ОПТИЧЕСКИЙ НАНОКОММУТАТОР
OPTICAL NANOSWITCH

Изобретение относится к оптическим наноустройствам переключения и может быть использовано в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) информации для коммутации каналов передачи информации.
Известен оптический коммутатор - фотонный коммутатор на основе нелинейного оптического зеркала, предназначенный для коммутации оптического потока в ВОСП [Маккавеев В. Фотонные коммутаторы / В.Маккавеев // Компоненты и технологии. - 2006. - №2. - С.142-146, страница 144, рисунок 3] и содержащий нелинейный интерферометр Саньяка, оптические волноводы.
Существенный признак аналога, общий с заявляемым устройством, - оптические волноводы.
Недостатком данного аналога является сложность устройства, определяемая необходимостью использования интерферометра Саньяка, и невозможность наноразмерного исполнения.
Известен также оптический коммутатор - фотонный коммутатор на основе электрооптического кристалла теллура кадмия, предназначенный для коммутации оптического потока в ВОСП [Маккавеев В. Фотонные коммутаторы / В.Маккавеев // Компоненты и технологии. - 2006. - №2. - С.142-146, страница 144, рисунок 4] и содержащий полупроводниковый оптический кристалл теллура кадмия, диэлектрический слой, металлические электроды, источник внешнего электрического напряжения, оптический поляризатор, оптический анализатор, микрообъективы, оптические волноводы.
Существенный признак аналога, общий с заявляемым устройством, - оптические волноводы.
Недостатками данного аналога являются сложность конструкции устройства и невозможность наноразмерного исполнения.
Наиболее близким по техническому исполнению к заявленному устройству является оптический нанокомпаратор [Патент №2357275, РФ. Оптический нанокомпаратор / Соколов С.В., Каменский В.В., 2009 г., БИ №15], содержащий входные и выходные оптические нановолноводы, телескопические нанотрубки, источник постоянного сигнала.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, - входные оптические нановолноводы, телескопические нанотрубки, источник постоянного сигнала.
Недостатком прототипа является невозможность управляемой коммутации каналов передачи информации в ВОСП.
Задачами изобретения являются создание оптического нанокоммутатора, позволяющего выполнять управляемое переключение информационных оптических потоков, поступающих из n каналов передачи информации, на выход устройства, а также упрощение конструкции устройства и реализация его в наноразмерном исполнении.
Заявленное устройство строится на основе оптических нановолноводов, 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 // Phvs. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
Техническим результатом является расширение возможностей устройства за счет обеспечения управляемой коммутации информационных оптических потоков, поступающих из n каналов передачи информации, на выход устройства при реализации последнего в наноразмерном исполнении.
Оптический нанокоммутатор - оптическое переключательное наноустройство, предназначенное для коммутации информационных оптических потоков, поступающих из n каналов передачи информации, на выход устройства.
Сущность изобретения состоит в том, что оптический нанокоммутатор содержит группу n адресных оптических нановолноводов, группу n информационных оптических нановолноводов, n пар телескопических нанотрубок, оптический нановолноводный n-выходной разветвитель, источник постоянного излучения, оптический нановолноводный n-входной объединитель, i'-м адресным входом оптического нанокоммутатора является вход i-го оптического нановолновода из группы n адресных оптических нановолноводов (i=1, 2, …, n), i-м информационным входом оптического нанокоммутатора является вход i-го оптического нановолновода из группы n информационных оптических нановолноводов (i=1, 2,…, n), выход i-го оптического нановолновода из группы n информационных оптических нановолноводов подключен к i-му входу оптического нановолноводного n-входного объединителя (i=1, 2, …, n), i-я пара телескопических нанотрубок расположена между выходом i-го оптического нановолновода из группы n адресных оптических нановолноводов и i-м выходом оптического нановолноводного n-выходного разветвителя (i=1, 2, …, n) по оси распространения их выходных оптических сигналов таким образом, что в крайнем верхнем положении внутренняя нанотрубка i-й пары телескопических нанотрубок разрывает оптические связи между выходом i-го оптического нановолновода из группы n информационных оптических нановолноводов и i-м входом оптического нановолноводного n-входного объединителя (i=1, 2, …, n), выход источника излучения подключен ко входу оптического нановолноводного n-выходного разветвителя, выход оптического нановолноводного n-входного объединителя является выходом устройства.
Функциональная схема оптического нанокоммутатора показана на чертеже.
