ОПТИЧЕСКИЙ Т-НАНОТРИГГЕР
OPTICAL NANO T 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 приемопередающих устройств.
Известным оптическим триггером является оптический RS-триггер, состоящий из оптических волноводов и оптических бистабильных элементов [Патент №2020528, Россия, 1994. Оптический триггер / Соколов С.В.].
Недостатками данного устройства являются невозможность реализации логических функций Т-триггера, а также невозможность реализации устройства в наноразмерном исполнении.
Существенные признаки указанного аналога, общие с заявляемым устройством, - оптические волноводы.
Наиболее близким по техническому исполнению к заявленному устройству является оптический нанокомпаратор [Патент №2 357 275, 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.
Недостатком прототипа является невозможность реализации логических функций Т-триггера.
Задачами изобретения являются создание оптического устройства, выполняющего логические функции Т-триггера как для когерентных, так и некогерентных входных оптических сигналов, а также реализация устройства в наноразмерном исполнении.
Техническим результатом является расширение возможностей устройства за счет выполнения логических функций Т-триггера при реализации последнего в наноразмерном исполнении.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический Т-нанотриггер, содержащий две пары телескопических нанотрубок, источник постоянного сигнала, введены входной оптический нановолноводный Y-разветвитель, пять оптических нановолноводных Y-разветвителей, три оптических нановолноводных Y-объединителя, информационным входом «Т» устройства является вход входного оптического нановолноводного Y-разветвителя, входом установки триггера в состояние логического «0» является второй вход первого оптического нановолноводного Y-объединителя, первый выход входного оптического нановолноводного Y-разветвителя оптически связан с первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя, второй выход входного оптического нановолноводного Y-разветвителя оптически связан с первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя, выход которого подключен к первому входу третьего оптического нановолноводного Y-объединителя, первая пара телескопических нанотрубок расположена между вторым выходом четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя и вторым выходом пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя по оси распространения их выходных сигналов таким образом, что в крайнем верхнем положении внутренняя нанотрубка первой пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между первым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя, при этом присутствует оптическая связь между вторым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя, в крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка первой пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между вторым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя, при этом присутствует оптическая связь между первым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя, выход источника постоянного излучения подключен ко входу первого оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход которого оптически связан со входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя, второй выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя оптически связан со входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко входу четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко входу пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя, первый выход четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко второму входу второго оптического нановолноводного Y-объединителя, первый выход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя подключен ко второму входу третьего оптического нановолноводного Y-объединителя, вторая пара телескопических нанотрубок расположена между выходами второго и третьего оптических нановолноводных Y-объединителей по оси распространения их выходных сигналов таким образом, что в крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка второй пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя, при этом присутствует оптическая связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя, в крайнем верхнем положении внутренняя нанотрубка второй пары телескопических нанотрубок разрывает оптическую связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя, при этом присутствует оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя, второй выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя является единичным выходом устройства, а второй выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя является нулевым 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 // Phvs. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
Функциональная схема оптического Т-нанотриггера показана на фигуре 1.
Оптический Т-нанотриггер содержит:
- 1 - входной оптический нановолноводный Y-разветвитель;
11
12
21
22
- 2, 2, 2, 2 - две пары телескопических нанотрубок;
- 3 - источник постоянного излучения (ИИ) с интенсивностью 4×n усл(овных) ед(иниц);
1
2
5
- 4, 4, …, 4 - пять оптических нановолноводных Y-разветвителей;
1
2
3
- 5, 5, 5 - три оптических нановолноводных Y-объединителя.
Информационным входом «Т» устройства является вход входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1.
1
Входом «RESET» устройства - входом установки оптического Т-нанотриггера в состояние логического «0», является второй вход первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5.
2
1
3
Первый выход входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 оптически связан с первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5. Второй выход входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 оптически связан с первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5, выход которого подключен к первому входу третьего оптического нановолноводного Y-объединителя 5.
11
12
4
5
Первая пара телескопических нанотрубок 2, 2 расположена между вторым выходом четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и вторым выходом пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 по оси распространения их выходных сигналов.
11
21
11
12
21
22
В исходном состоянии внутренние нанотрубки 2, 2 первой и второй пар телескопических нанотрубок 2, 2, 2, 2 соответсвенно находятся в среднем положении - втянуты вовнутрь внешних нанотрубок.
11
21
11
12
21
22
Под воздействием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность сил 5-15 нН), внутренние нанотрубки 2, 2 первой и второй пар телескопических нанотрубок 2, 2, 2, 2 соответственно будут 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].
11
11
12
2
1
В крайнем верхнем положении внутренняя нанотрубка 2 первой пары телескопических нанотрубок 2, 2 разрывает оптическую связь между первым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5, при этом присутствует оптическая связь между вторым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5.
11
11
12
1
2
В крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка 2 первой пары телескопических нанотрубок 2, 2 разрывает оптическую связь между вторым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5, при этом присутствует оптическая связь между первым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5.
