ОПТИЧЕСКИЙ НАНОСЕЛЕКТОР МИНИМАЛЬНОГО И МАКСИМАЛЬНОГО СИГНАЛОВ
OPTICAL NANOSELECTOR OF MINIMUM AND MAXIMUM SIGNALS

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических наноустройствах обработки информации для выбора (селекции) минимального и максимального сигналов из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход.
Известным оптическим селектором минимального сигнала является селектор минимального сигнала [А.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.], предназначенный для вычисления минимального сигнала из совокупности оптических сигналов, поданных на его вход. Селектор минимального сигнала содержит дифференциальные оптроны, входные оптические волноводы.
Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптические волноводы.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, невозможность определения максимального сигнала сигналов из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход, а также невозможность реализации устройства в наноразмерном исполнении.
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, - телескопические нанотрубки, источник постоянного сигнала, входные оптические нановолноводы.
Недостатком прототипа является невозможность определения минимального и максимального сигналов из совокупности оптических сигналов, подаваемых на вход устройства.
Задачами изобретения являются создание оптического устройства, способного определять минимальный и максимальный сигналы из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход, и формировать на выходах устройства оптические сигналы с интенсивностями, пропорциональными минимальному и максимальному сигналам, а также реализация устройства в наноразмерном исполнении.
Техническим результатом является расширение возможностей устройства за счет выполнения функций определения минимального и максимального сигналов из совокупности входных оптических сигналов и формирования на выходах устройства оптических сигналов с интенсивностями, пропорциональными минимальному и максимальному сигналам, при реализации устройства в наноразмерном исполнении.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический наноселектор минимального и максимального сигналов, содержащий телескопические нанотрубки, первый оптический источник постоянного сигнала, входные оптические нановолноводы, введены второй оптический источник постоянного сигнала, n+3 оптических n-выходных нановолноводных разветвителей, n+2 оптических n-входных нановолноводных объединителей, оптический трехвыходной нановолноводный разветвитель, оптический вычитающий наноблок, i-м входом оптического наноселектора минимального и максимального сигналов является вход i-го входного оптического нановолновода (i=1, 2,…, n), выход первого оптического источника постоянного сигнала подключен ко входу (n+3)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя, i-й выход которого оптически связан со входом i-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя, каждый i-й выход которого оптически связан с i-м входом i-го оптического n-входного нановолноводного объединителя, выход второго оптического источника постоянного сигнала подключен ко входу оптического трехвыходного нановолноводного разветвителя, первый выход которого подключен к первому входу оптического вычитающего наноблока, второй выход оптического трехвыходного нановолноводного разветвителя подключен ко входу (n+2)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя, третий выход оптического трехвыходного нановолноводного разветвителя подключен ко входу (n+1)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя, каждый i-ый выход которого имеет оптическую связь с i-м входом (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя, каждый i-ый выход (n+2)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя оптически связан с i-м входом (n+2)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя, i-я пара телескопических нанотрубок расположена между выходом i-го оптического n-входного нановолноводного объединителя и выходом i-го входного оптического нановолновода по оси распространения их выходных оптических сигналов таким образом, что в исходном положении внутренняя нанотрубка любой i-й пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между выходами (n+1)-го - оптического n-выходного нановолноводного разветвителя и соответствующими входами (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя и оптическую связь между выходами i-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя и соответствующими входами i-го оптического n-входного нановолноводного объединителя, при этом присутствует оптическая связь между выходами (n+2)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя и соответствующими входами (n+2)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя, а при крайнем левом положении внутренних нанотрубок всех пар телескопических нанотрубок присутствует оптическая связь между всеми выходами (n+1)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя и соответствующими входами (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя, при этом внутренняя нанотрубка любой i-й пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между выходами (n+2)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя и соответствующими входами (n+2)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя, но присутствует оптическая связь между выходами i-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя и соответствующими входами i-го оптического n-входного нановолноводного объединителя, выход (n+2)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя подключен ко второму входу оптического вычитающего наноблока, выход (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя является первым выходом устройства, а выход оптического вычитающего наноблока является вторым выходом устройства.
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 // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
Функциональная схема оптического наноселектора минимального и максимального сигналов показана на фигуре 1.
