ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ НАНОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
OPTICAL ANALOGUE-TO-DIGITAL NANO-CONVERTER

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.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), описанный в патенте РФ № 2177165, 2001 г. Время преобразования в данном АЦП прямо пропорционально значению его выходного кода и периоду следования импульсов. Недостатками данного АЦП являются его низкое быстродействие и невозможность наноразмерного исполнения.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи преобразования в позиционный инверсный последовательный двоичный код оптических аналоговых сигналов на основе использования алгоритма весового кодирования с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации, и задачи их реализации в наноразмерном исполнении.
Поставленная задача возникает при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемопередающих 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.; Krеnn 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, содержащее оптический объединитель, оптические Y-разветвители, введены четыре оптических нановолоконных объединителя, пять оптических нановолоконных Y-разветвителя, две телескопические нанотрубки, три оптические нановолоконные линии задержки, причем входом опорного сигнала является первый вход первого оптического нановолоконного объединителя, выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен к входу четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя, а второй выход первого оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен к входу второго оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен к входу первой оптической нановолоконной линии задержки, а второй выход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя является поглощающим, выход первой оптической нановолоконной линии задержки подключен к второму входу первого оптического нановолоконного объединителя, информационным входом устройства является первый вход второго оптического нановолоконного объединителя, выход которого подключен к входу третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя, второй выход третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен к входу второй оптической нановолоконной линии задержки, выход второй оптической нановолоконной линии задержки подключен к второму входу второго нановолоконного объединителя, первый выход четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя оптически связан с первым входом четвертого оптического нановолоконного объединителя, а второй выход четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен к первому входу третьего оптического нановолоконного объединителя, выход которого оптически связан с вторым торцом внутренней нанотрубки, первый выход третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя оптически связан с первым торцом внутренней нанотрубки, телескопические нанотрубки расположены между выходом третьего оптического нановолоконного объединителя и первым выходом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, телескопические нанотрубки расположены таким образом, что в крайнем левом положении внутренняя нанотрубка разорвет оптическую связь четвертого оптического нановолоконного объединителя с первым выходом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя, при этом оптический сигнал с выхода первого оптического нановолокна будет беспрепятственно проходить на вход второго оптического нановолокна, в крайнем правом положении внутренняя нанотрубка разорвет оптическую связь первого и второго оптического нановолокна, при этом оптический сигнал с первого выхода четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя будет беспрепятственно проходить на первый вход четвертого оптического нановолоконного объединителя, выход четвертого оптического нановолоконного объединителя подключен ко входу третьей оптической нановолоконной линии задержки, выход которой подключен ко входу пятого оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход пятого оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу третьего оптического нановолоконного объединителя, а второй - ко второму входу четвертого оптического нановолоконного объединителя, выход источника оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход которого оптически связан со входом второго оптического нановолокна, выход которого является выходом устройства.
На чертеже представлена функциональная схема оптического аналого-цифрового нанопреобразователя (ОАЦНП).
i
i=1…2
i
i=1…4
i
i=1...5
i
i=1...2
1
2
i
i=1…3
Устройство состоит из двух оптических нановолокон 1, , четырех оптических нановолоконных объединителей 2, , пяти оптических нановолоконных Y-разветвителей 3, , двух телескопических нанотрубок 4,  (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка), трех оптических нановолоконных линий задержки 5, , которые могут быть выполнены в виде оптических нановолокон соответствующей длины, источника оптического сигнала 6 с интенсивностью 1 усл(овная) ед(иница).
1
2
2
Первый вход первого оптического нановолоконного объединителя 2 является входом опорного сигнала «G» аналого-цифрового преобразования. Первый вход второго оптического нановолоконного объединителя 2 является входом ОАЦНП, на который подается входной световой поток «Ф». Выходом устройства «D» является выход второго оптического нановолокна 1.
1
1
4
2
2
1
1
1
4
4
1
Выход первого оптического нановолоконного объединителя 2 подключен ко входу первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, первый выход которого подключен ко входу четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, а второй - ко входу второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3. Первый выход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 подключен к входу первой оптической нановолоконной линии задержки 5, а второй выход является поглощающим. Выход первой оптической нановолоконной линии задержки 5 подключен ко второму входу первого оптического нановолоконного объединителя 2. Первый выход четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 оптически связан с первым входом четвертого оптического нановолоконного объединителя 2, а второй выход подключен к первому входу третьего оптического нановолоконного объединителя 23, выход которого оптически связан с торцом внутренней нанотрубки 4.
