ОПТИЧЕСКОЕ КОДИРУЮЩЕЕ НАНОУСТРОЙСТВО
OPTICAL ENCODING 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 в наноразмерном исполнении.
Известные различные кодирующие устройства (преобразователи кодов), построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983], обеспечивающие преобразование N входных сигналов в М выходных сигналов.
Недостатками этих кодирующих устройств являются большая сложность и низкое быстродействие.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналоговый наномультиплексор, содержащий M входных оптических нановолокон, M оптических нановолокон, оптический М-входной нановолоконный объединитель, две телескопические нанотрубки, источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, управляющее оптическое нановолокно, оптический нановолоконный N-входной объединитель [Патент №2419126, Россия, 2011. Оптический аналоговый наномультиплексор / Каменский В.В., Соколов С.В.].
Недостатком данного оптического аналогового наномультиплексора является невозможность выполнения функции кодирования оптических сигналов.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи кодирования оптических сигналов, задачи упрощения устройства и задачи реализации устройства в наноразмерном исполнении.
Поставленные задачи возникают при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемопередающих наноустройств.
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 него введены N-1 оптических наноусилителей, оптический N+1-входной нановолоконный объединитель, второй источник постоянного оптического сигнала, Р групп входных оптических нановолокон, Р групп промежуточных оптических нановолокон, Р групп выходных оптических нановолокон, М оптических Р-входных нановолоконных объединителей, причем, информационными входами устройства являются входы Р групп входных оптических нановолокон, управляющими входами устройства является первый вход оптического N+1-входного нановолоконного объединителя и входы оптических наноусилителей, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен к первому входу оптического N+1-входного нановолоконного объединителя, выходы оптических наноусилителей подключены ко входам оптического N+1-входного нановолоконного объединителя, выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен к входу оптического нановолоконного Q -выходного разветвителя, выходы оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя оптически связаны со входами оптического Q-входного нановолоконного объединителя обратной связи, Р групп входных оптических нановолокон и оптический нановолоконный Q-выходной разветвитель расположен во взаимно перпендикулярных плоскостях, телескопические нанотрубки расположены между выходами оптического N+1-входного нановолоконного объединителя и оптического Q-входного нановолоконного объединителя обратной связи по оси распространения их выходных оптических сигналов, выход каждого входного оптического нановолокна оптически связан с входом одного промежуточного оптического нановолокна, а выход каждого промежуточного оптического нановолокна оптически связан с входом одного выходного оптического нановолокна, каждая группа выходных оптических нановолокон подключена к одноименным входам оптических нановолоконных Р-входных объединителей, выходы оптических нановолоконных Р-входных объединителей являются выходами устройства.
1
2
N
1
2
M
11
PM
N
В зависимости от входных сигналов {x, х, …x} оптическое кодирующее наноустройство позволяет сформировать выходные сигналы {Y, Y, …Y} в соответствии со значениями требуемой функции. Значения требуемой функции должны быть установлены на информационных входах «D-D», где P=2.
i, i=1, N-1
i, i=1, 2
i, i=1, 2
1
2
1ij, i=1…P, j=1…M
2ij, i=i…P, j=1…M
3ij, i=i…P, j=1…M
i, i=1, M
Устройство состоит из N-1 оптических наноусилителей 1, оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2, двух источников постоянного оптического сигнала 3, двух телескопических нанотрубок 4 4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка), оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 5, оптического Q-входного нановолоконного объединителя 6 обратной связи, Р групп входных оптических нановолокон 7, Р групп промежуточных оптических нановолокон 7, Р групп выходных оптических нановолокон 7, M оптических Р-входных нановолоконных объединителей 8.
11
PM
1ij
1
N-1
Информационными входами устройства «D-D» являются входы входных оптических нановолокон 7. Управляющими входами устройства является первый вход оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 и входы оптических наноусилителей 1…1.
1
М
1
М
Выходами устройства Y…Y являются выходы оптических нановолоконных N-входных объединителей 8…8.
1
Выход первого источника постоянного оптического сигнала 3 подключен к первому входу оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2, выходы оптических наноусилителей подключены ко входам оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2. Оптические наноусилители могут быть выполнены в соответствии с [Патент №2423733, Россия, 2011. Оптический наноусилитель / Каменский В.В., Соколов С.В.].
2
Выход второго источника постоянного оптического сигнала 3 подключен к входу оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 5. Выходы оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 5 оптически связаны со входами оптического Q-входного нановолоконного объединителя 6 обратной связи.
1
2
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходами оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 и оптического Q-входного нановолоконного объединителя 6 обратной связи по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под действием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 Вт создает разность сил 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 4 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]).
1ij, i=1…Р, j=1…M
2ij, i=1…P, j=1…M
3ij, i=1…P, j=1…M
В пределах одной группы входные оптические нановолокна 7, промежуточные оптические нановолокона 7 и выходные оптические нановолокона 7 располагаются линейно (фиг.1) или радиально (фиг.2).
