ОПТИЧЕСКИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ НАНОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
OPTICAL NANO-FUNCTION GENERATOR

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 функциональные преобразователи (логарифмические усилители, экспоненциальные генераторы и др.), построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983], обеспечивающие формирование выходного напряжения как функции входного y=f(x). Недостатком этих функциональных преобразователей является большая сложность и низкое быстродействие.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое умножающее наноустройство, содержащее 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 телескопических нанотрубки, источник постоянного оптического сигнала [патент №2370800, Россия, 2009. Оптическое умножающее наноустройство / Соколов С.В., Каменский В.В.].
Недостатками данного оптического умножающего наноустройства является невозможность выполнения нелинейного функционального преобразования.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи выполнения нелинейного функционального преобразования 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 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 оптический функциональный нанопреобразователь введены М выходных оптических нановолокон, М входных оптических нановолокон, оптический нановолоконный М-выходной разветвитель, оптический нановолоконный М-входной объединитель, второй источник постоянного оптического сигнала, причем, входом устройства является вход входного оптического нановолокна, выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного М - выходного разветвителя, выходы которого подключены ко входам выходных оптических нановолокон, выходы которых оптически связаны со входами входных оптических нановолокон, входные и выходные оптические нановолокна расположены неравномерно по оси перемещения внутренней нанотрубки в соответствии со значениями реализуемой функции, выходы входных оптических нановолокон подключены к входам оптического нановолоконного М-входного объединителя, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, причем, между выходами входного оптического нановолокна и оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи расположены телескопические нанотрубки по оси распространения их выходных оптических сигналов, а направления распространения выходных оптических сигналов оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и выходами входных оптических нановолокон взаимно ортогональны, при этом внутренняя телескопическая нанотрубка в исходном положении разрывает оптические связи между выходом оптического нановолоконного N-выходного разветвителя и входом оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, а также разрывает оптические связи между выходами выходных оптических нановолокон и входами входных оптических нановолокон, выходом устройства является выход оптического нановолоконного М-входного объединителя.
На фиг.1 представлена функциональная схема оптического функционального нанопреобразователя.
i
i=1,2
i
i=1,2
1
2
i
i=1,М
i
i=1,М
Устройство состоит из двух источников постоянного оптического сигнала 1, , оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2, оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3, двух телескопических нанотрубок 4, , (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка), входного оптического нановолокна 5, оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 6, выходных оптических нановолокон 7, , входных оптических нановолокон 8, , оптического нановолоконного М-входного объединителя 9.
Входом устройства «In» является вход входного оптического нановолокна 5.
Выходом устройства «Out» является выход оптического нановолоконного М-входного объединителя 9.
i
i=1,М
i
i=1,M
Выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3, а выходы выходных оптических нановолокон 7,  оптически связаны со входами входных оптических нановолокон 8, .
i
i=1,М
Световой поток от оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 распространяется по оси OY, световой поток от выходных оптических нановолокон 7,  распространяется по оси OZ.
1
2
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходами входного оптического нановолокна 5 и выходом оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3 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
Выход первого источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2.
1
i
i=1,М
i
i=1,М
В исходном положении внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 2 и входами оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3, а также оптические связи между выходами выходных оптических нановолокон 7,  и входами входных оптических нановолокон 8, .
2
i
i=1,М
i
i=1,М
Выход второго источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 6, выходы которого подключены ко входам выходных оптических нановолокон 7, . Выходы входных оптических нановолокон 8,  подключены ко входам оптического нановолоконного М-входного объединителя 9.
i
i=1,М
i
i=1,М
10
i
i=1,М
i
i=1,M
i
i
1
(i/М)
Выходные оптические нановолокна 7,  и входные оптические нановолокна 8,  расположены вдоль оси ОХ неравномерно в соответствии с требуемой функцией у=f(х). Например, для построения оптического функционального преобразователя с функцией y=logx(1≤x≤10) необходимо располагать выходные оптические нановолокна 7,  и входные оптические нановолокна 8,  на интервалах, определяемых степенной зависимостью x=10, где х - ордината расположения i-го нановолновода по оси ОХ, М - количество нановолокон: для 10 нановолокон их ординаты будут, соответственно, равны - 0,126·L; 0,158·L; 0,200·L; 0,251·L; 0,316·L; 0,398·L; 0,501·L; 0,631·L; 0,794·L; 1·L, где L - расстояние, на которое может перемещаться внутренняя нанотрубка 4 по оси ОХ.
Устройство работает следующим образом.
1
До подачи на вход «In» оптических сигналов устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4 находится в левом крайнем положении.
На вход входного оптического нановолокна 5 подается оптический сигнал с интенсивностью I усл.ед., соответствующий аргументу х вычисляемой функции у.
1
От первого источника постоянного оптического сигнала 1 оптический сигнал с интенсивностью К 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.
2
Оптический сигнал с интенсивностью G усл.ед. с выхода второго источника постоянного оптического сигнала 1 поступает на вход оптического нановолоконного М-выходного разветвителя 6, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью G/M усл.ед.
1
Под действием разности световых давлений, создаваемых оптическими потоками (входным I и потоком обратной связи), внутренняя нанотрубка 4 из исходного положения начнет перемещаться вправо.
1
1
Интенсивность светового потока на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3 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, 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 входе оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3 будет равна К·Х усл.ед.
1
Оптический сигнал с интенсивностью К·Х усл.ед. на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 3 формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 4 вправо, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «X» замедляется.
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, интенсивностями I входных оптических сигналов и составляет ≈10-10 с).
1
1
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
X=(Z·I)/(Z·K)=I/K,
1
где Z - коэффициент перевода интенсивности оптического сигнала в силу светового давления, действующую на внутреннюю нанотрубку 4.
1
i
i=1,М
В результате перемещения внутренней нанотрубки 4 образуется интервал свободного пространства величиной «X». Интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного М-входного объединителя 9 будет определяться количеством S(X) выходных оптических нановолокон 7, , расположенных в образовавшемся отрезке величиной «X» (от 0 до «X»), и интенсивностью оптического сигнала W=G/M в каждом из них.
Т.е. интенсивность сигнала на выходе преобразователя будет равна
OUT
I=S(X)·W=S(I/K)·G/M.
1
i
i=1,М
1
i
i=1,М
i
i=1,М
1
1…10
Например, при вычислении функции логарифма, если ордината внутренней нанотрубки 4 находится в пределах от 0 от 1, то количество выходных оптических нановолокон 7, , расположенных на отрезке от 0 до максимального значения «X», будет равно 0 (S(1)=0). Если ордината внутренней нанотрубки 4 находится в пределах от 1 от 2, то количество выходных оптических нановолокон 7, , расположенных на отрезке от 0 до максимального значения «X», будет равно 3 (S(2)=3). Количество выходных оптических нановолокон 7,  - в зависимости от ординаты внутренней нанотрубки 4, определяется в данном примере вектором S (0; 3; 4; 6; 6; 7; 8; 9; 9; 10). В результате сложения оптических потоков интенсивность оптического сигнала на выходе оптического нановолоконного М-входного объединителя 9 в этом случае составит
OUT
10
I=S(X)·W=W·logX.
Таким образом, на выходе устройства «OUT» формируется сигнал, интенсивность которого пропорциональна (с коэффициентом W) результату выполнения функции f(x).
Простота данного оптического функционального нанопреобразователя и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.