2
3
2
2
1
Выход второго оптического нановолоконного объединителя 2 подключен к первому входу третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, второй выход которого подключен ко входу второй оптической нановолоконной линии задержки 5, выход которой подключен ко второму входу второго оптического нановолоконного объединителя 2, a первый оптически связан с торцом внутренней нанотрубки 4.
1
2
3
3
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходом третьего оптического нановолоконного объединителя 2 и первым выходом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 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
4
4
1
2
В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 4 разорвет оптическую связь четвертого оптического нановолоконного объединителя 2 с первым выходом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, при этом оптический сигнал с выхода оптического нановолокна 1 будет беспрепятственно проходить на вход оптического нановолокна 1.
1
1
2
4
4
В крайнем правом положении внутренняя нанотрубка 4 разорвет оптическую связь оптического нановолокна 1 и оптического нановолокна 1, при этом оптический сигнал с первого выхода четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 будет беспрепятственно проходить на первый вход четвертого оптического нановолоконного объединителя 2.
4
3
5
5
3
4
Выход четвертого оптического нановолоконного объединителя 2 подключен ко входу третьей оптической нановолоконной линии задержки 5, выход которой подключен ко входу пятого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3. Первый выход пятого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 подключен ко второму входу третьего оптического нановолоконного объединителя 2, а второй - ко второму входу четвертого оптического нановолоконного объединителя 2.
1
2
Выход источника оптического сигнала 6 подключен ко входу первого оптического нановолокна 1, выход которого оптически связан со входом второго оптического нановолокна 1, выход которого является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом.
3
Аналого-цифровое преобразование, реализуемое в предложенном ОАЦНП, основано на многошаговой процедуре формирования вспомогательного сигнала - путем последовательного суммирования соответствующих разрядных эталонов, и последующем сравнении его со входным сигналом. Так как на сегодняшний день отсутствуют какие-либо варианты исполнения наносхем оптического усиления, а при формировании вспомогательного сигнала за счет процедуры хранения и считывания из пассивной оптической нановолоконной линии задержки очередного эталона происходит его уменьшение в два раза (за счет использования оптических нановолоконных Y-разветвителей, интенсивность сигнала на выходе которых в два раза меньше, чем на входе), то для компенсации неизбежного уменьшения вспомогательного сигнала на каждом шаге процедуры в предложенном ОАЦНП предусмотрено пропорциональное ему уменьшение и входного сигнала (с помощью оптического нановолоконного Y-разветвителя 3). Это же обстоятельство вызвало необходимость использования в устройстве инверсной логики - т.е. логической «1» в формируемом разряде ОАЦНП соответствует интенсивность текущего сигнала на выходе устройства «D», равная 0 усл.ед., а логическому «0» соответствует интенсивность текущего сигнала, равная 1 усл.ед.
1
1
2
1
1
С этой же целью первая группа последовательно соединенных функциональных оптических элементов ОАЦНП 2, 3, 3, 5 обеспечивает формирование последовательности оптических импульсов (длительность которых равна длительности входного импульса), такой, что интенсивность первого импульса на выходах оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 в два раза меньше интенсивности входного импульса, а интенсивность каждого последующего импульса в четыре раза меньше интенсивности предыдущего.
2
3
2
4
3
5
Вторая группа последовательно соединенных функциональных оптических элементов 2, 3, 5 обеспечивает формирование из одного входного импульса интенсивности Ф последовательности оптических импульсов с длительностью, равной длительности входного импульса, и интенсивностью, в два раза меньшей интенсивности предыдущего импульса - для последующей компенсации уменьшения интенсивности сигнала, проходящего по кольцу из элементов 2, 5, 3 (в 2 раза).
4
3
5
Третья группа последовательно соединенных функциональных оптических элементов 2, 5, 3 обеспечивает суммирование вспомогательного сигнала, полученного на предыдущем шаге с эталонным сигналом соответствующего текущему разряду, хранение вспомогательного сигнала в течение одного такта работы ОНАЦП.
