ОПТИЧЕСКИЙ НАНОСУММАТОР ПО МОДУЛЮ ДВА
OPTICAL NANO-HALF ADDER

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.
Известны различные сумматоры по модулю два (операция «исключающее ИЛИ», «неравнозначность»), построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982. - 512 с., стр. 105]. Недостатками этих сумматоров по модулю два являются невозможность выполнения операций с оптическими сигналами и невозможность наноразмерного исполнения.
Известны сумматоры по модулю два, построенные на основе волноводных элементов [Акаев Α.Α., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: Высш. Шк., 1988. - 237 с: ил., стр. 202.]. Недостатками данных оптических сумматоров по модулю 2 являются сложность и невозможность наноразмерного исполнения.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический нанокомпаратор, содержащий два входных оптических нановолокна, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, оптический нановолоконный Y-разветвитель [Патент №2311671, Россия, 2007. Оптический нанокомпаратор / Соколов C.B., Каменский В.В.].
Заявленное изобретение направлено на решение задачи суммирования по модулю 2 оптических сигналов с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации, задачи упрощения устройства и задачи 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 редакцией А.В. Федорова: СПб. «Недра», 2005 г.; Krenn J.R., Dereux Α., 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, содержащее два входных оптических нановолокна, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, оптический нановолоконный Y-разветвитель, введен оптический нановолоконный объединитель, причем информационными входами устройства являются входы первого и второго входных оптических нановолокон, выходы которых оптически связаны с торцами внутренней нанотрубки, телескопические нанотрубки расположены между первым и вторым входными оптическими нановолокнами по оси распространения их выходных оптических сигналов, выход источника постоянного оптического сигнала подключен к входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого оптически подключен к первому входу оптического нановолоконного объединителя, а второй выход оптически подключен к второму входу оптического нановолоконного объединителя, при этом в крайнем левом положении внутренней нанотрубки отсутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя и первым входом оптического нановолоконного объединителя, а присутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя и вторым входом оптического нановолоконного объединителя, а в крайнем правом положении внутренней нанотрубки присутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя и первым входом оптического нановолоконного объединителя, а отсутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя и вторым входом оптического нановолоконного объединителя, причем в центральном (исходном) положении внутренней нанотрубки отсутствуют оптические связи между выходами оптического нановолоконного Y-разветвителя и входами оптического нановолоконного объединителя, выход которого является выходом устройства.
На фиг. 1 представлена функциональная схема оптического наносумматора по модулю два.
i
i=1,2
i
i=1,2,
1
2
Устройство состоит из двух входных оптических нановолокон 1, , двух телескопических нанотрубок 2,  (2 - внутренняя нанотрубка, 2 - внешняя нанотрубка), оптического нановолоконного объединителя 3, оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и источника постоянного оптического сигнала 5 с интенсивностью 2 усл.ед.
1
2
1
2
1
Информационными входами устройства «X» и «Х» являются входы первого и второго входных оптических нановолокон 1 и 1 соответственно, выходы которых оптически связаны с торцами внутренней нанотрубки 2.
1
2
1
2
Телескопические нанотрубки 2, 2 расположены между первым и вторым входными оптическими нановолокнами 1 и 1 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Выход источника постоянного оптического сигнала 5 подключен к входу оптического нановолоконного Y-разветвителя 4. Первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 оптически подключен к первому входу оптического нановолоконного объединителя 3. Второй выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 оптически подключен к второму входу оптического нановолоконного объединителя 3.
1
В крайнем левом положении внутренней нанотрубки 2 оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и первым входом оптического нановолоконного объединителя 3 отсутствует, а присутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и вторым входом оптического нановолоконного объединителя 3.
1
В крайнем правом положении внутренней нанотрубки 2 присутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и первым входом оптического нановолоконного объединителя 3, а оптическая связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и вторым входом оптического нановолоконного объединителя 3 отсутствует.
1
В центральном (исходном) положении внутренней нанотрубки 2 оптические связи между выходами оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и входами оптического нановолоконного объединителя 3 отсутствуют.
Выходом устройства является выход оптического нановолоконного объединителя 3.
Оптический наносумматор по модулю два работает следующим образом.
1
1
2
1
1
2
Оптический сигнал с выхода источника оптического сигнала 5 с интенсивностью 2 усл.ед поступает на вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 4. На каждом из выходов оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 формируется оптический сигнал с интенсивностью 1 усл.ед. Оптический поток с выхода первого входного оптического нановолокна 1 будет воздействовать на внутреннюю нанотрубку 2 с левой стороны, а с выхода второго входного оптического нановолокна 1 - с правой. В результате, на внутреннюю нанотрубку 2 будет действовать разность сил, обусловленных световыми давлениями: давлением, пропорциональным интенсивности светового потока на выходе первого входного оптического нановолокна 1, и давлением, пропорциональным интенсивности светового потока на выходе второго входного оптического нановолокна 1.
1
2
1
2
Пусть на оба входа Χ и Х поданы сигналы с интенсивностями 0 усл.ед. или же на оба входа X и Х поданы сигналы с интенсивностями 1 усл.ед.
1
2
1
Так как сигналы на выходах первого и второго входных оптических нановолокон 1 и 1 равны, то и разность сил за счет световых давлений, действующих на внутреннюю нанотрубку, будет равна 0, и внутренняя нанотрубка 2 будет находиться в центральном положении под действием сил Ван-дер-Ваальса.
1
В центральном положении внутренней нанотрубки 2 оптические связи между выходами оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и входами оптического нановолоконного объединителя 3 отсутствуют. Оптические сигналы на входах оптического нановолоконного объединителя 3 будут равны 0, и, соответственно, оптический сигнал на выходе оптического нановолоконного объединителя 3 будет также равен 0.
1
2
Пусть на вход X подан сигнал с интенсивностью 0 усл.ед., а на вход Х - сигнал с интенсивностью 1 усл.ед.
2
1
1
Так как интенсивность сигнала на выходе второго входного оптического нановолокна 1 больше, чем на выходе первого 1, то внутренняя нанотрубка 2 переместится в крайнее левое положение.
1
В крайнем левом положении внутренней нанотрубки 2 отсутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и первым входом оптического нановолоконного объединителя 3, а присутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и вторым входом оптического нановолоконного объединителя 3. Т.к. в этом случае интенсивность оптического сигнала на втором входе оптического нановолоконного объединителя 3 будет составлять 1 усл.ед., то, соответственно, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 3 будет также составлять 1 усл.ед.
1
2
Пусть на вход Χ подан сигнал с интенсивностью 1 усл.ед., а на вход Х - сигнал с интенсивностью 0 усл.ед.
1
2
1
Так как интенсивность сигнала на выходе первого входного оптического нановолокна 1 больше, чем на выходе второго 1, то внутренняя нанотрубка 2 переместится в крайнее правое положение.
1
В крайнем правом положении внутренней нанотрубки 2 присутствует оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и первым входом оптического нановолоконного объединителя 3, а отсутствует оптическая связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 4 и вторым входом оптического нановолоконного объединителя 3. Т.к. в этом случае интенсивность оптического сигнала на первом входе оптического нановолоконного объединителя 3 будет составлять 1 усл.ед., то, соответственно, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 3 будет также составлять 1 усл.ед.
1
2
Таким образом, при наличии одновременно на обоих входах «Χ» и «Х» двух одинаковых оптических сигналов с интенсивностями 0 усл.ед. или 1 усл.ед. интенсивность оптического сигнала на выходе устройства будет равна 0 усл.ед. Если на одном из входов устройства имеется оптический сигнал интенсивности 1 усл.ед., а на другом - 0 усл.ед., то интенсивность оптического сигнала на выходе устройства будет равна 1 усл.ед., что и обеспечивает реализацию функции суммирования по модулю два (операции «исключающее ИЛИ», «неравнозначность»).
Простота данного оптического наносумматора по модулю два, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.