Оптический наноселектор минимального и максимального сигналов содержит:
1
2
n
- 1, 1,…,1 - n входных оптических нановолноводов;
1
2
2
- 2 и 2 - первый и второй источники постоянного излучения (ИИ) с интенсивностями n усл(овных) ед(иниц) и 3×n усл. ед. соответственно;
1
2
n
n+1
n+2
n+3
- 3, 3,…, 3, 3, 3, 3, - n+3 оптических нановолноводных n-выходных разветвителей;
11
12
21
22
1
2
- 4, 4, 4, 4,…, 4n, 4n - n пар телескопических нанотрубок;
1
2
n
n+1
n+2
- 5, 5,…, 5, 5, 5 - n+2 оптических n-входных нановолноводных объединителей;
- 6 - оптический трехвыходной нановолноводный разветвитель;
- 7 - оптический вычитающий наноблок, который может быть реализован в виде оптического вычитающего наноустройства [патент №2364906, РФ. Оптическое вычитающее наноустройство / Соколов С.В., Каменский В.В., 2009 г, БИ №23].
i
Оптический наноселектор минимального и максимального сигналов имеет n входов, причем i-м входом является вход i-го входного оптического нановолновода 1 (i=1, 2,…, n).
1
n+3
i
i
i
i
i
Выход первого ИИ 2 подключен ко входу (n+3)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3, i-й выход которого оптически связан со входом i-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 (i=1, 2,…, n). Каждый i-й выход i-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 оптически связан с i-м входом i-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (i=1, 2,…, n). Направление распространения оптического сигнала с i-го выхода i-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 на i-й вход i-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (i=1, 2,…, n) параллельно оси OZ (как показано на фигуре 1).
2
Выход второго ИИ 2 подключен ко входу оптического трехвыходного нановолноводного разветвителя 6, первый выход которого подключен к первому входу оптического вычитающего наноблока 7.
n+2
Второй выход оптического трехвыходного нановолноводного разветвителя 6 подключен ко входу (n+2)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3.
n+1
Третий выход оптического трехвыходного нановолноводного разветвителя 6 подключен ко входу (n+1)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3.
n+1
n+1
n+1
n+1
Каждый i-ый выход (n+1)-го оптического n-выходпого нановолноводного разветвителя 3 имеет оптическую связь с i-м входом (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (i=1, 2,…, n). Направление распространения оптического сигнала с i-го выхода (n+1)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 на i-й вход (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (i=1, 2,…, n) параллельно оси OY (как показано на фигуре 1).
n+2
n+2
n+2
n+2
Каждый i-ый выход (n+2)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 оптически связан с i-м входом (n+2)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (i=1, 2,…, n). Направление распространения оптического сигнала с i-го выхода (n+2)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 на i-й вход (n+2)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (i=1, 2,…, n) параллельно оси OY (как показано на фигуре 1).
i1
i2
i
i
Каждая i-ая пара телескопических нанотрубок 4, 4 расположена между выходом i-го входного оптического нановолновода 1 и выходом i-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 по оси распространения их выходных оптических сигналов (i=1, 2,…, n), которая параллельна оси ОХ (как показано на фигуре 1).
i1
i1
i2
Под воздействием разности сил, обусловленных давлениями световых сигналов (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность сил 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 4 i-й пары телескопических нанотрубок 4, 4 (i=1, 2,…,n) будет перемещаться в сторону оптического сигнала 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
n+1
n+1
i
i
В крайнем правом (исходном) положении любая внутренняя нанотрубка 4 i-й пары телескопических нанотрубок 4, 4 разрывает оптическую связь между выходами (n+1)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и соответствующими входами (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 и оптическую связь между выходами i-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и соответствующими входами i-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (i=1, 2,…, n).
11
21
n1
11
12
21
22
n1
n2
n+2
n+2
При крайнем правом (исходном) положении всех внутренних нанотрубок 4, 4,…, 4 пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4 присутствует оптическая связь между выходами (n+2)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и соответствующими входами (n+2)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5.
11
21
n1
11
12
21
22
n1
n2
n+1
n+1
При крайнем левом положении всех внутренних нанотрубок 4, 4,…, 4 пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4 присутствует оптическая связь между всеми выходами (n+1)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и соответствующими входами (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5.
i1
i1
i2
n+2
n+2
i1
i1
i2
i
i
При крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 4 i-й пары телескопических нанотрубок 4, 4 разрывает оптическую связь между выходами (n+2)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и соответствующими входами (n+2)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (i=1, 2,…, n). Также при крайнем левом положении внутренней нанотрубки 4 i-й пары телескопических нанотрубок 4, 4 присутствует оптическая связь между выходами i-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и соответствующими входами i-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (i=1, 2,…, n).
n+2
n+1
Выход (n+2)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 подключен ко второму входу оптического вычитающего наноблока 7 (в соответствии с его описанием в […]). Выход (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 является первым выходом устройства (выход 1) - выходом, на котором формируется оптический сигнал с интенсивностью, пропорциональной минимальному оптическому сигналу из совокупности входных оптических сигналов. Выход оптического вычитающего наноблока 7 является вторым выходом устройства (выход 2) - выходом, на котором формируется оптический сигнал с интенсивностью, пропорциональной максимальному оптическому сигналу из совокупности входных оптических сигналов.