1ij, i=1…P, j=1… M
2ij, i=1…P, j=1…M
2ij, i=1…P, j=1…M
3ij, j=1…P, j=1…M
Выход каждого входного оптического нановолокна 7 оптически связан с входом одного промежуточного оптического нановолокна 7, а выход каждого промежуточного оптического нановолокна 7 оптически связан с входом одного выходного оптического нановолокна 7.
11i…711M
21i
21M
21i
21M
31i
31M
Выходы первой группы входных оптических нановолокон 7 (i=1…M) оптически связаны со входами первой группы промежуточных оптических нановолокон 7…7, а выходы первой группы промежуточных оптических нановолокон 7…7 оптически связаны со входами первой группы выходных оптических нановолокон 7…7.
1ij
2ij
2ij
3ij
Выходы группы i входных оптических нановолокон 7 (j=1…M) оптически связаны со входами группы i промежуточных оптических нановолокон 7, а выходы группы i промежуточных оптических нановолокон 7 оптически связаны со входами группы i выходных оптических нановолокон 7.
3i1
1
3i2
2
3ij
j
Первые выходы каждой группы выходных оптических нановолокон 7 подключены ко входам первого оптического нановолоконного Р-входного объединителя 8. Вторые выходы каждой группы выходных оптических нановолокон 7 подключены ко входам второго оптического нановолоконного Р-входного объединителя 8. Выходы j каждой группы i выходных оптических нановолокон 7 подключены ко входам j-го оптического нановолоконного Р-входного объединителя 8.
1ij, i=1…P, j=1…M
2ij, i=1…P, j=1…M
Световой поток от Р групп входных оптических нановолокон 7 и Р групп промежуточных оптических нановолокон 7 распространяются по оси OY, световой поток от оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 5 распространяется по оси OZ (фиг.1).
1
2ij
3ij
В исходном положении внутренняя нанотрубка 4 находится в крайнем левом (исходном) положении и разрывает оптические связи между выходами оптического нановолоконного Q-выходного разветвителя 5 и входами оптического Q-входного нановолоконного объединителя 6. Оптические связи между выходами промежуточных оптических нановолокон 7 и входами выходных оптических нановолокон 7 при этом сохраняются.
Устройство работает следующим образом.
2
С выхода источника постоянного оптического сигнала 3 сигнал с интенсивностью Q·K усл.ед. (Q - количество выходов Q-выходного оптического нановолоконного разветвителя 5) поступает на вход Q-входного оптического нановолоконного объединителя 6, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K усл.ед.
1
1
1
С выхода источника постоянного оптического сигнала 3 сигнал с интенсивностью 1 усл.ед. поступает на второй вход оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2. Оптические сигналы на остальных входах оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 равны нулю, поэтому интенсивность сигнала на его выходе будет равна 1 усл.ед. Тогда на внутреннюю нанотрубку 4 будет действовать разность сил за счет следующих световых давлений: давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе N+1-входного нановолоконного объединителя 2-F=Z·I (Z - коэффициент пропорциональности), и давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе Q-входного оптического нановолоконного объединителя 6.
1
1
1
Под действием разности световых давлений внутренняя нанотрубка 4 из крайнего левого положения начнет перемещаться вправо, интенсивность светового потока на выходе Q-входного оптического нановолоконного объединителя 6 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «S» внутренней нанотрубки 4. Т.к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки 4 составляют единицы микрон, а диаметры оптических нановолокон - нанометры, то изменение величины перемещения «S» для ясности последующего изложения можно считать непрерывным (дискретный характер изменения «S» не вносит никаких принципиальных ограничений в принцип действия устройства) - интенсивность светового потока на выходе Р-входного оптического нановолоконного объединителя 6 будет равна «К·S», где «K» - интенсивность постоянного оптического сигнала.
1
Оптический сигнал с интенсивностью «К·S» формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 4 вправо, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «S» замедляется.
1
По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 4) величина перемещения «S» будет равна
1
1
S=I/K.
1
-15
-16
-9
-7
-8
(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 4 (≈10-10 г), силой трения при ее движении (≈10 Н), интенсивностью «K» постоянного оптического сигнала, интенсивностью I входного оптического сигнала и составляет ≈10-10 с).
1
Источник оптического сигнала 3 обеспечивает начальное смещение нанотрубки при входных сигналах, равных нулю.
1
1
11i…
11M
21i
21M
21i
21M
31i
31M
11
1M
1
M
Смещение внутренней нанотрубки 4 вправо на величину S приведет к образованию связей между выходами первой группы входных оптических нановолокон 77 и входами первой группы промежуточных оптических нановолокон 7…7, оптические связи между выходами первой группы промежуточных оптических нановолокон 7…7 и входами первой группы выходных оптических нановолокон 7…7 сохраняются. Оптические сигналы с информационных входов «D-D» поступят на выходы Y…Y устройства.
i, i=1, N-1
1
2
N
2
3
N-1
N-1
2-1
N-1
3-1
N-1-1
Усилители 1 обеспечивают цифроаналоговое преобразование сигналов, поступающих на входы «x», «x» …«x», путем усиления сигнала со входа «x» 2=2=2 - в два раза, со входа «х» 2=2=4 - в четыре раза, со входа «x» в 2 раза.
