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 триггер, состоящий из оптических волноводов и оптических бистабильных элементов [RU Патент №2020528, 1994. Оптический триггер / Соколов С.В.].
Недостатками данного устройства являются сложность и невозможность реализации в наноразмерном исполнении. Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое вычитающее устройство, содержащее входной оптический разветвитель [RU Патент №2364906, 2009. Оптическое вычитающее наноустройство / Соколов С.В., Каменский В.В.].
Недостатками данного устройства являются сложность, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.
Заявленное устройство направлено на решение задачи реализации логических функций Т-триггера как для когерентных, так и для некогерентных входных оптических сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, а также задачи наноразмерного исполнения устройства.
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.; 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 источник постоянного оптического сигнала, оптический 5-выходной нановолоконный разветвитель, оптический 4-выходной нановолоконный разветвитель, четыре оптических нановолоконных Y-разветвителя, три пары телескопических нанотрубок, содержащих внутреннюю и внешнюю нанотрубки, пять оптических нановолокон, входом устройства является вход пятого оптического нановолокна, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя, выходы которого оптически связаны со входами четырех оптических нановолоконных Y-разветвителей, пятый выход оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя подключен ко входу оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя, второй, третий и четвертый выходы оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя являются поглощающими, вторая пара телескопических нанотрубок расположена между выходами первого и второго оптических нановолокон по оси распространения их выходных оптических сигналов, в крайнем правом положении внутренней нанотрубки второй пары оптическая связь между первым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя и входом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя присутствует, а оптическая связь между вторым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя и входом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя отсутствует, в крайнем левом положении внутренней нанотрубки второй пары оптическая связь между первым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя и входом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя отсутствует, а оптическая связь между вторым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя и входом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя присутствует, телескопические нанотрубки третьей пары расположены между выходами третьего и четвертого оптических нановолокон по оси распространения их выходных оптических сигналов, в крайнем правом положении внутренней нанотрубки третьей пары оптическая связь между третьим выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя и входом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя присутствует, а оптическая связь между четвертым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя и входом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя отсутствует, в крайнем левом положении внутренней нанотрубки третьей пары оптическая связь между третьим выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя и входом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя отсутствует, а оптическая связь между четвертым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя и входом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя присутствует, телескопические нанотрубки первой пары расположены между выходами пятого оптического нановолокна и первым выходом оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, в крайнем правом положении внутренней нанотрубки первой пары оптическая связь между вторым выходом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя и входом второго нановолокна присутствует, кроме этого в крайнем правом положении внутренней нанотрубки первой пары присутствует оптическая связь между вторым выходом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя и входом первого нановолокна, а оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя и входом третьего нановолокна отсутствует, кроме этого отсутствует оптическая связь между вторым выходом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя и входом четвертого нановолокна, в крайнем левом положении внутренней нанотрубки первой пары оптическая связь между вторым выходом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя и вторым нановолокном отсутствует, кроме этого в крайнем левом положении внутренней нанотрубки первой пары отсутствует оптическая связь между вторым выходом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя и входом первого нановолокна, а оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя и входом третьего нановолокна присутствует, кроме этого присутствует оптическая связь между вторым выходом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя и входом четвертого нановолокна, выходами устройства являются первый выход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя - прямой выход и первый выход первого оптического нановолоконного Y-разветвителя - инверсный выход.
На чертеже представлена функциональная схема оптического Т-нанотриггера.
1
2
i, i=i…4
i, i=i…6
1
3
5
2
4
6
i, i=1…5
Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2, оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2, четырех оптических нановолоконных Y-разветвителей 3, шести телескопических нанотрубок 4, (4, 4, 4, - внутренняя нанотрубка, 4, 4, 4, - внешняя нанотрубка) и пяти оптических нановолокон 5.
5
2
1
1
2
Входом устройства «С» является вход оптического нановолокна 5. Выходами устройства являются первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 (Q - прямой выход) и первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 (Q - инверсный выход).
1
i
i=i…4
1
2
2
Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2, выходы которого оптически связаны со входами четырех оптических нановолоконных Y-разветвителей 3, . Пятый выход оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 оптически связан со входом оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2. Второй, третий и четвертый выходы оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2 являются поглощающими.
3
4
1
2
1
3
2
3
3
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходами первого и второго оптических нановолокон 5, 5 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Световой поток с выхода первого оптического нановолокна 5 воздействует на внутреннюю нанотрубку 4 с левой стороны, перемещая ее вправо, а световой поток с выхода второго оптического нановолокна 5 воздействует на внутреннюю нанотрубку 4 с правой стороны, перемещая ее влево. Под воздействием разности давлений световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 Вт 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]).
