Оптический т-нанотриггер

Оптический т-нанотриггер

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 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.

Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁, оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2₂, четырех оптических нановолоконных Y-разветвителей 3_{i, i=i…4}, шести телескопических нанотрубок 4_{i, i=i…6}, (4₁, 4₃, 4₅, - внутренняя нанотрубка, 4₂, 4₄, 4₆, - внешняя нанотрубка) и пяти оптических нановолокон 5_{i, i=1…5}.

Входом устройства «С» является вход оптического нановолокна 5₅. Выходами устройства являются первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₂ (Q₁ - прямой выход) и первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₁ (Q₂ - инверсный выход).

Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁, выходы которого оптически связаны со входами четырех оптических нановолоконных Y-разветвителей 3_i, _i=i…4. Пятый выход оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ оптически связан со входом оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2₂. Второй, третий и четвертый выходы оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2₂ являются поглощающими.

Телескопические нанотрубки 4₃, 4₄ расположены между выходами первого и второго оптических нановолокон 5₁, 5₂ по оси распространения их выходных оптических сигналов. Световой поток с выхода первого оптического нановолокна 5₁ воздействует на внутреннюю нанотрубку 4₃ с левой стороны, перемещая ее вправо, а световой поток с выхода второго оптического нановолокна 5₂ воздействует на внутреннюю нанотрубку 4₃ 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 4₃ 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 правом положении внутренней нанотрубки 4₃ оптическая связь между первым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ и входом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₁ присутствует, а оптическая связь между вторым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ и входом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₂ отсутствует.

В крайнем левом положении внутренней нанотрубки 4₃ оптическая связь между первым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ и входом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₁ отсутствует, а оптическая связь между вторым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ и входом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₂ присутствует.

Телескопические нанотрубки 4₅, 4₆ расположены между выходами третьего и четвертого оптических нановолокон 5₃, 5₄ по оси распространения их выходных оптических сигналов. Световой поток с выхода третьего оптического нановолокна 5₃ воздействует на внутреннюю нанотрубку 4₅ с левой стороны, перемещая ее вправо, а световой поток с выхода четвертого оптического нановолокна 5₄ воздействует на внутреннюю нанотрубку 4₅ с правой стороны, перемещая ее влево. В крайнем правом положении внутренней нанотрубки 4₅ оптическая связь между третьим выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ и входом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₃ присутствует, а оптическая связь между четвертым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ и входом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₄ отсутствует. В крайнем левом положении внутренней нанотрубки 4₅ оптическая связь между третьим выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ и входом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₃ отсутствует, а оптическая связь между четвертым выходом оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ и входом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₄ присутствует.

Телескопические нанотрубки 4₁, 4₂ расположены между выходами пятого оптического нановолокна 5₅ и первым выходом оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2₂ по оси распространения их выходных оптических сигналов. Световой поток с выхода пятого оптического нановолокна воздействует на внутреннюю нанотрубку 4₁ с левой стороны, перемещая ее вправо, а световой поток с первого выхода оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2₂ воздействует на внутреннюю нанотрубку 4₁ с правой стороны, перемещая ее влево.

В крайнем правом положении внутренней нанотрубки 4₁ оптическая связь между вторым выходом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₃ и входом второго нановолокна 5₂ присутствует, кроме этого в крайнем правом положении внутренней нанотрубки 4₁ присутствует оптическая связь между вторым выходом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₄ и входом первого нановолокна 5₁, a оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₁ и входом третьего нановолокна 5₃ отсутствует, кроме этого отсутствует оптическая связь между вторым выходом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₂ и входом четвертого нановолокна 5₄, в крайнем левом положении внутренней нанотрубки 4₁ оптическая связь между вторым выходом третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₃ и вторым нановолокном 5₂ отсутствует, кроме этого в крайнем левом положении внутренней нанотрубки 4₁ отсутствует оптическая связь между вторым выходом четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₄ и входом первого нановолокна 5₁, а оптическая связь между вторым выходом первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₁ и входом третьего нановолокна 5₃ присутствует, кроме этого присутствует оптическая связь между вторым выходом второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₂ и входом четвертого нановолокна 5₄,

Устройство работает следующим образом.

Под воздействием внешних импульсов, поступающих на вход С, устройство последовательно проходит четыре устойчивых состояния, которые определяются положением внутренных нанотрубок 4₃ и 4₅.