1
3
1
2
Выход ИИ 3 подключен ко входу первого оптического                                           нановолноводного Y-разветвителя 4, первый выход которого оптически связан со входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4. Второй выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 оптически связан со входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4.
2
4
3
3
Первый выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 подключен ко входу четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4. Первый выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 подключен ко входу пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4.
4
2
5
3
Первый выход четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 подключен ко второму входу второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5. Первый выход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 подключен ко второму входу третьего оптического нановолноводного Y-объединителя 5.
21
22
2
3
Вторая пара телескопических нанотрубок 2, 2 расположена между выходами второго и третьего оптических нановолноводных Y-объединителей 5 и 5 по оси распространения их выходных сигналов.
21
21
22
1
3
1
2
В крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2 разрывает оптическую связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4, при этом присутствует оптическая связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4.
21
21
22
1
2
1
3
В крайнем верхнем положении внутренняя нанотрубка 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2 разрывает оптическую связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4, при этом присутствует оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4.
2
3
Второй выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 является единичным выходом устройства (Q1), а второй выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 является нулевым выходом (Q2) устройства.
Работа устройства протекает следующим образом.
11
21
11
12
21
22
В начальный момент времени работы внутренние нанотрубки 2, 2 первой и второй пар телескопических нанотрубок 2, 2, 2, 2 находятся в среднем положении - втянуты внутрь внешних нанотрубок силами Ван-дер-Ваальса. При этом состояние оптического Т-нанотриггера не определено.
1
3
21
21
22
Для перевода Т-нанотриггера в исходное состояние - состояние логического нуля, необходимо подать на вход «RESET» управляющий сигнал - оптический поток с интенсивностью n усл. ед. Этот оптический поток поступает на второй вход первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5 и, проходя через первый вход третьего оптического нановолноводного Y-объединителя 5, поступает с выхода последнего на внутреннюю нанотрубку 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2.
21
21
22
1
2
1
3
Под действием силы давления оптического потока внутренняя нанотрубка 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2 начнет перемещаться вверх и займет крайнее верхнее положение. При этом будет отсутствовать оптическая связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и присутствовать оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4.
21
21
22
1
1
3
3
5
5
3
3
После снятия управляющего сигнала - оптического потока с интенсивностью n усл. ед. со входа «RESET» внутренняя нанотрубка 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2 будет удерживаться в крайнем верхнем положении за счет оптического потока с интенсивностью 0,5×n усл. ед., который поступает по следующей цепочке: «выход ИИ 3 - вход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - второй выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - вход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - первый выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - вход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - первый выход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - второй вход третьего оптического Y-нановолноводного объединителя 5 - выход третьего оптического Y-нановолноводного объединителя 5».
11
11
12
1
1
3
3
5
5
Внутренняя нанотрубка 2 первой пары телескопических нанотрубок 2, 2 также изменит свое положение на крайнее нижнее за счет силы давления оптического потока с интенсивностью 0,5×n усл. ед., который поступает по следующей цепочке: «выход ИИ 3 - вход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - второй выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - вход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - первый выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - вход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - второй выход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4».
11
11
12
1
2
В крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка 2 первой пары телескопических нанотрубок 2, 2 перекрывает оптическую связь между вторым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5. При этом образуется оптическая связь между первым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5.
1
3
Одновременно, со второго выхода первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 оптический поток с интенсивностью 2×n усл. ед. поступает на вход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4, со второго выхода которого оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на нулевой выход Q2 устройства. Таким образом, осуществляется перевод оптического Т-нанотриггера в состояние логического «0».
Функции Т-триггера выполняются следующим образом. После сброса оптического Т-нанотриггера в состояние логического «0» на вход «Т» устройства необходимо подать управляющий сигнал - оптический поток с интенсивностью 2×n усл. ед.
2
21
21
22
11
11
12
21
21
22
21
21
22
1
3
1
2
3
11
11
12
5
При поступлении этого управляющего сигнала со входа «Т» через первый выход входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на первый вход второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5 и далее - на внутреннюю нанотрубку 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2 (на втором выходе входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 оптический поток с интенсивностью n усл. ед. будет поглощаться за счет того, что внутренняя нанотрубка 2 первой пары телескопических нанотрубок 2, 2 находится в крайнем нижнем положении). Под действием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков, внутренняя нанотрубка 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2 начнет перемещаться вниз. По достижении крайнего нижнего положения внутренняя нанотрубка 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2 перекрывает оптическую связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4. (При этом возникает оптическая связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4). Следовательно, оптический поток с интенсивностью 2×n усл. ед. со второго выхода третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 будет поглощаться, и на нулевом выходе Q2 устройства исчезнет оптический поток. При этом на внутреннюю нанотрубку 2 первой пары телескопических нанотрубок 2, 2 также перестанет поступать оптический поток со второго выхода пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4.