3
1
1
1
2
В крайнем правом положении внутренней нанотрубки 4 оптическая связь между первым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 и входом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 присутствует, а оптическая связь между вторым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 и входом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 отсутствует.
3
1
1
1
2
В крайнем левом положении внутренней нанотрубки 4 оптическая связь между первым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 и входом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 отсутствует, а оптическая связь между вторым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 и входом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 присутствует.
5
6
3
4
3
5
4
5
5
1
3
1
4
5
1
3
1
4
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходами третьего и четвертого оптических нановолокон 5, 5 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Световой поток с выхода третьего оптического нановолокна 5 воздействует на внутреннюю нанотрубку 4 с левой стороны, перемещая ее вправо, а световой поток с выхода четвертого оптического нановолокна 5 воздействует на внутреннюю нанотрубку 4 с правой стороны, перемещая ее влево. В крайнем правом положении внутренней нанотрубки 4 оптическая связь между третьим выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 и входом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 присутствует, а оптическая связь между четвертым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 и входом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 отсутствует. В крайнем левом положении внутренней нанотрубки 4 оптическая связь между третьим выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 и входом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 отсутствует, а оптическая связь между четвертым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 и входом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 присутствует.
1
2
5
2
1
2
1
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходами пятого оптического нановолокна 5 и первым выходом оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Световой поток с выхода пятого оптического нановолокна воздействует на внутреннюю нанотрубку 4 с левой стороны, перемещая ее вправо, а световой поток с первого выхода оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2 воздействует на внутреннюю нанотрубку 4 с правой стороны, перемещая ее влево.
1
3
2
1
4
1
1
3
2
4
1
3
2
1
4
1
1
3
2
4
В крайнем правом положении внутренней нанотрубки 4 оптическая связь между вторым выходом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и входом второго нановолокна 5 присутствует, кроме этого в крайнем правом положении внутренней нанотрубки 4 присутствует оптическая связь между вторым выходом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и входом первого нановолокна 5, a оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и входом третьего нановолокна 5 отсутствует, кроме этого отсутствует оптическая связь между вторым выходом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и входом четвертого нановолокна 5, в крайнем левом положении внутренней нанотрубки 4 оптическая связь между вторым выходом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и вторым нановолокном 5 отсутствует, кроме этого в крайнем левом положении внутренней нанотрубки 4 отсутствует оптическая связь между вторым выходом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и входом первого нановолокна 5, а оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и входом третьего нановолокна 5 присутствует, кроме этого присутствует оптическая связь между вторым выходом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и входом четвертого нановолокна 5,
Устройство работает следующим образом.
3
5
Под воздействием внешних импульсов, поступающих на вход С, устройство последовательно проходит четыре устойчивых состояния, которые определяются положением внутренных нанотрубок 4 и 4.
Состояние 1
(4<sub>3</sub>= Левое) & (4<sub>5</sub>= Левое)
Состояние 2
(4<sub>3</sub>= Правое) & (4<sub>5</sub>= Левое)
Состояние 3
(4<sub>3</sub>= Правое) & (4<sub>5</sub>= Правое)
Состояние 4
(4<sub>3</sub>= Левое) & (4<sub>5</sub>= Правое).
Правила переходов устройства из одного состояния в другое определяются следующими выражениями:
Правило 1 (С=0)
& (4<sub>3</sub>= Левое)→4<sub>5</sub>= Левое
Правило 2 (С=0)
& (4<sub>3</sub>= Правое)→4<sub>5</sub>= Правое
Правило 3 (С=1)
& (4<sub>5</sub>= Левое)→4<sub>3</sub>= Правое
Правило 4 (С=1)
& (4<sub>5</sub>= Правое)→4<sub>3</sub>= Левое
5
3
3
5
Если входной сигнал равен 0, то внутренняя нанотрубка 4 переместится в то же положение, в котором находится внутренняя нанотрубка 4. Если входной сигнал равен 1, то внутренняя нанотрубка 4 переместится в положение, противоположное по отношению к положению внутренней нанотрубки 4.
1
1
1
Положение внутренней нанотрубки 4 однозначно определяется интенсивностью сигнала на входе С. Если сигнал на входе С равен 1, то нанотрубка 4 устанавливается в крайнее правое положение, а если сигнал на входе С равен 0, то нанотрубка 4 устанавливается в крайнее левое положение.
1
3
5
1
2
Начальное состояние внутренних нанотрубок 4, 4, 4 не имеет значения, так как при переходе сигнала на входе С из нуля в единицу уровень сигнала на выходах Q и Q не устанавливается в 0 или 1, а изменяет свое значение на противоположное.
