ОПТИЧЕСКОЕ ЛОГИЧЕСКОЕ НАНОУСТРОЙСТВО
OPTICAL LOGIC NANODEVICE

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.
Известны логические элементы, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983], обеспечивающие выполнение логических операций. Недостатком этих устройств являются низкое быстродействие и невозможность наноразмерного исполнения.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое вычитающее наноустройство, 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 [патент России, №2364906, 2009. Оптическое вычитающее наноустройство. / Соколов С.В., Каменский В.В.].
Недостатком данного оптического вычитающего наноустройства является невозможность выполнения логических операций.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи выполнения 16 логических операций двух переменных с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации, и задачи реализации устройства в наноразмерном исполнении.
Поставленные задачи возникают при разработке и создании 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 / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены четыре входных оптических нановолокна, четыре оптических нановолокна, оптический нановолоконный Y-разветвитель, оптический четырехвходной нановолоконный объединитель, источник постоянного оптического сигнала, оптический трехвходной нановолоконный объединитель, причем информационными входами являются вход оптического нановолоконного Y-разветвителя и третий вход оптического трехвходного нановолоконного объединителя, управляющими входами устройства являются входы входных оптических нановолокон, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен к первому входу трехвходного нановолоконного объединителя, первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен к второму входу оптического трехвходного нановолоконного объединителя, второй выход оптического нановолоконного Y-разветвителя является поглощающим, выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя, выходы входных оптических нановолокон оптически связаны со входами оптических нановолокон, выходы оптических нановолокон оптически связаны со входами оптического четырехвходного нановолоконного объединителя, причем выходы всех оптических нановолокон и выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, телескопические нанотрубки расположены между выходом оптического нановолоконного трехвходного объединителя и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, выходом устройства является выход оптического нановолоконного четырехвходного объединителя.
На чертеже представлена функциональная схема оптического логического наноустройства.
i
i=1,4
j
j=5,8
i
i=1,2
1
2
i
i=1,2
Устройство состоит из четырех входных оптических нановолокон 1, , четырех оптических нановолокон 1, , оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, оптического четырехвходного нановолоконного объединителя 3, двух телескопических нанотрубок 4,  (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка), двух источников постоянного оптического сигнала 5,, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6, оптического трехвходного нановолоконного объединителя 7, оптического нановолоконного N-входного объединителя 8.
1
2
Информационным входом «x» является вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, информационным входом «x» является третий вход оптического трехвходного нановолоконного объединителя 7.
1
4
i, i=1,4
Управляющими входами устройства «D,…,D» являются входы входных оптических нановолокон 1.
Выходом устройства Y является выход оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3.
1
Выход первого источника постоянного оптического сигнала 5 подключен к первому входу трехвходного нановолоконного объединителя 7. Первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 подключен ко второму входу оптического трехвходного нановолоконного объединителя 7. Второй выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 является поглощающим.
Выход второго источника постоянного оптического сигнала 52 подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6. Выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6 оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя 8.
1
2
3
4
5
6
7
8
5
8
Выходы входных оптических нановолокон 1, 1, 1, 1 оптически связаны со входами оптических нановолокон 1, 1, 1, 1. Выходы оптических нановолокон 1-1 оптически связаны со входами оптического четырехвходного нановолоконного объединителя 3.
1
2
3
4
5
6
7
8
Световой поток от входных оптических нановолокон 1, 1, 1, 1 и оптических нановолокон 1, 1, 1, 1 распространяется по оси OY, световой поток от оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6 распространяется по оси OZ (см. чертеж).
1
2
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходом оптического нановолоконного объединителя 7 и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя 8 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]).
Устройство работает следующим образом.
2
1
1
С выхода второго источника постоянного оптического сигнала 5 сигнал с интенсивностью N·K усл. ед. (N - количество выходов N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 6) поступает на вход N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 6, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью К усл.ед. Сигнал с выхода первого источника постоянного оптического сигнала 5 с интенсивностью 1 усл. ед., пройдя оптический нановолоконный объединитель 7, поступает на его выход, формируя интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7, равную I=1 усл.ед.
1
1
В исходном состоянии, при отсутствии информационных и управляющих сигналов, на внутреннюю нанотрубку 4 будет действовать разность световых давлений: давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 - F=Z·I (Z - коэффициент пропорциональности), и давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 8 (в начальный момент времени равного 0).
1
1
1
Под действием разности световых давлений внутренняя нанотрубка 4 начнет перемещаться вправо, интенсивность светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 8 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 8 будет равна «K·X», где «K» - интенсивность постоянного оптического сигнала.
1
Оптический сигнал с интенсивностью «K·X» 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
1
1
X=I/K=1/К.
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 I входного оптического сигнала и составляет ≈10-10 с.