Работа устройства протекает следующим образом.
1
n+3
i
2
С выхода первого ИИ 2 оптический сигнал с интенсивностью n усл. ед. поступает на вход (n+3)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3, на каждом i-м выходе которого формируется оптический сигнал с интенсивностью n усл. ед. (i=1, 2,…, n). Этот оптический сигнал поступает на вход i-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3, на каждом i-м выходе которого формируется оптический сигнал с интенсивностью 1 уел ед. (i=1, 2,…, n).
1
n+2
n+1
С выхода второго ИИ 2 оптический сигнал с интенсивностью 3×n усл. ед. поступает на вход оптического трехвыходного нановолноводного разветвителя 6, с первого выхода которого оптический сигнал с интенсивностью n усл. ед. поступает на первый вход оптического вычитающего наноблока 7. Со второго выхода оптического трехвыходного нановолноводного разветвителя 6 оптический сигнал с интенсивностью n усл. ед. поступает на вход (n+2)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3, на каждом i-м выходе которого формируется оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. (i=1, 2,…, n). С третьего выхода оптического трехвыходного нановолноводного разветвителя 6 оптический сигнал с интенсивностью n усл.ед. поступает на вход (n+1)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3, на каждом i-м выходе которого формируется оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. (i=1, 2,…, n).
n+1
n+1
11
21
n1
11
12
21
22
n1
n2
В исходном состоянии (когда на входы оптического наноселектора минимального и максимального сигналов не подаются оптические сигналы) оптические сигналы с выходов (n+1)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 не пройдут на входы (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (будут поглощаться), так как все внутренние нанотрубки 4, 4,…, 4 n пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4 находятся в крайних правых положениях. Следовательно, на выходе 1 устройства оптический сигнал будет равен нулю.
11
21
n1
11
12
21
22
n1
n2
n+2
n+2
Одновременно, при крайнем правом положении всех внутренних нанотрубок 4, 4,…, 4 n пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4 оптические сигналы с выходов (n+2)-го оптического n-выходното нановолноводного разветвителя 3 поступают на входы (n+2)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5, формируя на выходе последнего оптический сигнал с интенсивностью n усл. ед. Этот сигнал поступает на второй вход оптического вычитающего наноблока 7, работа которого описана в [патент №2 364 906, РФ. Оптическое вычитающее наноустройство / Соколов С.В., Каменский В.В., 2009 г., БИ №23]. Так как на первый вход оптического вычитающего наноблока 7 с первого выхода оптического трехвыходного нановолноводного разветвителя 6 поступает оптический сигнал также с интенсивностью n усл. ед., то на выходе оптического вычитающего наноблока 7 оптический сигнал будет равен нулю.
1
2
n
1
2
n
11
21
n1
11
12
21
22
n1
n2
Пусть далее совокупность n оптических сигналов, интенсивность минимального из которых равна k усл. ед. (k<n), а интенсивность максимального из которых равна m усл. ед. (m≤n), подается на входы оптического наноселектора минимального и максимального сигналов - т.е. на входы входных оптических нановолноводов 1, 1,…, 1. Далее с выходов входных оптических нановолноводов 1, 1,…, 1 эти оптические сигналы поступают на соответствующие внутренние нанотрубки 4, 4,…, 4 n пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4.
11
21
n1
11
12
21
22
n1
n2
n+1
n+1
Под действием сил давлений входных оптических сигналов внутренние нанотрубки 4, 4,…, 4 n пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4 начнут перемещаться влево. По мере их перемещения влево будет появляться оптическая связь между выходами (n+1)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и соответствующими входами (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5.
i1
i1
i2
i
i
Кроме того, по мере перемещения влево внутренней нанотрубки 4 i-й пары телескопических нанотрубок 4, 4 будет появляться оптическая связь между выходами i-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и соответствующими входами i-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (i=1, 2,…, n).
i
i
i1
i1
i2
При появлении оптической связи между 1-м, 2-м,…, k-м выходами i-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и 1-м, 2-м,…, k-м входами i-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 на выходе последнего формируется оптический сигнал обратной связи с интенсивностью k усл. ед. (i=1, 2,…, n), поступающий на внутреннюю нанотрубку 4 i-й пары телескопических нанотрубок 4, 4 (i=1, 2,…, n).