Оптический нанокоммутатор содержит:
1
2
n
- 1, 1,…, 1 - группу n информационных оптических нановолноводов;
1
2
n
- 2, 2, …, 2 - группу n адресных оптических нановолноводов;
11
12
21
22
n1
n2
- 3, 3, 3, 3, …, 3, 3 - n пар телескопических нанотрубок;
- 4 - оптический нановолноводный n-выходной разветвитель;
- 5 - источник постоянного излучения с интенсивностью k×n усл(овных) ед(иниц);
- 6 - оптический нановолноводный n-входной объединитель.
i
1
2
n
i
1
2
n
Оптический нанокоммутатор имеет n информационных входов и n адресных входов, где i-м информационным входом оптического нанокоммутатора является вход i-го оптического нановолновода 1 из группы n информационных оптических нановолноводов 1, 1, …, 1 (i=1, 2,…, n), а i'-м адресным входом оптического нанокоммутатора является вход i-го оптического нановолновода 2 из группы n адресных оптических нановолноводов 2, 2, …, 2 (i=1, 2, …, n).
i
1
2
n
i
Выход i-го оптического нановолновода 1 из группы n информационных оптических нановолноводов 1, 1,…, 1 подключен к i-му входу 6 оптического нановолноводного n-входного объединителя 6 (i=1, 2, …, n).
i1
i2
i
i
Каждая i-я пара телескопических нанотрубок 3, 3 расположена между выходом i-го оптического нановолновода 2 из группы n адресных оптических нановолноводов и i-м выходом 4 оптического нановолноводного n-выходного разветвителя 4 по оси распространения их выходных оптических сигналов (i=1, 2, …, n).
i1
i1
i2
Под воздействием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность сил 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 3 i-й пары телескопических нанотрубок 3, 3 (i=1, 2, …, n) будет перемещаться в сторону оптического потока с меньшей интенсивностью (при этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимая сила для перемещения нанотрубки составляет аттоньютоны) [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
i1
i1
i2
i
1
2
n
i
В крайнем верхнем (исходном) положении внутренняя нанотрубка 3 i-й пары телескопических нанотрубок 3, 3 разрывает оптическую связь между выходом i-го оптического нановолновода 1 из группы n информационных оптических нановолноводов 1, 1,…, 1 и i-м входом 6 оптического нановолноводного n-входного объединителя 6 (i=1, 2, …, n).
Выход источника постоянного излучения 5 подключен ко входу оптического нановолноводного n-выходного разветвителя 4.
Выход оптического нановолноводного n-входного объединителя 6 является выходом устройства.
Работа устройства протекает следующим образом.
1
2
n
С выхода источника постоянного излучения 5 оптический поток с интенсивностью излучения k×n усл. ед. поступает на вход оптического нановолноводного n-выходного разветвителя 4, на каждом выходе 4, 4,…, 4 которого формируется оптический поток с интенсивностью k усл. ед.
i1
i1
i2
i
i
1
2
n
i
До подачи на адресные входы оптического нанокоммутатора управляющих оптических потоков устройство находится в начальном (исходном) состоянии - каждая i-я внутренняя нанотрубка 3 i-й пары телескопических нанотрубок 3, 3 находится в крайнем верхнем (исходном) положении, что обеспечивается воздействием оптического потока с интенсивностью k усл. ед., поступающего с i-го выхода 4 оптического нановолноводного n-выходного разветвителя 4 (i=1, 2,…, n). При этом отсутствует оптическая связь между выходом i-го оптического нановолновода 1 из группы n информационных оптических нановолноводов 1, 1,…, 1 и i-м входом 6 оптического нановолноводного n-входного объединителя 6 (i=1, 2, …, n).
1
2
n
Следовательно, ни один из информационных потоков, поступающих на информационные входы 1, 2, …, n оптического нанокоммутатора (с выходов информационных оптических нановолноводов 1, 1, …, 1), не поступит на выход устройства.
i1
i1
i2
i
i
При коммутации информационного оптического потока с i-го информационного входа оптического нанокоммутатора на его выход на i'-й адресный вход оптического нанокоммутатора поступает управляющий оптический поток с интенсивностью m>k усл.ед. При появлении на i'-м адресном входе этого потока внутренняя нанотрубка 3 i-й пары телескопических нанотрубок 3, 3 начнет перемещаться вниз вследствие появления разности сил, обусловленных давлениями световых потоков. При этом возникнет канал оптической связи по цепи: выход i-го оптического нановолновода 1 - i-й вход 6 оптического нановолноводного n-входного объединителя 6 (i=1, 2, …, n) - выход устройства.
11
21
(i+1)1
(i+2)1
n1
11
12
21
22
(i+1)1
(i+1)2
n1
n2
Следовательно, оптический поток, поступающий на i-й информационный вход, появится на выходе устройства. Все остальные внутренние нанотрубки 3, 3, …, 3, 3, 3 пар телескопических нанотрубок 3, 3, 3, 3, …, 3, 3, …, 3, 3 останутся в крайнем верхнем положении, не пропуская оптические потоки с 1-го, 2-го,…, (i+1)-го, (i+2)-го,… n-го информационных входов оптического нанокоммутатора на выход устройства.
Таким образом, осуществляется коммутация информационных оптических потоков, поступающих из n каналов передачи информации, на выход устройства.
-15
-16
-10
-9
Быстродействие оптического нанокоммутатора определяется массой внутренней нанотрубки (≈10-10 г), силой трения при ее движении (≈10 Н), разностью интенсивностей оптических сигналов и составляет ≈10 с. Для существующих волоконно-оптических систем передачи информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.