3
5
1
i
i=i…3
1
2
2
1
1
Для определенности, пусть внутренние нанотрубки 4 и 4 находятся в правом положении, а внутренняя нанотрубка 4 - в левом положении. Пусть на вход С подан сигнал интенсивности 0 усл.ед. Оптический сигнал с выхода источника постоянного оптического сигнала 1 с интенсивностью 10 усл.ед. поступает на вход оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2; и, уменьшившись по интенсивности в 5 раз, с интенсивностью 2 усл.ед поступает на входы четырех выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 3, . С пятого выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 оптический сигнал с интенсивностью 2 усл.ед. поступает на вход оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2. Оптический сигнал с первого выхода оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2 с интенсивностью 0,5 усл.ед. воздействует на внутренную нанотрубку 4. Под действием давления светового потока внутренняя нанотрубка 4 будет перемещаться влево, пока не займет крайнее левое положение.
1
При подаче на вход С сигнала интенсивности 1 усл.ед. внутренняя нанотрубка 4 переместится в крайнее правое положение (интенсивность сигнала слева больше, чем сигнала справа).
1
3
3
2
2
3
3
2
1
1
1
2
1
Оптический сигнал с третьего выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 поступает на вход третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и далее со второго выхода третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 поступает на вход второго оптического нановолокна 5. С выхода второго оптического нановолокна 5 оптический сигнал воздействует на внутреннюю телескопическую нанотрубку 4. Под действием давления светового потока внутренняя нанотрубка 4 будет перемещаться влево. В результате внутренняя телескопическая нанотрубка 4 разорвет оптическую связь между первым выходом 5-входного оптического нановолоконного разветвителя 2 и входом первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3. При этом оптический сигнал со второго выхода 5-выходного оптического нановолоконного разветвителя 2 беспрепятственно проходит на вход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3. Сигнал с первого выхода второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3% поступает на выход устройства Q.
1
При подаче на вход С сигнала интенсивности 0 усл.ед. внутренняя нанотрубка 4 переместится в крайнее левое положение.
1
2
2
4
4
5
5
5
1
3
1
4
4
Оптический сигнал со второго выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 поступает на вход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, второй выход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 оптически связан со входом четвертого оптического нановолокна 5. С выхода четвертого оптического нановолокна 5 оптический сигнал воздействует на внутреннюю телескопическую нанотрубку 4. Под действием давления светового потока внутренняя нанотрубка 4 будет перемещаться влево. В результате внутренняя телескопическая нанотрубка 4 разорвет оптическую связь между третьим выходом 5-входного оптического нановолоконного разветвителя 2 и входом третьего выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3. При этом оптический поток с четвертого выхода 5-выходного оптического нановолоконного разветвителя 2 беспрепятственно проходит на вход четвертого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3. Первый выход четвертого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 является поглощающим.
1
1
4
4
1
1
3
3
3
1
2
1
1
1
2
При подаче на вход С сигнала с интенсивностью 1 усл.ед. внутренняя нанотрубка 4 переместится в крайнее правое положение. Оптический сигнал с четвертого выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 поступает на вход четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, со второго выхода четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 оптический сигнал поступает на вход первого оптического нановолокна 5. С выхода первого оптического нановолокна 5 оптический сигнал воздействует на внутреннюю телескопическую нанотрубку 4. Под действием давления светового потока внутренняя нанотрубка 4 будет перемещаться вправо. В результате внутренняя телескопическая нанотрубка 4 разорвет оптическую связь между вторым выходом 5-входного оптического нановолоконного разветвителя 2 и входом второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3. При этом оптический поток с первого выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2, беспрепятственно проходит на вход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3. Сигнал с первого выхода первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 поступает на выход устройства Q.
1
1
1
1
3
3
5
5
1
4
При подаче на вход С сигнала интенсивности 0 усл.ед. внутренняя нанотрубка 4 переместится в крайнее левое положение. Оптический сигнал с первого выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 поступает на вход первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3, со второго выхода первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 оптический сигнал поступает на вход третьего оптического нановолокна 5. С выхода третьего оптического нановолокна 5 оптический сигнал воздействует на внутреннюю телескопическую нанотрубку 4, перемещая ее вправо. В результате внутренняя телескопическая нанотрубка 4 разорвет оптическую связь между четвертым выходом 5-входного оптического нановолоконного разветвителя 2 и входом четвертого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3.
1
3
3
При этом оптический поток с третьего выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2 беспрепятственно проходит на вход третьего выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3. Первый выход третьего выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 является поглощающим.
1
2
Таким образом, при переходе сигнала на входе С из нуля в единицу уровень сигнала на выходах Q и Q изменяется на противоположный.
Простота данного оптического Т-нанотриггера и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемопередающих наноустройств.