Допустим, что оптический сигнал с минимальной интенсивностью k усл. ед. поступает на i-ый вход, а оптический сигнал с максимальной интенсивностью m усл. ед. поступает на j-ый вход оптического наноселектора минимального и максимального сигналов.
s1
s1
s2
s
i1
i1
i2
11
21
i-1,1
i+1,1
n1
11
12
21
22
i-1,1
i+1,2
n1
n2
-9
Каждая внутренняя нанотрубка 4 s-й пары телескопических нанотрубок 4, 4 по окончании переходного процесса (≈10 с) прекратит свое движение влево и остановится (т.к. с двух сторон на нее будут действовать два одинаковых по интенсивности оптических сигнала - входной и обратной связи с выхода s-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (s=1, 2,…, n)). Положение внутренней нанотрубки 4 i-й пары телескопических нанотрубок 4, 4 при этом окажется более правым, чем положения всех остальных внутренних нанотрубок 4, 4,…, 4, 4,…, 4 n-1 пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4,…, 4, 4 (i=1, 2,…, n), ввиду наименьшей интенсивности i-го оптического сигнала, равной k усл. ед.
n+1
n+1
n+1
При этом будет присутствовать оптическая связь между 1-м, 2-м,…, k-м выходами (n+1)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и 1-м, 2-м,…, k-м входами (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5. Следовательно, на выходе (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 (на выходе 1 устройства) формируется оптический сигнал с интенсивностью k усл. ед., что соответствует интенсивности минимального оптического сигнала из совокупности оптических сигналов, подаваемых на вход селектора минимального и максимального сигналов.
j1
j1
j2
11
21
j-1,1
j+1,1
1
11
12
21
22
j-1,1
j+1,2
1
2
Одновременно, положение внутренней нанотрубки 4 j-й пары телескопических нанотрубок 4, 4 окажется более левым, чем положения всех остальных внутренних нанотрубок 4, 4,…, 4, 4,…, 4n n-1 пар телескопических нанотрубок 4, 4, 4, 4,…, 4, 4,…, 4n, 4n (j=1, 2,…, n), ввиду наибольшей интенсивности j -го оптического сигнала, равной m усл. ед.
n+1
n+1
n+1
При этом будет присутствовать оптическая связь между 1-м, 2-м,…, (n-m)-м выходами (n+1)-го оптического n-выходного нановолноводного разветвителя 3 и 1-м, 2-м,…, (n-m)-м входами (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5. Следовательно, на выходе (n+1)-го оптического n-входного нановолноводного объединителя 5 формируется оптический сигнал с интенсивностью (n-m) усл. ед. Этот оптический сигнал поступает на второй вход оптического вычитающего наноблока 7 (работа которого описана в [патент №2364906, РФ. Оптическое вычитающее наноустройство / Соколов С.В., Каменский В.В., 2009 г., БИ №23]), на первом входе которого присутствует оптический сигнал с интенсивностью n усл. ед. Следовательно, на выходе оптического вычитающего наноблока 7 (на выходе 2 устройства) формируется оптический сигнал с интенсивностью (n-(n-m))=m усл. ед., что соответствует интенсивности максимального оптического сигнала из совокупности оптических сигналов, подаваемых на вход селектора минимального и максимального сигналов.
После прекращения подачи на вход оптического наноселектора минимального и максимального сигналов совокупности n оптических сигналов все внутренние нанотрубки займут крайнее правое (исходное) положение за счет давления оптических сигналов обратной связи. Оптический наноселектор минимального и максимального сигналов придет в исходное состояние.
Таким образом, оптический наноселектор минимального и максимального сигналов определяет минимальный и максимальный сигналы из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход, и формирует на своих выходах оптические сигналы с интенсивностями, пропорциональными интенсивностям этих минимальных и максимальных сигналов.
-15
-16
-10
-9
Быстродействие оптического наноселектора минимального и максимального сигналов определяется массой внутренней нанотрубки (≈10-10 г), силой трения при ее движении (≈10 н) и составляет ≈10 с. Для существующих оптических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.