ОПТИЧЕСКИЙ RS-НАНОТРИГГЕР
OPTICAL NANO RS-FLIP FLOP

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.
Известным оптическим триггером является оптический триггер, состоящий из оптических волноводов и оптических бистабильных элементов [Патент №2020528, Россия, 1994. Оптический триггер / Соколов С.В.].
Недостатками данного устройства являются сложность и невозможность реализации в наноразмерном исполнении.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое вычитающее устройство, содержащее входной оптический разветвитель [Патент №2310897, Россия, 2007. Оптическое вычитающее устройство/ Соколов С.В. и др.].
Недостатками данного устройства являются сложность, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.
Заявленное устройство направлено на решение задачи реализации логических функций RS-триггера как для когерентных, так и для некогерентных, входных 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 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 оптический нановолоконный Y-разветвитель, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических нановолоконных Y-разветвителя обратной связи, два входных оптических нановолоконных объединителя, две телескопические нанотрубки, информационными входами устройства «S» и «R» являются первые входы первого и второго входных оптических нановолоконных объединителей, выходы которых оптически связаны с торцами внутренней нанотрубки, при этом телескопические нанотрубки расположены между первым и вторым входными оптическими нановолоконными объединителями по оси распространения входных оптических сигналов, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, выходы которого оптически подключены ко входам первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей, первые выходы первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей подключены ко входам оптических нановолоконных Y-разветвителей обратной связи, первые выходы оптических нановолоконных Y-разветвителей обратной связи являются поглощающими, а вторые выходы подключены ко вторым входам первого и второго входных оптических нановолоконных объединителей, вторые выходы первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей являются соответственно единичным и нулевым выходами устройства.
На чертеже представлена функциональная схема оптического RS-нанотриггера.
1
2
3
4
5
i, i=1…2
i, i=1…2
1
2
Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, двух выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2, 2, двух оптических нановолоконных Y-разветвителей обратной связи 2, 2, двух входных оптических нановолоконных объединителей 3, двух телескопических нанотрубок 4, (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка).
1
2
1
Информационными входами устройства «S» и «R» являются первые входы первого и второго входных оптических нановолоконных объединителей 3 и 3 соответственно, выходы которых оптически связаны с торцами внутренней нанотрубки 4.
1
2
1
2
1
2
3
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между первым и вторым входными оптическими нановолоконными объединителями 3 и 3 по оси распространения входных оптических сигналов. Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, выходы которого оптически подключены ко входам первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2 и 2.
2
3
4
5
4
5
1
2
2
3
1
2
Первые выходы первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2 и 2 подключены ко входам оптических нановолоконных Y-разветвителей обратной связи 2, 2 соответственно. Первые выходы оптических нановолоконных Y-разветвителей обратной связи 2, 2 являются поглощающими, а вторые выходы подключены ко вторым входам первого и второго входных оптических нановолоконных объединителей 3 и 3 соответственно. Вторые выходы первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2 и 2 являются выходами устройства - соответственно Q («1») и Q («0»).
1
1
2
1
1
3
В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптическую связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 и входом первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, а в крайнем правом положении внутренняя нанотрубка 4разрывает оптическую связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 и входом второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.
Оптический RS-нанотриггер работает следующим образом.
1
1
1
1
3
1
2
2
4
1
1
Пусть на вход "S" подан сигнал интенсивности 1 усл.ед. (при этом интенсивность сигнала на входе "R" равна 0 усл.ед.). Со входа "S" через первый входной оптический нановолоконный объединитель 3 оптический сигнал поступает на внутреннюю телескопическую нанотрубку 4. Под действием давления светового потока (оптическая мощность 1-5 ватт создает давление 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 4 будет перемещаться вправо и разорвет оптическую связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 и входом второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2. При этом оптический поток от источника постоянного оптического сигнала 1 интенсивности 4 усл.ед., пройдя через оптический нановолоконный Y-разветвитель 2, поступает на вход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2. С первого выхода первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 оптический сигнал с интенсивностью 1 усл.ед. поступает на вход первого оптического нановолоконного Y-разветвителя обратной связи 2 и далее - на второй вход первого входного оптического нановолоконного объединителя 3 (интенсивность оптического сигнала на выходе первого входного оптического нановолоконного объединителя 3 при этом будет составлять 1+0,5=1,5 усл.ед.).
2
1
Оптический сигнал интенсивности 1 усл.ед. с первого выхода первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 поступает на выход устройства Q - оптический RS-нанотриггер перешел в единичное состояние.
1
1
2
4
1
После окончания входного оптического сигнала внутренняя телескопическая нанотрубка 4 будет удерживаться в крайнем правом положении оптическим потоком интенсивности 0,5 усл.ед., проходящим от источника постоянного оптического сигнала 1 через оптический нановолоконный Y-разветвитель 2, первый выходной оптический нановолоконный Y-разветвитель 2, первый оптический нановолоконный Y-разветвитель обратной связи 2 и первый входной оптический нановолоконный объединитель 3.
Аналогично происходит процесс перехода триггера в состояние логического нуля.
1
2
1
1
1
2
1
3
3
5
2
Пусть на вход "R" подан сигнал интенсивности 1 усл.ед., а интенсивность сигнала на входе "S" равна 0 усл.ед. (интенсивность оптического сигнала на выходе первого входного оптического нановолоконного объединителя 3 при этом равна 0,5 усл.ед.). Со входа "R" через второй входной оптический нановолоконный объединитель 3оптический сигнал поступает на внутреннюю телескопическую нанотрубку 4. Под действием разности давлений световых потоков внутренняя нанотрубка 4 будет перемещаться влево и разорвет оптическую связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 и входом первого оптического выходного нановолоконного Y-разветвителя 2. При этом оптический поток от источника постоянного оптического сигнала 1, пройдя через первый оптический нановолоконный Y-разветвитель 2, поступает на вход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2. С первого выхода второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 оптический сигнал с интенсивностью 1 усл.ед. поступает на вход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя обратной связи 2 и далее - на второй вход второго входного оптического нановолоконного объединителя 3.
3
2
Оптический сигнал с первого выхода второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 интенсивности 1 усл.ед. поступает на выход устройства Q - оптический RS-нанотриггер перешел в нулевое состояние.
1
1
3
5
2
После окончания входного оптического сигнала «R» внутренняя телескопическая нанотрубка 4 будет удерживаться в крайнем левом положении оптическим потоком, проходящим от источника постоянного оптического сигнала 1 через оптический нановолоконный Y-разветвитель 2, второй выходной оптический нановолоконный Y-разветвитель 2, второй оптический нановолоконный Y-разветвитель обратной связи 2 и входной оптический нановолоконный объединитель 3.
Таким образом, при подаче на вход устройства «R» логической единицы устройство переходит в состояние логического нуля - появляется сигнал на его выходе Q2, при подаче логической единицы на вход устройства «S» устройство переходит в состояние логической единицы - появляется сигнал на его выходе Q1.
1
-15
-16
-9
-9
-10
Время переходного процесса определяется массой внутренней телескопической нанотрубки 4 (≈l0-10 г), силой трения при ее движении (≈10 н), интенсивностью входного сигнала и составляет ≈10-10 с).
Простота данного оптического RS-нанотриггера и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.