N
N
N
Рассмотрим работу предложенного ОАЦНП на примере ОАЦНП, формирующего трехразрядный двоичный код (поясняя отдельные значения параметров для общего случая N разрядов). Т.к. в соответствии с вышеизложенным интенсивность «I» исходного сигнала, находящаяся в пределах от 0 до 7 (2-1) усл.ед., предварительно масштабируется (умножается на 2, где N - количество разрядов ОАЦНП), то интенсивность сигнала на входе «Ф» устройства будет равна I·2.
2
l
0
N
3
2N
N
3
N
3
N
3
Так, при подаче на вход ОАЦНП исходного импульса интенсивности 6 усл.ед., соответствующей двоичному коду «110» (1·2+1·2+0·2=6), интенсивность импульса на входе «Ф» будет составлять 6·2=6·2=6·8=48 усл.ед. При этом интенсивность опорного импульса G=2 и для трехразрядного ОАЦНП составляет 64 усл.ед. (Это также приводит к тому, что интенсивность входного сигнала, необходимая для формирования «I» в старшем разряде ОАЦНП, составляет 4·2=4·2=4·8=32 усл.ед., в среднем разряде - 2·2=2·2=2·8=16 усл.ед., а в младшем разряде - 1·2=1·2=1·8=8 усл.ед.).
N
3
0
3
0
Поступающий на вход «Ф» сигнал с интенсивностью 48 (6·2) усл.ед., пройдя через оптический нановолоконный Y-разветвитель 3, уменьшает свою интенсивность в 2 раза - в момент времени t интенсивность сигнала на первом выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 будет составлять f=Ф/2=48/2=24 усл.ед.
2N
2N
1
4
0
3
4
Опорный сигнал со входа «G» устройства с интенсивностью 64 (G=2) усл.ед., пройдя два оптических нановолоконных Y-разветвителя 3 и 3 и уменьшившись по интенсивности в 4 раза, формирует в момент времени t на первом входе оптического нановолоконного объединителя 2 (и втором выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 3) сигнал с интенсивностью 16 (G/4=2/4) усл.ед.
3
0
0
Интенсивность оптического сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 2 равна сумме сигналов: с интенсивностью опорного сигнала g, соответствующей уровню «1» в анализируемом текущем разряде, и с интенсивностью вспомогательного сигнала h, полученного на предыдущем шаге при анализе предыдущего разряда.
0
3
Очевидно, что в момент времени t интенсивность оптического сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 2 будет равна:
0
0
g+h=16+0=16 усл.ед.
3
3
1
4
4
3
Следовательно, интенсивность оптического потока на выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 будет больше интенсивности оптического потока на выходе оптического нановолоконного объединителя 2, поэтому внутренняя нанотрубка 4 переместится вправо. В результате возникнет оптическая связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и первым входом оптического нановолоконного объединителя 2 - оптический сигнал с интенсивностью, соответствующей уровню «1» в старшем разряде ОАЦНП, поступит на вход оптической нановолоконной линии задержки 5.
1
2
Оптическая связь между оптическими нановолокнами 1 и 1 при этом будет отсутствовать, т.е. на выходе устройства «D» будет сформирован нулевой оптический сигнал - с интенсивностью 0 усл.ед., соответствующей формированию логической «1» в старшем разряде ОАЦНП. (Т.к. в устройстве принята инверсная логика, то нулевой оптический сигнал на выходе «D» соответствует формированию логической «1» в текущем - в данном случае старшем, разряде ОАЦНП).
На втором шаге преобразования работа ОАЦНП организована следующим образом.
1
1
2
1
4
1
2N
2N
2N
Через время dt, обеспечиваемое оптической нановолоконной линией задержки 5, опорный оптический сигнал, пройдя два оптических нановолоконных Y-разветвителя 3 и 3 и за счет этого уменьшившись по интенсивности в 4 раза (G/4=2/4=16 усл.ед.), поступит вновь на вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, где уменьшится в два раза (G/8=2/8=8 усл.ед.) и далее - на вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, на выходе которого опять уменьшится в два раза (G/16=2/16=g=4 усл.ед.).
