ОПТИЧЕСКИЙ НАНОКОММУТАТОР
OPTICAL NANOSWITCH

Изобретение относится к оптическим наноустройствам переключения и может быть использовано в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) информации для коммутации каналов передачи информации.
Известен оптический коммутатор - фотонный коммутатор на основе нелинейного оптического зеркала, предназначенный для коммутации оптического потока в ВОСП [Маккавеев В. Фотонные коммутаторы / В. Маккавеев // Компоненты и технологии. - 2006. - №2. - С.142-146, страница 144, рисунок 3] и содержащий нелинейный интерферометр Саньяка, оптические волноводы.
Существенный признак аналога, общий с заявляемым устройством, - оптические волноводы.
Недостатком данного аналога является сложность устройства, определяемая необходимостью использования интерферометра Саньяка, и невозможность наноразмерного исполнения.
Известен также оптический коммутатор - фотонный коммутатор на основе электрооптического кристалла теллура кадмия, предназначенный для коммутации оптического потока в ВОСП [Маккавеев В. Фотонные коммутаторы / В.Маккавеев // Компоненты и технологии. - 2006. - №2. - С.142-146, страница 144, рисунок 4] и содержащий полупроводниковый оптический кристалл теллура кадмия, диэлектрический слой, металлические электроды, источник внешнего электрического напряжения, оптический поляризатор, оптический анализатор, микрообъективы, оптические волноводы.
Существенный признак аналога, общий с заявляемым устройством, - оптические волноводы.
Недостатками данного аналога являются сложность конструкции устройства и невозможность наноразмерного исполнения.
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, - входные оптические нановолноводы, телескопические нанотрубки, источник постоянного сигнала.
Недостатком прототипа является невозможность управляемой коммутации каналов передачи информации в ВОСП.
Задачами изобретения являются создание оптического нанокоммутатора, позволяющего выполнять управляемое переключение информационных оптических потоков, поступающих из n+1 каналов передачи информации, на выход устройства, а также упрощение конструкции устройства и реализация его в наноразмерном исполнении.
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].
Техническим результатом является расширение возможностей устройства за счет обеспечения управляемой коммутации информационных оптических потоков, поступающих из n+1 каналов передачи информации, на выход устройства при реализации последнего в наноразмерном исполнении.
Оптический нанокоммутатор - оптическое переключательное наноустройство, предназначенное для коммутации информационных оптических потоков, поступающих из n+1 каналов передачи информации на выход устройства.
Сущность изобретения состоит в том, что оптический нанокоммутатор содержит группу n адресных оптических нановолноводов, группу n+1 информационных оптических нановолноводов, n пар телескопических нанотрубок, оптический нановолноводный n-выходной разветвитель, источник постоянного излучения, n оптических нановолноводных Y-объединителей, i-м адресным входом оптического нанокоммутатора является вход i-го оптического нановолновода из группы n адресных оптических нановолноводов (i=1,2,…,n), i-м информационным входом оптического нанокоммутатора является вход i-го оптического нановолновода из группы n+1 информационных оптических нановолноводов (i=0,1,…,n+1), выход i-го оптического нановолновода из группы n+1 информационных оптических нановолноводов подключен к первому входу (i+1)-го оптического нановолноводного Y-объединителя (i=0,1,…,n-1), выход n-го оптического нановолновода из группы n+1 информационных оптических нановолноводов подключен ко второму входу n-го оптического нановолноводного Y-объединителя, i-ая пара телескопических нанотрубок расположена между выходом i-го оптического нановолновода из группы n адресных оптических нановолноводов и i-м выходом оптического нановолноводного n-выходного разветвителя (i=1,2,…,n) по оси распространения их выходных оптических сигналов таким образом, что в крайнем левом положении внутренняя нанотрубка n-й пары телескопических нанотрубок разрывает оптические связи между выходом n-го оптического нановолновода из группы n+1 информационных оптических нановолноводов и вторым входом n-го оптического нановолноводного Y-объединителя, при этом присутствует оптическая связь между выходом (n-1)-го оптического нановолновода из группы n+1 информационных оптических нановолноводов и первым входом n-го оптического нановолноводного Y-объединителя, а внутренняя нанотрубка i-й пары телескопических нанотрубок в крайнем левом положении разрывает оптические связи между выходом (i+1)-го оптического нановолноводного Y-объединителя и вторым входом i-го оптического нановолноводного Y-объединителя, при этом присутствует оптическая связь между выходом (i-1)-го оптического нановолновода из группы n+1 информационных оптических нановолноводов и первым входом i-го оптического нановолноводного Y-объединителя (i=1,2,…,n-1), выход источника излучения подключен ко входу оптического нановолноводного n-выходного разветвителя, выход первого оптического нановолноводного Y-объединителя является выходом устройства.
