Оптическое дифференцирующее наноустройство

Оптическое дифференцирующее наноустройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 устройством дифференцирования является оптический дифференциатор [С.В.Соколов, П.С.Шевчук, С.В.Бабкин, В.А.Панкратов. Перспективные устройства обработки и защиты информации для помехозащищенных АСУ. - М.: Радио и связь, 2002. - 224 с.: ил. 39, стр.133].

Недостатками данного устройства являются необходимость применения сложного оптического фазового модулятора и невозможность дифференцирования некогерентных оптических сигналов, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический дифференциатор, состоящий из оптического разветвителя, оптической линии задержки, оптического фазового модулятора, оптического объединителя и приемного транспаранта [Патент РФ №2159461, 2000. - БИ №32].

Недостатками данного устройства являются сложность и невозможность дифференцирования некогерентных оптических сигналов, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.

Заявленное устройство направлено на решение задачи дифференцирования как когерентных, так и некогерентных оптических сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, а также задачи наноразмерного исполнения устройства и упрощения его конструкции.

Поставленная задача возникает при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемо-передающих 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 два источника постоянного оптического сигнала, входной оптический нановолоконный Y-разветвитель, выходной оптический нановолоконный Y-разветвитель, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, две телескопические нанотрубки, - внутреннюю и внешнюю, два оптических нановолоконных объединителя, оптический N-входной нановолоконный объединитель, оптическое нановолокно как оптическую линию задержки, входом устройства является вход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен к входу оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, а выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен к первому входу первого оптического нановолоконного объединителя, выходы оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны с входами оптического нановолоконного N-входного объединителя, телескопические нанотрубки расположены между выходами первого и второго оптических нановолоконных объединителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, в среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает половину оптических связей между выходами N-выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя, первый выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен к входу оптического нановолокна, а второй выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу первого оптического нановолоконного объединителя, выход оптического нановолокна подключен к первому входу второго оптического нановолоконного объединителя, выход оптического нановолоконного N-входного объединителя подключен к входу выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, второй выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу второго входного оптического нановолоконного объединителя, а первый выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства.

На фиг.1 представлена функциональная схема оптического дифференцирующего наноустройства.

Устройство состоит из двух источников постоянного оптического сигнала 1_{i, i=1,2}, входного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₁ выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₂, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 3, двух телескопических нанотрубок 4_{i, i=1,2}, (4₁ - внутренняя нанотрубка, 4₂ - внешняя нанотрубка), двух оптических нановолоконных объединителей 5_{i, i=1,2}, оптического N-входного нановолоконного объединителя 6, оптического нановолокна 7, выполняющего функцию оптической линии задержки.

Выходом устройства является первый выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₂(у').

Выход первого источника постоянного оптического сигнала 1₁ подключен к входу оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3, а выход второго источника постоянного оптического сигнала 1₂ подключен к первому входу оптического нановолоконного объединителя 5₁. Выходы оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3 оптически связаны с входами оптического нановолоконного N-входного объединителя 6.

Телескопические нанотрубки 4₁, 4₂ расположены между выходами первого и второго оптических нановолоконных объединителей 5₁ и 5₂ по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под воздействием разности давлений световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 Вт создает разность давлений 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 4₁ 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]).

В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптические связи между выходами N-выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3 и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя 6.

Первый выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₁ подключен к входу оптического нановолокна 7, а второй выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₁ подключен ко второму входу первого оптического нановолоконного объединителя 5₁. Выход оптического нановолокна 7 подключен к первому входу второго оптического нановолоконного объединителя 5₂.

Выход оптического нановолоконного N-входного объединителя 6 подключен к входу выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₂. Второй выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₂ подключен ко второму входу второго входного оптического нановолоконного объединителя 5₂.

Устройство работает следующим образом.

С выхода источника постоянного оптического сигнала 1 сигнал с интенсивностью N·K усл. ед. (N - количество выходов N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3), поступает на вход N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью К усл. ед.