1
1
1
5
2
4
6
8
5
8
В положении X (исходном положении) внутренняя нанотрубка 4 не препятствует образованию оптической связи между выходом первого входного оптического нановолокна 1 и входом пятого оптического нановолокна 1, но разрывает оптические связи между выходами входных оптических нановолокон 1-1 и входами оптических нановолокон 1-1. В исходном положении присутствуют также оптические связи между выходами оптических нановолокон 1-1 и входами оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3.
1
4
i
i=1,4
1
4
Управляющими входами устройства «D,…,D» являются входы входных оптических нановолокон 1, , на которые подается оптический код требуемой логической операции. Функция, вычисляемая устройством, зависит от кода на управляющих входах устройства «D,…,D» следующим образом:
1)
код 0000 - константа нуля;
2)
код 0001 - конъюнкция;
3)
код 0010 - отрицание импликации от x<sub>1</sub> к x<sub>2</sub>;
4)
код 0011 - повторение аргумента x<sub>1</sub>;
5)
код 0100 - отрицание импликации от x<sub>2</sub> к x<sub>1</sub>
6)
код 0101 - повторение аргумента x<sub>2</sub>;
7)
код 0110 - неравнозначность;
8)
код 0111 - дизъюнкция;
9)
код 1000 - отрицание дизъюнкции;
10)
код 1001 - равнозначность;
11)
код 1010 - отрицание аргумента x<sub>2</sub>;
12)
код 1011 - импликация от x<sub>2</sub> к x<sub>1</sub>;
13)
код 1100 - отрицание аргумента x<sub>1</sub>;
14)
код 1101 - импликация от x<sub>1</sub> к x<sub>2</sub>;
15)
код 1110 - отрицание конъюнкции;
16)
код 1111 - константа единицы.
1
4
1
2
1
1
Пусть на управляющие входы устройства D…D подан код 0001, соответствующий выполнению конъюнкции, а на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x=0 и x=0. Сигнал с выхода первого источника постоянного оптического сигнала 5 с интенсивностью 1 усл. ед., пройдя оптический нановолоконный объединитель 7, поступает на его выход, формируя интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7, равную I=1+0+0 усл. ед.
1
1
Подобная комбинация входных сигналов соответствует исходному состоянию устройства, поэтому внутренняя нанотрубка 4 не изменит своего начального положения X.
1
1
1
5
2
4
5
8
1
1
5
Т.к. в положении X внутренняя нанотрубка 4 не препятствует образованию оптической связи между выходом первого входного оптического нановолокна 1 и входом пятого оптического нановолокна 1, но разрывает оптические связи между выходами входных оптических нановолокон 1-1 входами оптических нановолокон 1-1, то оптический сигнал интенсивности 0 усл. ед. с информационного входа D через первое входное оптическое нановолокно 1, пятое оптическое нановолокно 1, оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства. Интенсивность оптического сигнала на выходе Y будет равна 0.
1
2
2
Пусть на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x=1 и x=0. Оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед., пройдя оптический нановолоконный Y-разветвитель 2 и уменьшившись по интенсивности в два раза, поступает на второй вход оптического нановолоконного объединителя 7. Интенсивность оптического сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 в этом случае будет составлять I=1+0,5+0=1,5 усл. ед.
1
Внутренняя нанотрубка 4 начнет двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна
2
2
X=I/K.
2
1
1
2
5
6
5
2
2
6
В положении X внутренняя нанотрубка 4 не препятствует образованию оптических связей между выходами первого и второго входных оптических нановолокон 1, 1 и входами пятого и шестого оптических нановолокон 1, 1, но при этом разрывает оптическую связь между выходом оптического нановолокна 1 и первым входом оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3. Оптический сигнал с интенсивностью 0 усл. ед. с управляющего входа D через второе входное оптическое нановолокно 1, шестое оптическое нановолокно 1 и оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства.
1
2
2
Пусть на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x=0 и x=1, тогда интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 будет составлять I=1+0+1=2 усл. ед.
1
Внутренняя нанотрубка 4 начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна
3
3
X=I/K.
3
1
1
2
3
5
6
7
1
5
6
3
3
7
В положении X внутренняя нанотрубка 4 не препятствует образованию оптических связей между выходами первого, второго и третьего входных оптических нановолокон 1, 1, 1 и входами пятого, шестого и седьмого оптических нановолокон 1, 1, 1. Но при этом внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами оптических нановолокон 1, 1 и входами оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3. Оптический сигнал с интенсивностью 0 усл. ед. с управляющего входа D через третье оптическое нановолокно 1, седьмое оптическое нановолокно 1, оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства.
1
2
4
Пусть на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x=l и x=1, тогда интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 будет составлять I=1+0,5+1=2,5 усл. ед.