Функциональная схема оптического нанокоммутатора показана на чертеже.
Оптический нанокоммутатор содержит:
1
2
n
- 1, 1, …, 1 - группу n адресных оптических нановолноводов;
0
1
n
- 2, 2, …, 2 - группу n+1 информационных оптических нановолноводов;
11
12
21
22
n1
n2
- 3, 3, 3, 3, …, 3, 3 - n пар телескопических нанотрубок;
- 4 - оптический нановолноводный n-выходной разветвитель;
- 5 - источник постоянного излучения с интенсивностью k×n усл(овных) ед(иниц);
1
2
n
- 6, 6, …, 6 - n оптических нановолноводных Y-объединителей.
i
0
1
n
i
1
2
n
Оптический нанокоммутатор имеет n+1 информационных входов и n адресных входов, где i-м информационным входом оптического нанокоммутатора является вход i-го оптического нановолновода 2 из группы n+1 информационных оптических нановолноводов 2, 2, …, 2 (i=0,1,…,n), a i-м адресным входом оптического нанокоммутатора является вход 1-го оптического нановолновода 1 из группы n адресных оптических нановолноводов 1, 1, …, 1 (i=1,2,…,n).
i
0
1
n
i+1
n
0
1
n
n
i1
i2
i
i
2
n
i
Выход i-го оптического нановолновода 2 из группы n+1 информационных оптических нановолноводов 2, 2, …, 2 подключен к первому входу (i+1)-го оптического нановолноводного Y-объединителя 6 (i=0,1,…,n-1). Выход n-го оптического нановолновода 2 из группы n+1 информационных оптических нановолноводов 2, 2, …,2 подключен ко второму входу n-го оптического нановолноводного Y-объединителя 6; i-ая пара телескопических нанотрубок 3, 3 расположена между выходом i-го оптического нановолновода 1 из группы n адресных оптических нановолноводов 1, 1, …, 1 и i-м выходом 4 оптического нановолноводного n-выходного разветвителя 4 по оси распространения их выходных оптических сигналов.
i1
i1
i2
Под воздействием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность сил 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 3 i-й пары телескопических нанотрубок 3, 3 будет 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].
n1
n1
n2
n
0
1
n
n-1
0
1
n
n
В крайнем левом (исходном) положении внутренняя нанотрубка 3 n-й пары телескопических нанотрубок 3, 3 разрывает оптические связи между выходом n-го оптического нановолновода 2 из группы n+1 информационных оптических нановолноводов 2, 2,…,2 и вторым входом n-го оптического нановолноводного Y-объединителя 6n, при этом присутствует оптическая связь между выходом (n-1)-го оптического нановолновода 2 из группы n+1 информационных оптических нановолноводов 2, 2,…,2 и первым входом n-го оптического нановолноводного Y-объединителя 6.
i1
i1
i2
i+1
i
i-1
0
1
n
i
В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 3 i-й пары телескопических нанотрубок 3, 3 разрывает оптическую связь между выходом (i+1)-го оптического нановолноводного Y-объединителя 6 и вторым входом i-го оптического нановолноводного Y-объединителя 6 (i=1,2,…,n-1), при этом присутствует оптическая связь между выходом (i-1)-ого оптического нановолновода 2 из группы n+1 информационных оптических нановолноводов 2, 2, …, 2 и первым входом i-го оптического нановолноводного Y-объединителя 6 (i=0,1,…,n-1).
