолокна 3. Информационный оптический сигнал на выходе устройства Y1 будет равен 0 усл. ед., а на выходе Y2 - 1 усл. ед.
При подаче на вход "X1" сигнала интенсивности 1 усл. ед., а на вход "Х2" - 0 усл.ед, а также при подаче на вход "X1" сигнала интенсивности 0 усл.ед., а на вход "Х2" - 1 усл. ед., работа устройства будет аналогична.
Таким образом, сигнал на выходе Y1 будет равен Y1=И (X1, Х2), а на выходе Y2 будет равен Y2=HE (Y1).