ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ НАНОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
OPTICAL ANALOGUE-TO-DIGITAL NANOCONVERTER

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемо-передающих устройств.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), описанный в патенте РФ N2177165, 2001 г. Время преобразования в данном АЦП прямо пропорционально значению его выходного кода и периоду следования импульсов. Недостатками данного АЦП являются его сложность, низкое быстродействие и невозможность наноразмерного исполнения.
Заявленное изобретение направлено на решение задач преобразования в унитарный код (число единиц кода пропорционально аналоговой величине) оптических аналоговых сигналов с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации, упрощения устройства и реализации устройства в наноразмерном исполнении.
Поставленные задачи возникают 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 ред. 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 в устройство введены источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный Y-разветвитель, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, две телескопические нанотрубки, входное оптическое нановолокно, оптический N-входной нановолоконный объединитель, группа N оптических нановолокон, причем входом устройства является вход входного оптического нановолокна, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, а второй выход подключен ко входу второго оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы первого оптического нановолоконного N-выходного разветвителя оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного разветвителя оптически связаны со входами группы N оптических нановолокон, телескопические нанотрубки расположены между выходом входного оптического нановолокна и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя по оси распространения их выходных оптических сигналов таким образом, что в крайнем левом положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами группы N оптических нановолокон, выходы которых являются выходами устройства.
На чертеже представлена функциональная схема оптического аналого-цифрового нанопреобразователя (ОАЦНП).
i
i=i,2
i
i=i,2
1
2
i
Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, двух оптических нановолоконных N-выходных разветвителей 3, , двух телескопических нанотрубок 4,  (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка), входного оптического нановолокна 5, оптического N-входного нановолоконного объединителя 6, группы N оптических нановолокон 7, i=1, …, N.
1
N
i
Входом устройства «I» является вход входного оптического нановолокна 5. Выходами устройства D-D являются выходы группы N оптических нановолокон 7, i=1, N.
1
2
1
2
i
1
N
Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, первый выход которого подключен ко входу первого оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 3, а второй выход подключен ко входу второго оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 3. Выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 3 оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя 6, а выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 3 оптически связаны со входами группы N оптических нановолокон 7, i=1, N, выходы которых являются выходами устройства D-D.
1
2
Световой поток от первого оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 3 распространяется по оси OY, световой поток от второго оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 3 распространяется по оси OZ (фиг.1).
1
2
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходом входного оптического нановолокна 5 и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя 6 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
2
i
В крайнем левом (исходном) положении внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3 и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя 6, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3 и входами группы N оптических нановолокон 7, i=1, N.
Устройство работает следующим образом.
1
2
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 К усл.ед.
1
До подачи на вход «I» оптических сигналов устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4 находится в крайнем левом (исходном) положении, что обеспечивается сигналом обратной связи с выхода N-входного оптического нановолоконного объединителя 6.
1
Пусть на вход устройства «I» подан оптический сигнал с интенсивностью I, тогда на внутреннюю нанотрубку 4 будет действовать разность световых давлений: давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе входного оптического нановолокна 5-F=Z·I (Z - коэффициент пропорциональности) и давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 6.
1
1
1
1
Под действием этой разности световых давлений внутренняя нанотрубка 4 из крайнего левого положения начнет перемещаться вправо, интенсивность светового потока на выходе 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 диаметры оптических нановолокон - нанометры, 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 N - входного оптического нановолоконного объединителя 6 будет равна «К·Х», где «К» -интенсивность постоянного оптического сигнала. Оптический сигнал с интенсивностью «К·Х» 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=Z·I/K.
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 «К» постоянного оптического сигнала, интенсивностью I входного оптического сигнала и составляет ≈10-10 с).
1
2
1
N
1
J
Смещение внутренней нанотрубки 4 вправо приведет к образованию связей между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3 и входами оптических нановолокон 7…7. Количество образованных связей, т.е. оптических нановолокон 7…7, на выходах которых формируется оптический сигнал, будет пропорционально перемещению «X», а следовательно, и интенсивности входного сигнала I (с коэффициентом Z/K).
1
N
1
N
Таким образом, на выходах группы оптических нановолокон 7…7 - выходах устройства «D-D» - формируется унитарный код, соответствующий интенсивности входного сигнала.
Простота данного ОАЦНП, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.