До подачи на вход «у» оптического сигнала устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4₁ находится в среднем (исходном) положении. С левой стороны на нанотрубку 4₁ действует сила давления светового потока интенсивности I₀=К/4 с выхода первого оптического объединителя 5₂, а с правой - сила давления светового потока с интенсивностью К/4, проходящего от источника постоянного оптического сигнала 1 через N-выходной оптический нановолоконный разветвитель 3, N-входной оптический нановолоконный объединитель 6 и через второй оптический нановолоконный объединитель 5₂. Интенсивность оптического сигнала в исходном положении на выходе у' будет равна I₀=К/4.

Пусть на вход устройства «у» подан оптический сигнал, интенсивность которого в моменты времени t₁ и t₂=t₁+dt равна I(t₁) и I(t₂) соответственно.

Т.к. оптический сигнал, поданный на вход оптического нановолокна 7 в момент времени t₁, поступит на выход оптического нановолокна 7 через время dt - в момент времени t₂, то на внутреннюю нанотрубку 4₁ в момент времени t₂ будет действовать разность световых давлений F₁ и F₂, пропорциональных интенсивностям световых потоков на первом выходе входного нановолоконного Y-разветвителя 2₁-I(t₂), и на выходе второго оптического нановолоконного объединителя 5₂~I(t₁): F_j~I(t_j).

Для определенности условимся, что интенсивность оптического сигнала I(t₂)>I(t₁). Тогда внутренняя нанотрубка 4₁ начнет перемещаться вправо, интенсивность светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 6 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «X» внутренней нанотрубки 4₁. Т.к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки 4₁ составляют единицы микрон, а диаметр оптических нановолокон - единицы нанометров, то 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 выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 6 будет равна «К·Х». Оптический сигнал с интенсивностью «К·Х» поступает далее на вход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₂, где, разделившись на два, проходит на выход устройства «у'» и на второй вход второго оптического нановолоконного объединителя 5₂. Оптический сигнал с интенсивностью «К·Х/2» на втором входе входного оптического нановолоконного объединителя 5₂ формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий, совместно с сигналом с выхода оптического нановолокна 7 (в момент времени t₂ это будет входной сигнал I(t₁), задержанный на dt), движению внутренней нанотрубки 4₁ вправо, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «X» замедляется.

По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 4₁) величина перемещения «X» будет равна

(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 4₁(≈10^-15-10^-16 г), силой трения при ее движении (≈10^-9н), интенсивностью «К» постоянного оптического сигнала, интенсивностью I(t₂), I(t₁) входных оптических сигналов и составляет ≈10^-9-10^-10с).

Таким образом, на выходе устройства «у'» формируется сигнал Iвых, превышение (или, в противном случае, снижение) интенсивности которого по отношению к постоянному уровню I₀ пропорционально дифференциалу поданного оптического сигнала за время dt:

Аналогично происходит процесс дифференцирования оптических сигналов, когда интенсивность I(t₁)>I(t₂) (движение внутренней нанотрубки 4₁ при этом происходит уже влево).

Если на вход устройства подан постоянный оптический сигнал, то на выходе устройства «у'» будет постоянный оптический сигнал с интенсивностью I₀=К/4.

Аналогично происходит процесс дифференцирования оптических сигналов, когда интенсивность I(t₁)>I(t₂) (движение внутренней нанотрубки 4₁ при этом происходит уже влево).

Простота данного оптического дифференцирующего устройства и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.

Оптическое дифференцирующее наноустройство, содержащее два источника постоянного оптического сигнала, входной оптический нановолоконный Y-разветвитель, выходной оптический нановолоконный Y-разветвитель, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, две телескопические нанотрубки, - внутреннюю и внешнюю, два оптических нановолоконных объединителя, оптический N-входной нановолоконный объединитель, оптическое нановолокно как оптическую линию задержки, входом устройства является вход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, а выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен к первому входу первого оптического нановолоконного объединителя, выходы оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя, телескопические нанотрубки расположены между выходами первого и второго оптических нановолоконных объединителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, в среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает половину оптических связей между выходами N-выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя, первый выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко входу оптического нановолокна, а второй выход входного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу первого оптического нановолоконного объединителя, выход оптического нановолокна подключен к первому входу второго оптического нановолоконного объединителя, выход оптического нановолоконного N-входного объединителя подключен ко входу выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, второй выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя подключен ко второму входу второго входного оптического нановолоконного объединителя, а первый выход выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства.