ОПТИЧЕСКОЕ УМНОЖАЮЩЕЕ НАНОУСТРОЙСТВО
OPTICAL MULTIPYING 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.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический умножитель, содержащий группу оптических ответвлений [Патент №2022328, Россия, 1994. Оптический умножитель. / Соколов С.В.].
Недостатками данного устройства являются его сложность, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.
Заявленное устройство направлено на решение задачи умножения 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 гигагерцевом 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 входное оптическое нановолокно, входной оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, выходной оптический N-входной нановолоконный объединитель, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, оптический N-входной нановолоконный объединитель обратной связи, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, источник постоянного оптического сигнала, входом первого сомножителя является вход входного оптического нановолокна, входом второго сомножителя является вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя, выход которого является выходом устройства, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, причем между выходами входного оптического нановолокна и оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи расположены телескопические нанотрубки по оси распространения их выходных оптических сигналов, а направления распространения выходных оптических сигналов входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и оптического нановолоконного N-выходного разветвителя взаимно ортогональны, при этом внутренняя телескопическая нанотрубка в исходном положении разрывает оптические связи между выходом входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и входом выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя, а также выходом оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и входом оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи.
На фиг.1 представлена функциональная схема оптического умножающего наноустройства. Для удобства дальнейшего анализа его работы на фиг.1 введена условная система координат OXYZ.
1
1
2
2
i
i=1,2
1
2
Устройство состоит из входного оптического нановолокна 1, входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2, выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2, оптического N-входного нановолоконного объединителя 3 обратной связи, двух телескопических нанотрубок 4, (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка) и источника 5 постоянного оптического сигнала с интенсивностью K усл. ед.
1
Входом первого сомножителя "А" является вход входного оптического нановолокна 1. Входом второго сомножителя "В" является вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2.
1
Выходом устройства «А·В» является выход выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3.
1
1
Выходы входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 оптически связаны со входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3, а выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя
2
2
2 оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя 3 обратной связи.
1
2
Световой поток от входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 распространяется по оси OY, световой поток от оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 распространяется по оси OZ.
1
2
2
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходами входного оптического нановолокна 1 и оптического N-входного нановолоконного объединителя 3 обратной связи 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]).
2
Выход источника постоянного оптического сигнала 5 подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2.
1
В исходном положении внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя
1
1
2
2
2 и входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3, а также оптические связи между выходами оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 и входами оптического N-входного нановолоконного объединителя 3 обратной связи.
Устройство работает следующим образом.
1
До подачи на входы «А» и «В» оптических сигналов устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4 находится в левом крайнем положении.
A
1
B
На вход входного оптического нановолокна 1 подается оптический сигнал, соответствующий первому сомножителю (с интенсивностью I усл. ед.), а на вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 подается сигнал, соответствующий второму сомножителю (с интенсивностью I усл. ед.).
1
B
Оптический сигнал со входа «В» поступает на вход входного оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью I/N усл. ед.
2
От источника постоянного оптического сигнала 5 оптический сигнал с интенсивностью K усл. ед. поступает на вход оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K/N усл. ед.
A
1
Под действием разности световых давлений, создаваемых оптическими потоками (входным I и потоком обратной связи), внутренняя нанотрубка 4 из исходного положения начнет перемещаться вправо.
2
1
1
2
Интенсивность светового потока на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 3 обратной связи начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «X» (вдоль оси ОХ) внутренней нанотрубки 4. Т.к. длина внутренней нанотрубки 4 составляет единицы микрон, а диаметр оптических нановолокон - единицы нанометров, 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 входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 3 обратной связи будет равна К·Х усл. ед.
2
1
Оптический сигнал с интенсивностью К·Х усл. ед. на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 3 обратной связи формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 4 вправо, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «X» замедляется.
1
A
-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, интенсивностями I входных оптических сигналов и составляет ≈10 - 10 с).
1
1
A
По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 4) силы, действующие на внутреннюю нанотрубку 4 с противоположных концов, будут равны (разность световых давлений, создаваемых оптическими потоками - входным I и потоком обратной связи, будет равна нулю), а величина ее перемещения «X» будет равна
A
A
X=(Z·I)/(ZK)=I/K,
1
где Z - коэффициент перевода интенсивности оптического сигнала в силу светового давления, действующую на внутреннюю нанотрубку 4.
B
1
В результате прохождения через отверстие величиной «X» оптического потока с интенсивностью I усл.ед. со входа «В» интенсивность сигнала на выходе выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 3 составит
A·B
B
B
A
I=I·X=I·I/K.
Таким образом, на выходе устройства «А·В» формируется сигнал, интенсивность которого пропорциональна (с коэффициентом 1/K) произведению интенсивностей поданных оптических сигналов.
Простота данного оптического умножающего устройства и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.