Выход источника постоянного излучения 5 подключен ко входу оптического нановолноводного n-выходного разветвителя 4.
1
Выход первого оптического нановолноводного Y-объединителя 6 является выходом устройства.
Работа устройства протекает следующим образом.
1
2
n
С выхода источника постоянного излучения 5 оптический поток с интенсивностью излучения k×n усл.ед. поступает на вход оптического нановолноводного n-выходного разветвителя 4, на каждом выходе 4, 4,…,4 которого формируется оптический поток с интенсивностью k усл.ед.
i1
i1
i2
i
До подачи на адресные входы оптического нанокоммутатора управляющих оптических потоков устройство находится в начальном (исходном) состоянии - каждая i-я внутренняя нанотрубка 3 i-й пары телескопических нанотрубок 3, 3 находится в крайнем левом (исходном) положении, что обеспечивается воздействием оптического потока с интенсивностью k усл.ед., поступающего с i-го выхода 4 оптического нановолноводного n-выходного разветвителя 4 (i=1,2,…,n).
1
2
n
0
1
Следовательно, ни один из информационных потоков, поступающих на информационные входы 1, 2,…,n оптического нанокоммутатора (с выходов информационных оптических нановолноводов 2, 2, …,2) не поступит на выход устройства - на выход устройства поступит информационный поток с 0-го информационного входа (т.к. присутствует оптическая связь между выходом оптического нановолновода 2 и первым входом оптического нановолноводного Y-объединителя 6).
11
21
i1
11
12
21
22
i1
i2
j-1
0
1
n
j
i
i+1
i+1
i
i
1
При коммутации информационного оптического потока с i-го информационного входа оптического нанокоммутатора на его выход одновременно подаются на каждый - 1, 2, …, i-й, адресный вход оптического нанокоммутатора управляющие оптические потоки с интенсивностью m>k усл.ед. При появлении на адресных входах этих потоков внутренние нанотрубки 3, 3, …, 3 пар телескопических нанотрубок 3, 3, 3, 3, …, 3, 3 начнут перемещаться вправо вследствие появления разности сил, обусловленных давлениями световых потоков. При этом исчезнут оптические связи между выходом (j-1)-го оптического нановолновода 2 из группы n+1 информационных оптических нановолноводов 2, 2, …, 2 и первым входом j-го оптического нановолноводного Y-объединителя 6 (j=1,2,…,i). Кроме того, возникнет канал оптической связи по цепи: выход i-го оптического нановолновода 2 - первый вход (i+1)-го оптического нановолноводного Y-объединителя 6 - выход (i+1)-го оптического нановолноводного Y-объединителя 6 - второй вход i-го оптического нановолноводного Y-объединителя 6 - выход i-го оптического нановолноводного Y-объединителя 6-… - выход первого оптического нановолноводного Y-объединителя 6.
(i+1)1
(i+2)1
n1
(i+1)1
(i+1)2
(i+1)1
(i+1)2
n1
n2
Следовательно, оптический поток, поступающий на i-й информационный вход, появится на выходе устройства. Все остальные внутренние нанотрубки 3, 3, …, 3 пар телескопических нанотрубок 3, 3, 3, 3, …, 3, 3 останутся в крайнем левом положении, не пропуская оптические потоки с (i+1)-го, (i+2)-го, … n-го информационных входов оптического нанокоммутатора на выход устройства.
Таким образом, осуществляется коммутация информационных оптических потоков, поступающих из n+1 каналов передачи информации, на выход устройства.
-15
-16
-10
-9
Быстродействие оптического нанокоммутатора определяется массой внутренней нанотрубки (≈10-10 г), силой трения при ее движении (≈10 н), разностью интенсивностей оптических сигналов и составляет ≈10с. Для существующих волоконно-оптических систем передачи информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.