1
Внутренняя нанотрубка 4 начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна
4
4
X=I/K.
4
1
1
4
5
8
1
5
7
4
4
7
В положении x внутренняя нанотрубка 4 не препятствует образованию оптических связей между выходами входных оптических нановолокон 1-1 и входами оптических нановолокон 1-1. При этом внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами оптических нановолокон 1-1 и входами оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3. Оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. с управляющего входа D через четвертое входное оптическое нановолокно 1, седьмое оптическое нановолокно 1 и оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства. В результате при данной комбинации управляющих сигналов устройство реализует функцию конъюнкции.
При подаче на управляющие входы D других управляющих сигналов устройство будет работать аналогично.
1
4
2
1
1
2
1
1
Пусть, например, на управляющие входы устройства D…D подан код 1011, соответствующий выполнению функции импликации от x к x, а на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x=0 и x=0. Сигнал с выхода первого источника постоянного оптического сигнала 5 с интенсивностью 1 усл. ед., пройдя оптический нановолоконный объединитель 7, поступает на его выход, формируя интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7, равную I=1+0+0 усл. ед.
1
1
Подобная комбинация входных сигналов соответствует исходному состоянию устройства, поэтому внутренняя нанотрубка 4 не изменит своего начального положения X.
1
1
1
5
2
4
5
8
1
1
5
Т.к. в положении X внутренняя нанотрубка 4 не препятствует образованию оптической связи между выходом первого входного оптического нановолокна 1 и входом пятого оптического нановолокна 1, но разрывает оптические связи между выходами входных оптических нановолокон 1-1 и входами оптических нановолокон 1-1, то оптический сигнал интенсивности 1 усл. ед. с информационного входа D через первое входное оптическое нановолокно 1, пятое оптическое нановолокно 1, оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства. Интенсивность оптического сигнала на выходе Y будет равна 1 усл. ед.
1
2
2
Пусть далее на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x=l и x=0. Оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед., пройдя оптический нановолоконный Y-разветвитель 2 и уменьшившись по интенсивности в два раза, поступает на второй вход оптического нановолоконного объединителя 7. Интенсивность оптического сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 в этом случае будет составлять I=1+0,5+0=1,5 усл. ед.
1
Внутренняя нанотрубка 4 начнет двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна
2
2
X=I/K.
2
1
1
2
5
6
5
2
2
6
В положении X внутренняя нанотрубка 4 не препятствует образованию оптических связей между выходами первого и второго входных оптических нановолокон 1, 1 и входами пятого и шестого оптических нановолокон 1, 1, но при этом разрывает оптическую связь между выходом оптического нановолокна 1 и первым входом оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3. Оптический сигнал с интенсивностью 0 усл. ед. с управляющего входа D через второе входное оптическое нановолокно 1, шестое оптическое нановолокно 1 и оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства.
1
2
2
Пусть на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x=0 и x=1, тогда интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 будет составлять I=1+0+1=2 усл. ед.
1
Внутренняя нанотрубка 4 начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна
3
3
X=I/K.
3
1
1
2
3
5
6
7
1
5
6
3
3
7
В положении X внутренняя нанотрубка 4 не препятствует образованию оптических связей между выходами первого, второго и третьего входных оптических нановолокон 1, 1, 1 и входами пятого, шестого и седьмого оптических нановолокон 1, 1, 1. Но при этом внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами оптических нановолокон 1, 1 и входами оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3. Оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. с управляющего входа D через третье оптическое нановолокно 1, седьмое оптическое нановолокно 1, оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства.
1
2
4
Пусть на информационные входы устройства поданы оптические сигналы x=1 и x=1, тогда интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 7 будет составлять I=1+0,5+1=2,5 усл. ед.
1
Внутренняя нанотрубка 4 начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «X» будет равна
4
4
X=I/K.
4
1
1
4
5
8
1
5
7
4
4
7
2
1
В положении X внутренняя нанотрубка 4 не препятствует образованию оптических связей между выходами входных оптических нановолокон l-1 и входами оптических нановолокон 1-1. При этом внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами оптических нановолокон 1-1 и входами оптического нановолоконного четырехвходного объединителя 3. Оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. с управляющего входа D через четвертое входное оптическое нановолокно 1, седьмое оптическое нановолокно 1 и оптический нановолоконный четырехвходной объединитель 3 поступает на выход устройства. В результате при данной комбинации управляющих сигналов устройство реализует функцию импликации от x к x.
1
2
1
4
m
1
2
m
Таким образом, в зависимости от оптических сигналов на информационных входах «x»и «x», а также от оптических сигналов на управляющих входах устройства «D-D» интенсивность сигнала на выходе «Y» будет равна Y=F(x, x), где F - требуемая логическая функция.
Простота данного оптического логического наноустройства, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемопередающих наноустройств.