ОПТИЧЕСКОЕ АНАЛОГОВОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ НАНОУСТРОЙСТВО
OPTICAL ANALOG MEMORY 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.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический триггер, содержащий группу оптических ответвлений [Патент №2020528, Россия, 1994. Оптический триггер. / Соколов С.В].
Недостатками данного устройства являются его сложность, невозможность хранения аналоговых сигналов, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.
Заявленное устройство направлено на решение задачи хранения как когерентных, так и некогерентных оптических аналоговых сигналов с быстродействием записи и считывания, потенциально возможным для оптических процессорных схем, а также задачи наноразмерного исполнения устройства.
Поставленная задача возникает при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемо-передающих наноустройств, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцевом 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.; 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 устройство содержит входное оптическое нановолокно, оптическое нановолокно сигнала управления записью, оптическое нановолокно сигнала управления чтением, выходное оптическое нановолокно, оптический нановолоконный объединитель, четыре оптических нановолоконных Y-разветвителя, три пары телескопических нанотрубок, содержащих внутреннюю и внешнюю нанотрубки, первый и второй оптические нановолоконные N-выходные разветвители, выходной оптический N-входной нановолоконный объединитель, оптический N-входной нановолоконный объединитель обратной связи и источник постоянного оптического сигнала, входом устройства - входом записываемого аналогового оптического сигнала, является вход входного оптического нановолокна, входом сигнала управления записью является вход оптического нановолокна сигнала управления записью, входом сигнала управления чтением является вход оптического нановолокна сигнала управления чтением, выходом устройства является выход выходного оптического нановолокна, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, а второй выход подключен ко входу четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу второго оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, а второй выход подключен ко входу первого оптического нановолоконного Y-разветвителя, выходы первого оптического нановолоконного N-выходного разветвителя оптически связаны со входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя, выход которого подключен ко входу второго оптического нановолоконного Y-разветвителя, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного разветвителя оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, при этом направления распространения выходных световых потоков данных оптических нановолоконных N-выходных разветвителей взаимно ортогональны, вторая пара телескопических нанотрубок расположена между выходами оптического нановолоконного объединителя и оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи по оси распространения их выходных оптических сигналов, выход входного оптического нановолокна оптически связан с первым входом оптического нановолоконного объединителя, второй вход которого оптически связан со вторым выходом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого оптически связан со входом выходного оптического нановолокна, первая пара телескопических нанотрубок расположена между выходом оптического нановолокна сигнала управления записью и первым выходом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя, а третья пара телескопических нанотрубок расположена между выходом оптического нановолокна сигнала управления чтением и вторым выходом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя, причем в исходном положении внутренняя нанотрубка первой пары телескопических нанотрубок разрывает оптические связи между выходом входного оптического нановолокна и первым входом оптического нановолоконного объединителя, внутренняя нанотрубка второй пары телескопических нанотрубок разрывает оптические связи между выходами первого и второго оптических нановолоконных N-выходных разветвителей и соответственно входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя и оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, а внутренняя нанотрубка третьей пары телескопических нанотрубок разрывает оптические связи между первым выходом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя и входом выходного оптического нановолокна.
На чертеже представлена функциональная схема оптического аналогового запоминающего наноустройства. Для удобства дальнейшего анализа его работы на чертеже введена условная система координат OXYZ.
1
2
3
4
i, i=1,4
i, i=1,6
1
3
5
2
4
6
i, i=1,2
1
2
1
2
Устройство состоит из входного оптического нановолокна 1 оптического нановолокна сигнала управления записью 1, оптического нановолокна сигнала управления чтением 1, выходного оптического нановолокна 1, оптического нановолоконного объединителя 2, четырех оптических нановолоконных Y-разветвителей 3, трех пар телескопических нанотрубок 4, (4, 4, 4 - внутренние нанотрубки, 4, 4, 4 - внешние нанотрубки), первого и второго оптических нановолоконных N-выходных разветвителей 5, (N-количество выходов N-выходных оптических нановолоконных разветвителей 5 и 5), выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 6, оптического N-входного нановолоконного объединителя 6 обратной связи, источника постоянного оптического сигнала 7.
1
2
3
Входом записываемого аналогового оптического сигнала "ВХ" является вход входного оптического нановолокна 1, входом управления записью "ЗП" является вход оптического нановолокна сигнала управления записью 1, входом управления чтением "ЧТ" является вход оптического нановолокна сигнала управления чтением 1.
Выходом устройства "ВЫХ" является выход выходного оптического нановолокна
4
1.
3
1
4
2
1
Выход источника постоянного оптического сигнала 7 подключен ко входу третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, первый выход которого подключен ко входу первого оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5, а второй выход подключен ко входу четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, первый выход которого подключен ко входу второго оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5, а второй выход подключен ко входу первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3.
1
1
2
2
Выходы первого оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5 оптически связаны со входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 6, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5 оптически связаны со входами оптического N-входного нановолоконного объединителя 6 обратной связи.
1
2
Световой поток от первого оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5 распространяется по оси OY, световой поток от второго оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 5 распространяется по оси OZ.
3
4
2
3
Телескопические нанотрубки 4, 4 (вторая пара) расположены между выходами оптического нановолоконного объединителя 2 и оптического N-входного нановолоконного объединителя 6 обратной связи 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
2
2
4
Выход входного оптического нановолокна 1 оптически связан с первым входом оптического нановолоконного объединителя 2, а второй выход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 оптически связан со вторым входом оптического нановолоконного объединителя 2. Первый выход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 оптически связан со входом выходного оптического нановолокна 1.
1
2
2
1
5
6
3
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 (первая пара) расположены между выходами оптического нановолокна сигнала управления записью 1 и первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, а телескопические нанотрубки 4, 4 (третья пара) расположены между выходами оптического нановолокна сигнала управления чтением 1 и вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 3.