21
21
22
1
1
2
2
4
4
2
2
После снятия управляющего сигнала - оптического потока с интенсивностью 2×n усл. ед. со входа «Т» внутренняя нанотрубка 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2 будет удерживаться в крайнем нижнем положении за счет оптического потока с интенсивностью 0,5×n усл. ед., который поступает по следующей цепочке: «выход ИИ 3 - вход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - первый выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - вход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - первый выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - вход четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - первый выход четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - второй вход второго оптического Y-нановолноводного объединителя 5 - выход второго оптического Y-нановолноводного объединителя 5».
11
11
12
1
1
2
2
4
4
Внутренняя нанотрубка 2 первой пары телескопических нанотрубок 2, 2 также изменит свое положение на крайнее верхнее за счет силы давления оптического потока с интенсивностью 0,5×n усл. ед., который поступает по следующей цепочке: «выход ИИ 3 - вход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - первый выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - вход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - первый выход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - вход четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - второй выход четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4».
11
11
12
2
1
В крайнем верхнем положении внутренняя нанотрубка 2 первой пары телескопических нанотрубок 2, 2 перекрывает оптическую связь между первым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5. При этом образуется оптическая связь между вторым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5.
1
2
Одновременно с первого выхода первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 оптический поток с интенсивностью 2×n усл. ед. поступает на вход второго оптического нановолноводного Y-разветвителя 4, со второго выхода которого оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на единичный выход Q1 устройства. Таким образом, осуществляется формирование логической «1» оптическим Т-нанотриггером.
1
11
11
12
При подаче следующего по счету управляющего сигнала (импульса) на вход «Т» устройства, а именно: оптического потока с интенсивностью 2×n усл. ед., последний поступает на вход входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1, со второго выхода которого оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на первый вход первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5 (на первом выходе входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 оптический поток с интенсивностью n усл. ед. будет поглощаться за счет того, что внутренняя нанотрубка 2 первой пары телескопических нанотрубок 2, 2 находится в крайнем верхнем положении).
1
3
21
21
22
Далее этот оптический поток с выхода первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5 поступает на первый вход третьего первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5 и дальше - на внутреннюю нанотрубку 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2.
21
21
22
21
21
22
1
2
1
3
1
11
11
12
4
Под действием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков, внутренняя нанотрубка 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2 начнет перемещаться вверх. По достижении крайнего верхнего положения внутренняя нанотрубка 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2 перекрывает оптическую связь между первым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом второго оптического наповолноводного Y-разветвителя 4. (При этом возникает оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 и входом третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4). Следовательно, оптический поток с интенсивностью 2×n усл. ед. с первого выхода оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 будет поглощаться, и на единичном выходе Q1 устройства исчезнет оптический поток. При этом на внутреннюю нанотрубку 2 первой пары телескопических нанотрубок 2, 2 также перестанет поступать оптический поток со второго выхода четвертого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4.
21
21
22
1
1
3
3
5
5
3
3
После снятия управляющего сигнала - оптического потока с интенсивностью 2×n усл. ед. со входа «Т», внутренняя нанотрубка 2 второй пары телескопических нанотрубок 2, 2 будет удерживаться в крайнем верхнем положении за счет оптического потока с интенсивностью 0,5×n усл. ед., который поступает по следующей цепочке: «выход ИИ 3 - вход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - второй выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - вход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - первый выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - вход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - первый выход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - второй вход третьего оптического Y-нановолноводного объединителя 5 - выход третьего оптического Y-нановолноводного объединителя 5».
11
11
12
1
1
3
3
5
5
Внутренняя нанотрубка 2 первой пары телескопических нанотрубок 2, 2 также изменит свое положение на крайнее нижнее за счет давления оптического потока с интенсивностью 0,5×n усл. ед., который поступает по следующей цепочке: «выход ИИ 3 - вход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - второй выход первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - вход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - первый выход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - вход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 - второй выход пятого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4».
11
11
12
1
2
В крайнем нижнем положении внутренняя нанотрубка 2 первой пары телескопических нанотрубок 2, 2 перекрывает оптическую связь между вторым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 и первым входом первого оптического нановолноводного Y-объединителя 5. При этом образуется оптическая связь между выходом первым выходом входного оптического нановолноводного Y-разветвителя 1 и первым входом второго оптического нановолноводного Y-объединителя 5.
1
3
Одновременно, со второго выхода первого оптического нановолноводного Y-разветвителя 4 оптический поток с интенсивностью 2×n усл. ед. поступает на вход третьего оптического нановолноводного Y-разветвителя 4, со второго выхода которого оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на нулевой выход Q2 устройства. Таким образом, осуществляется формирование логического «0» оптическим Т-нанотриггером - Т-триггер переходит в состояние логического нуля.
И таким образом в целом осуществляется реализация логических функций Т-нанотриггера.
-15
-16
-10
-9
Быстродействие оптического Т-нанотриггера определяется массами внутренних нанотрубок (≈10-10 г), силой трения при их движении (≈10 Н), разностью интенсивностей оптических сигналов и составляет ≈10с. Для существующих оптических средств обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.