2
3
0
3
1
3
N
N
Аналогично через это же время dt, обеспечиваемое уже оптической нановолоконной линией задержки 5, входной оптический сигнал, пройдя оптический нановолоконный Y-разветвитель 3 и уменьшившись по интенсивности в 2 раза (Ф/2=6·2/2=f=24 усл.ед.), поступит вновь на вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, где опять уменьшится в два раза (Ф/4=6·2/4=f=12 усл.ед.), и далее - на первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 3.
1
0
3
1
0
Т.о., в момент времени t=t+dt интенсивность оптического сигнала на первом выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 будет равна f=f/2=24/2=12 усл.ед.
3
4
1
5
1
0
0
1
1
На выходе оптического нановолоконного объединителя 2 в результате суммирования оптического импульса со второго выхода оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 (с интенсивностью g, соответствующей уровню текущего анализируемого разряда) с оптическим импульсом вспомогательного (эталонного или калибровочного) сигнала сравнения, сформированным в результате анализа предыдущего разряда и уменьшенным по интенсивности в 2 раза после прохождения через оптический нановолоконный Y-разветвитель 3 - т.е. с интенсивностью h=(g+h)/2=(0+16)/2=8 усл.ед., формируется оптический сигнал, интенсивность которого будет равна g+h=4+8=12 усл.ед.
1
3
3
1
1
1
1
1
1
1
Т.к. интенсивность f оптического потока на первом выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 будет равна интенсивности оптического потока на выходе оптического нановолоконного объединителя 2: f=g+h, внутренняя нанотрубка 4 переместится вправо (для гарантированного перемещения нанотрубки обеспечивается условие f≥g+h за счет выбора коэффициента затухания (например, выбором длины нановолокна)).
1
2
Оптическая связь между оптическими нановолокнами 1 и 1 будет разорвана - на выходе устройства «D» формируется оптический сигнал с интенсивностью 0 усл.ед. (соответствующей в принятой инверсной логике логической «1»).
1
1
2
1
4
2
2N
2N
2N
На третьем шаге преобразования работа ОАЦНП осуществляется следующим образом. Через время dt, обеспечиваемое оптической нановолоконной линией задержки 5, опорный оптический сигнал, уже дважды пройдя два оптических нановолоконных Y-разветвителя 3 и 3 и за счет этого уменьшившись по интенсивности в 16 раз (G/16=2/16=4 усл.ед.), поступит вновь на вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, где уменьшится в два раза (G/32=2/32=2 усл.ед.), и далее - на вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, на выходе которого опять уменьшится в два раза (G/64=2/64=g=1 усл.ед.).
2
3
2
3
N
Аналогично через это же время dt, обеспечиваемое уже оптической нановолоконной линией задержки 5, входной оптический сигнал, трижды пройдя оптический нановолоконный Y-разветвитель 3 и уменьшившись по интенсивности в 8 раз (Ф/8=6·2/8=f=6 усл.ед.), поступит на первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 3.
2
1
3
2
1
Т.о., в момент времени t=t+dt интенсивность оптического сигнала на первом выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 будет равна f=f/2=12/2=6 усл.ед.
3
4
1
5
2
1
1
2
2
На выходе оптического нановолоконного объединителя 2 в результате суммирования оптического импульса со второго выхода оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 (с интенсивностью g, соответствующей уровню текущего анализируемого разряда) с оптическим импульсом вспомогательного (эталонного или калибровочного) сигнала сравнения, сформированным в результате анализа предыдущего разряда и уменьшенным по интенсивности в 2 раза после прохождения через оптический нановолоконный Y-разветвитель 3 - т.е. с интенсивностью h=(g+h)/2=(4+8)/2=6 усл.ед., формируется оптический сигнал, интенсивность которого будет равна g+h=l+6=7 усл.ед.
2
3
3
2
2
2
1
1
2
Т.к. интенсивность f оптического потока на первом выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 будет меньше интенсивности оптического потока на выходе оптического нановолоконного объединителя 2: f<g+h, внутренняя нанотрубка 4 переместится влево. Образуется оптическая связь между оптическими нановолокнами 1 и 1, на выходе устройства «D» формируется оптический сигнал с интенсивностью 1 усл.ед. (соответствующей в принятой инверсной логике логическому «0»). Таким образом, на выходе устройства будет сформирована временная последовательность логических сигналов: 1, 1 и 0, соответствующая уровню входного сигнала, равному «6».