1
2
При подаче на вход «x» оптического сигнала интенсивностью 1 усл.ед. (на остальных входах оптические сигналы равны 0) на выходе N+1-входного нановолоконного объединителя 2 будет присутствовать сигнал с интенсивностью I=2 усл. ед.
1
Тогда внутренняя нанотрубка 4 начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения «S» будет равна
2
2
S=I/K.
Таким образом, каждому входному оптическому сигналу с интенсивностью I будет соответствовать свое перемещение внутренней нанотрубки S.
2
1
111
11M
121
12M
211
21M
221
22M
211
21M
311
31M
21
2M
1
M
В положении S внутренняя нанотрубка 4 не препятствует образованию оптических связей между выходами входных оптических нановолокон первой и второй групп 7…7, 7…7 и входами промежуточных нановолокон 7…7, 7…7, но препятствует образованию оптических связей между выходами промежуточных оптических нановолокон 7…72 и входами выходных оптических нановолокон 7…7. Оптические сигналы с информационных входов «D-D» поступят на выходы Y…Y устройства.
1il
1iM
3il
3iM
1il
1iM
2il
2iM
3il
3iM
1
M
1
M
В зависимости от подаваемых входных сигналов внутренняя нанотрубка будет перемещаться в соответствующее положение, при этом только одна группа входных оптических нановолокон 7…7 будет оптически связана с одной группой выходных оптических нановолокон 7…7. И соответственно, сигналы со входов только одной группы входных оптических нановолокон 7…7 через промежуточные 7…7 и выходные нановолокна 7…7, через оптические Р-входные нановолоконные объединители 8…8 поступят на выходы Y…Y устройства.
Например, для построения на основе оптического кодирующего устройства приоритетного шифратора, осуществляющего кодирование трех входных сигналов в два выходных, на входы входных оптических нановолокон подаются сигналы:
11
12
21
22
31
32
41
42
D=0, D=0, D=0, D=1, D=1, D=0, D=1, D=0,
51
52
61
62
71
72
81
82
D=1, D=1, D=1, D=1, D=1, D=1, D=1, D=1.
3
2
1
1
1
11
12
2
1
При подаче на управляющие входы устройства оптических сигналов, равных нулю «x»=0, «x»=0, «x»=0, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 составит 4·0+2·0+1·0+1=1 усл.ед., в результате внутренняя нанотрубка 4 переместится в положение S, при котором сигналы с информационных входов «D-D» поступают на выходы устройства Y=0, Y=0.
3
2
1
1
2
21
22
2
1
При подаче на управляющие входы устройства оптических сигналов, равных «x»=0, «x»=0, «x»=1, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 составит 4·0+2·0+1·1+1=2 усл.ед. - в результате внутренняя нанотрубка 4 переместится в положение S, при котором сигналы с информационных входов «D-D» поступают на выходы устройства Y=0, Y=1.
3
2
1
1
3
31
32
2
1
При подаче на управляющие входы устройства оптических сигналов, равных «x»=0, «x»=1, «x»=0, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 составит 3 усл.ед. - в результате внутренняя нанотрубка 4 переместится в положение S, при котором сигналы с информационных входов «D-D» поступают на выходы устройства Y=1, Y=0.
3
2
1
1
4
41
42
2
1
При подаче на управляющие входы устройства оптических сигналов, равных «x»=0, «x»=1, «x»=1, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 составит 4 усл.ед. - в результате внутренняя нанотрубка 4 переместится в положение S, при котором сигналы с информационных входов «D-D» поступают на выходы устройства Y=l, Y=0.
3
2
1
1
5
51
52
2
1
При подаче на управляющие входы устройства оптических сигналов, равных «x»=1, «x»=0, «x»=0, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 составит 5 усл.ед. - в результате внутренняя нанотрубка 4 переместится в положение S, при котором сигналы с информационных входов «D-D» поступают на выходы устройства Y=1, Y=l.
3
2
1
3
2
1
3
2
1
1
6
8
i1
i2
2
1
При подаче на управляющий вход устройства оптических сигналов, равных «x»=1, «x»=0, «x»=1 или «x»=1, «x»=1, «x»=0 или «x»=1, «x»=1, «x»=1, интенсивность оптического сигнала на выходе оптического N+1-входного нановолоконного объединителя 2 составит от 6 до 8 усл.ед. - в результате внутренняя нанотрубка 4 переместится в одно из положений (S…S) при котором, сигналы с соответствующих информационных входов «D-D» (i=6…8) поступают на выходы устройства Y=1, Y=1.
N
2
1
1
M
i1
i2
Таким образом, в зависимости от комбинации сигналов на входах «x», «x» и «x» на выходах устройства Y…Y появятся оптические сигналы, установленные на информационных входах «D-D».
1
Следует отметить, что вход «х» может быть использован как вход аналогового управления, а на входы входных оптических нановолокон могут подаваться аналоговые оптические сигналы, что позволит производить кодирование аналоговых сигналов.
Простота данного оптического наноусилителя, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемопередающих наноустройств.