ОПТИЧЕСКОЕ ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЕ НАНОУСТРОЙСТВО
OPTICAL DIFFERENTIATING 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.
Известным устройством дифференцирования является оптический дифференциатор [С.В.Соколов, П.С.Шевчук, С.В.Бабкин, В.А.Панкратов. Перспективные устройства обработки и защиты информации для помехозащищенных АСУ. - М.: Радио и связь, 2002. - 224 с.: ил. 39, стр.133].
Недостатками данного устройства являются необходимость применения сложного оптического фазового модулятора и невозможность дифференцирования некогерентных оптических сигналов, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический дифференциатор, состоящий из оптического разветвителя, оптической линии задержки, оптического фазового модулятора, оптического объединителя и приемного транспаранта [Патент РФ №2159461, 2000. - БИ №32].
Недостатками данного устройства являются сложность и невозможность дифференцирования некогерентных оптических сигналов, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.
Заявленное устройство направлено на решение задачи дифференцирования как когерентных, так и некогерентных оптических сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, а также задачи наноразмерного исполнения устройства и упрощения его конструкции.
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 два источника постоянного оптического сигнала, входной оптический нановолоконный Y-разветвитель, выходной оптический нановолоконный Y-разветвитель, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, две телескопические нанотрубки, - внутреннюю и внешнюю, два оптических нановолоконных объединителя, оптический N-входной нановолоконный объединитель, оптическое нановолокно как оптическую линию задержки, входом устройства является вход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен к входу оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, а выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен к первому входу первого оптического нановолоконного объединителя, выходы оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны с входами оптического нановолоконного N-входного объединителя, телескопические нанотрубки расположены между выходами первого и второго оптических нановолоконных объединителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, в среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает половину оптических связей между выходами N-выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя, первый выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен к входу оптического нановолокна, а второй выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу первого оптического нановолоконного объединителя, выход оптического нановолокна подключен к первому входу второго оптического нановолоконного объединителя, выход оптического нановолоконного N-входного объединителя подключен к входу выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, второй выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу второго входного оптического нановолоконного объединителя, а первый выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства.
На фиг.1 представлена функциональная схема оптического дифференцирующего наноустройства.
i, i=1,2
1
2
i, i=1,2
1
2
i, i=1,2
Устройство состоит из двух источников постоянного оптического сигнала 1, входного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 3, двух телескопических нанотрубок 4, (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка), двух оптических нановолоконных объединителей 5, оптического N-входного нановолоконного объединителя 6, оптического нановолокна 7, выполняющего функцию оптической линии задержки.
2
Выходом устройства является первый выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2(у').
1
2
1
Выход первого источника постоянного оптического сигнала 1 подключен к входу оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3, а выход второго источника постоянного оптического сигнала 1 подключен к первому входу оптического нановолоконного объединителя 5. Выходы оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3 оптически связаны с входами оптического нановолоконного N-входного объединителя 6.
1
2
1
2
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходами первого и второго оптических нановолоконных объединителей 5 и 5 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под воздействием разности давлений световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 Вт 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
В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами N-выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя 6.
1
1
1
2
Первый выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 подключен к входу оптического нановолокна 7, а второй выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 подключен ко второму входу первого оптического нановолоконного объединителя 5. Выход оптического нановолокна 7 подключен к первому входу второго оптического нановолоконного объединителя 5.
2
2
2
Выход оптического нановолоконного N-входного объединителя 6 подключен к входу выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2. Второй выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 подключен ко второму входу второго входного оптического нановолоконного объединителя 5.
Устройство работает следующим образом.
С выхода источника постоянного оптического сигнала 1 сигнал с интенсивностью N·K усл. ед. (N - количество выходов N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3), поступает на вход N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью К усл. ед.
1
1
0
2
2
0
До подачи на вход «у» оптического сигнала устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4находится в среднем (исходном) положении. С левой стороны на нанотрубку 4 действует сила давления светового потока интенсивности I=К/4 с выхода первого оптического объединителя 5, а с правой - сила давления светового потока с интенсивностью К/4, проходящего от источника постоянного оптического сигнала 1 через N-выходной оптический нановолоконный разветвитель 3, N-входной оптический нановолоконный объединитель 6 и через второй оптический нановолоконный объединитель 5. Интенсивность оптического сигнала в исходном положении на выходе у' будет равна I=К/4.
1
2
1
1
2
Пусть на вход устройства «у» подан оптический сигнал, интенсивность которого в моменты времени t и t=t+dt равна I(t) и I(t) соответственно.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
j
j
Т.к. оптический сигнал, поданный на вход оптического нановолокна 7 в момент времени t, поступит на выход оптического нановолокна 7 через время dt - в момент времени t, то на внутреннюю нанотрубку 4 в момент времени t будет действовать разность световых давлений F и F, пропорциональных интенсивностям световых потоков на первом выходе входного нановолоконного Y-разветвителя 2-I(t), и на выходе второго оптического нановолоконного объединителя 5~I(t): F~I(t).
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
Для определенности условимся, что интенсивность оптического сигнала I(t)>I(t). Тогда внутренняя нанотрубка 4 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 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 N-входного оптического нановолоконного объединителя 6 будет равна «К·Х». Оптический сигнал с интенсивностью «К·Х» поступает далее на вход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, где, разделившись на два, проходит на выход устройства «у'» и на второй вход второго оптического нановолоконного объединителя 5. Оптический сигнал с интенсивностью «К·Х/2» на втором входе входного оптического нановолоконного объединителя 5 формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий, совместно с сигналом с выхода оптического нановолокна 7 (в момент времени t это будет входной сигнал I(t), задержанный на dt), 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
2
1
-15
-16
-9
-9
-10
(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 4(≈10-10 г), силой трения при ее движении (≈10н), интенсивностью «К» постоянного оптического сигнала, интенсивностью I(t), I(t) входных оптических сигналов и составляет ≈10-10с).
0
Таким образом, на выходе устройства «у'» формируется сигнал Iвых, превышение (или, в противном случае, снижение) интенсивности которого по отношению к постоянному уровню I пропорционально дифференциалу поданного оптического сигнала за время dt:
1
2
1
Аналогично происходит процесс дифференцирования оптических сигналов, когда интенсивность I(t)>I(t) (движение внутренней нанотрубки 4 при этом происходит уже влево).
0
Если на вход устройства подан постоянный оптический сигнал, то на выходе устройства «у'» будет постоянный оптический сигнал с интенсивностью I=К/4.
1
2
1
Аналогично происходит процесс дифференцирования оптических сигналов, когда интенсивность I(t)>I(t) (движение внутренней нанотрубки 4 при этом происходит уже влево).
Простота данного оптического дифференцирующего устройства и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.