ОПТИЧЕСКОЕ ВЫЧИТАЮЩЕЕ НАНОУСТРОЙСТВО
OPTICAL SUBTRACTING NANO DEVICE

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.
Известным устройством вычитания оптических сигналов является когерентный аналоговый оптический процессор, состоящий из источника света, последовательно расположенных оптических волноводов и оптических фильтров [Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: Высш. Шк., 1988. - 237 с.: ил. стр.160].
Недостатками данного устройства являются возможность вычитания только когерентных оптических сигналов при формировании только модуля их разности, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое вычитающее устройство, содержащее входной оптический разветвитель [Патент №2103721, Россия, 1998. Устройство для вычитания оптических сигналов / Соколов С.В. и др.].
Недостатками данного устройства являются сложность, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.
Заявленное устройство направлено на решение задачи вычитания как когерентных, так и некогерентных оптических сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, а также задачи наноразмерного исполнения устройства.
Поставленная задача возникает 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 устройство содержит 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, входами устройства являются первый вход первого входного оптического нановолоконного объединителя и первый вход второго входного оптического нановолоконного объединителя, причем между выходами обоих входных оптических нановолоконных объединителей расположены телескопические нанотрубки по оси распространения их выходных оптических сигналов, выходами устройства являются первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя и первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу входного оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного N-входного объединителя, а второй выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко входу второго оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами второго оптического N-входного нановолоконного объединителя, выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя подключен ко входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, при этом второй выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу второго входного оптического нановолоконного объединителя, а второй выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу первого входного оптического нановолоконного объединителя.
На чертеже представлена функциональная схема оптического вычитающего наноустройства.
1
i
i=1,2
i
i=2,3
i
i=1,2
i
i=1,2
i
i=1,2
1
2
Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, входного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, двух оптических нановолоконных N-выходных разветвителей 3, , двух выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2, , двух входных оптических нановолоконных объединителей 5, , двух оптических N-входных нановолоконных объединителей 6, , двух телескопических нанотрубок 4,  (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка).
1
A
2
B
2
A
B
3
B
A
Входами устройства являются первый вход первого входного оптического нановолоконного объединителя 5 (I) и первый вход второго входного оптического нановолоконного объединителя 5 (I). Выходами устройства являются первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 (I-I) и первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 (I-I).
1
1
2
1
1
2
2
Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу входного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, первый выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3, а второй выход подключен к входу второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3. Выходы оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3 оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя 6, а выходы оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3 оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя 6.
1
2
1
2
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходами первого и второго входных оптических нановолоконных объединителей 5 и 5 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под воздействием разности давлений световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность давлений 5-15 нН), 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
2
2
В среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3 и входами первого N-входного оптического нановолоконного объединителя 6, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3 и входами второго N-входного оптического нановолоконного объединителя 6.
1
2
2
3
2
2
3
1
Выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя 6 подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя 6 подключен к входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2. Второй выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 подключен ко второму входу второго входного оптического нановолоконного объединителя 5, а второй выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 подключен ко второму входу первого входного оптического нановолоконного объединителя 5.
Устройство работает следующим образом.
1
2
1
1
2
С выхода источника постоянного оптического сигнала 1 сигнал с интенсивностью 2·N·K усл.ед. (N - количество выходов N-выходных оптических нановолоконных разветвителей 3 и 3), пройдя через входной оптический нановолоконный Y-разветвитель 2 (и уменьшившись в два раза по интенсивности), поступает на входы N-выходных оптических нановолоконных разветвителей 3 и 3, с каждого выхода которых снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K усл.ед.
A
B
1
До подачи на входы I и I оптических сигналов устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4 находится в среднем (исходном) положении.
A
B
A
B
1
1
2
1
2
Пусть на входы устройства «I» и «I» поданы оптические сигналы с интенсивностями I и I, тогда на внутреннюю нанотрубку 4 будет действовать разность световых давлений F и F, пропорциональных интенсивностям световых потоков на выходах входных оптических нановолоконных объединителей 5 и 5:
j
j
F=ZI.
A
B
1
1
1
1
1
2
2
A
B
2
2
B
1
Для определенности условимся, что интенсивность оптического сигнала I>I. Тогда внутренняя нанотрубка 4 из среднего положения начнет перемещаться вправо, интенсивность светового потока на выходе первого N-входного оптического нановолоконного объединителя 6 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 первого N-входного оптического нановолоконного объединителя 6 будет равна «K·X» (при этом интенсивность светового потока на выходе оптического нановолоконного объединителя 6 по-прежнему будет равна нулю). Оптический сигнал с интенсивностью «K·Х» поступает далее на вход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, где, разделившись на два, проходит на выход устройства «I- I» и на второй вход второго входного оптического нановолоконного объединителя 5. Оптический сигнал с интенсивностью «K·Х/2» на втором входе второго входного оптического нановолоконного объединителя 5 формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий (совместно со входным сигналом I) 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
A
B
X=2·Z(I-I)/K.
1
A
B
-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, интенсивностями I и I входных оптических сигналов и составляет ≈10-10).
A
B
Таким образом, на выходе устройства «I-I» формируется сигнал, интенсивность которого пропорциональна (с коэффициентом Z) разности интенсивностей поданных оптических сигналов (знак разности при этом определяется соответствующим выходом, на котором формируется выходной сигнал).
1
Аналогично происходит процесс вычитания оптических сигналов, когда интенсивность  (движение внутренней нанотрубки 4 при этом происходит уже влево).
Простота данного оптического вычитающего устройства и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.