1
1
3
i, i=1,2
1
2
5
В исходном положении внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходом входного оптического нановолокна 1 и первым входом оптического нановолоконного объединителя 2, внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами первого и второго оптических нановолоконных N-выходных разветвителей 5 и соответственно входами выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 6 и оптического N-входного нановолоконного объединителя 6 обратной связи, а внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между первым выходом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя
2
4
3 и входом выходного оптического нановолокна 1.
Устройство работает следующим образом.
3
4
1
1
5
3
2
В исходном состоянии оптический сигнал с интенсивностью 4·К усл.ед. от источника постоянного оптического сигнала 7, пройдя через оптические нановолоконные Y-разветвители 3 и 3, поступает на вход оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, с каждого выхода которого на внутренние нанотрубки 4 и 4 поступает световой поток с интенсивностью 0,5·К усл.ед., сила давления которого перемещает их в крайнее левое положение - устройство устанавливается в исходное (начальное) состояние (внутренняя нанотрубка 4 перемещается в крайнее левое положение аналогично - силой давления светового потока с выхода оптического N-входного нановолоконного объединителя 6 обратной связи).
1
A
На вход входного оптического нановолокна 1 подается запоминаемый оптический сигнал (с интенсивностью I усл.ед.).
1
2
3
После подачи на вход "ЗП" оптического сигнала управления записью с интенсивностью больше 0,5·К усл.ед. внутренняя нанотрубка переместится в крайнее правое положение, создавая оптическую связь между входным оптическим нановолокном 1 и первым входом оптического нановолоконного объединителя 2, а также разрывая оптическую связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и вторым входом оптического нановолоконного объединителя 2. В результате запоминаемый оптический сигнал, поступая со входа "ВХ" через оптический нановолоконный объединитель 2, начинает оказывать световое давление на нанотрубку 4.
3
1
4
2
С выхода источника постоянного оптического сигнала 7 сигнал с интенсивностью 4·К усл.ед., пройдя через третий оптический нановолоконный Y-разветвитель 3 (и уменьшившись в два раза по интенсивности), поступает на вход N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 5 и на вход четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, с первого выхода которого оптический сигнал с интенсивностью К усл.ед. поступает на вход N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 5.
A
3
Под действием разности световых давлений, создаваемых оптическими потоками (входным I и потоком обратной связи), внутренняя нанотрубка 4 из исходного положения начнет перемещаться вправо.
2
3
3
2
Интенсивность светового потока на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 6 обратной связи начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «X» (вдоль оси ОХ) внутренней нанотрубки 4. Т.к. длина внутренней нанотрубки 4 составляет единицы микрон, а диаметр оптических нановолокон - единицы нанометров, изменение величины перемещения «X» для ясности последующего изложения можно считать непрерывным (дискретный характер изменения «X» не вносит никаких принципиальных ограничений в принцип действия устройства) - интенсивность светового потока на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 6 обратной связи будет равна K·X усл.ед.
2
3
Оптический сигнал с интенсивностью К·Х усл.ед. на входе оптического нановолоконного N-входного объединителя 6 обратной связи формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 4 вправо, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «X» замедляется.
3
(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 4
-15
-16
-9
-9
-10
A
(≈10 -10 г), силой трения при ее движении (≈10 Н), интенсивностью «К» постоянного оптического сигнала, интенсивностями I входных оптических сигналов и составляет ≈10-10 с).
3
3
A
По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 4) силы, действующие на внутреннюю нанотрубку 4 с противоположных концов, будут равны (разность световых давлений, создаваемых оптическими потоками - входным I и потоком обратной связи, будет равна нулю), а величина ее перемещения «X» будет равна
A
A
Х=(Z·I)/(ZК)=I/К,
3
где Z - коэффициент перевода интенсивности оптического сигнала в силу светового давления, действующую на внутреннюю нанотрубку 4.
1
В результате прохождения через отверстие величиной «X» оптического потока с интенсивностью 2·К усл.ед. интенсивность оптического сигнала на выходе выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 6 составит
ВЫХ
A
A
I=2К·Х=2K·I/К=2I.
1
2
A
С выхода выходного оптического N-входного нановолоконного объединителя 6 оптический сигнал поступает на вход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, с выходов которого снимаются уже оптические сигналы с интенсивностью I.
1
1
1
По окончании сигнала управления записью "ЗП" внутренняя нанотрубка 4 под действием светового давления оптического сигнала, поступающего с первого выхода оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, переместится в крайнее левое положение и разорвет оптическую связь между выходом входного оптического нановолокна 1 и первым входом оптического нановолоконного объединителя 2.
2
A
Сигнал со входа "ВХ" на первый вход оптического нановолоконного объединителя 2 больше поступать не будет, а вместо него на второй вход оптического нановолоконного объединителя 2 начнет поступать оптический сигнал со второго выхода оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 с интенсивностью I, реализуя режим хранения оптического сигнала.
5
A
2
4
При подаче оптического сигнала управления "ЧТ" (с интенсивностью больше 0,5·К усл.ед.) внутренняя нанотрубка 4 переместится из крайнего левого положения в крайнее правое положение и сигнал I с первого выхода второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 поступит на вход выходного оптического нановолокна 1, выход которого является выходом устройства.
Таким образом, по сигналу управления записью (вход "ЗП") осуществляется запись аналогового оптического сигнала, поданного на вход "ВХ", после снятия сигнала управления записью производится хранение входного аналогового оптического сигнала, а по сигналу управления чтением (вход "ЧТ") производится передача хранящегося аналогового оптического сигнала на выход устройства ("ВЫХ").
Простота данного оптического аналогового запоминающего устройства и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.