Состояние 1	(43= Левое) & (45= Левое)
Состояние 2	(43= Правое) & (45= Левое)
Состояние 3	(43= Правое) & (45= Правое)
Состояние 4	(43= Левое) & (45= Правое).

Правила переходов устройства из одного состояния в другое определяются следующими выражениями:

Правило 1 (С=0)	& (43= Левое)→45= Левое
Правило 2 (С=0)	& (43= Правое)→45= Правое
Правило 3 (С=1)	& (45= Левое)→43= Правое
Правило 4 (С=1)	& (45= Правое)→43= Левое

Если входной сигнал равен 0, то внутренняя нанотрубка 4₅ переместится в то же положение, в котором находится внутренняя нанотрубка 4₃. Если входной сигнал равен 1, то внутренняя нанотрубка 4₃ переместится в положение, противоположное по отношению к положению внутренней нанотрубки 4₅.

Положение внутренней нанотрубки 4₁ однозначно определяется интенсивностью сигнала на входе С. Если сигнал на входе С равен 1, то нанотрубка 4₁ устанавливается в крайнее правое положение, а если сигнал на входе С равен 0, то нанотрубка 4₁ устанавливается в крайнее левое положение.

Начальное состояние внутренних нанотрубок 4₁, 4₃, 4₅ не имеет значения, так как при переходе сигнала на входе С из нуля в единицу уровень сигнала на выходах Q₁ и Q₂ не устанавливается в 0 или 1, а изменяет свое значение на противоположное.

Для определенности, пусть внутренние нанотрубки 4₃ и 4₅ находятся в правом положении, а внутренняя нанотрубка 4₁ - 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_i, _i=i…3. С пятого выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ оптический сигнал с интенсивностью 2 усл.ед. поступает на вход оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2₂. Оптический сигнал с первого выхода оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя 2₂ с интенсивностью 0,5 усл.ед. воздействует на внутренную нанотрубку 4₁. Под действием давления светового потока внутренняя нанотрубка 4₁ будет перемещаться влево, пока не займет крайнее левое положение.

При подаче на вход С сигнала интенсивности 1 усл.ед. внутренняя нанотрубка 4₁ переместится в крайнее правое положение (интенсивность сигнала слева больше, чем сигнала справа).

Оптический сигнал с третьего выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ поступает на вход третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₃ и далее со второго выхода третьего оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₃ поступает на вход второго оптического нановолокна 5₂. С выхода второго оптического нановолокна 5₂ оптический сигнал воздействует на внутреннюю телескопическую нанотрубку 4₃. Под действием давления светового потока внутренняя нанотрубка 4₃ будет перемещаться влево. В результате внутренняя телескопическая нанотрубка 4₂ разорвет оптическую связь между первым выходом 5-входного оптического нановолоконного разветвителя 2₁ и входом первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₁. При этом оптический сигнал со второго выхода 5-выходного оптического нановолоконного разветвителя 2₁ беспрепятственно проходит на вход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₂. Сигнал с первого выхода второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3% поступает на выход устройства Q₁.

При подаче на вход С сигнала интенсивности 0 усл.ед. внутренняя нанотрубка 4₁ переместится в крайнее левое положение.

Оптический сигнал со второго выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ поступает на вход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₂, второй выход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₂ оптически связан со входом четвертого оптического нановолокна 5₄. С выхода четвертого оптического нановолокна 5₄ оптический сигнал воздействует на внутреннюю телескопическую нанотрубку 4₅. Под действием давления светового потока внутренняя нанотрубка 4₅ будет перемещаться влево. В результате внутренняя телескопическая нанотрубка 4₅ разорвет оптическую связь между третьим выходом 5-входного оптического нановолоконного разветвителя 2₁ и входом третьего выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₃. При этом оптический поток с четвертого выхода 5-выходного оптического нановолоконного разветвителя 2₁ беспрепятственно проходит на вход четвертого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₄. Первый выход четвертого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₄ является поглощающим.

При подаче на вход С сигнала с интенсивностью 1 усл.ед. внутренняя нанотрубка 4₁ переместится в крайнее правое положение. Оптический сигнал с четвертого выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ поступает на вход четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₄, со второго выхода четвертого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₄ оптический сигнал поступает на вход первого оптического нановолокна 5₁. С выхода первого оптического нановолокна 5₁ оптический сигнал воздействует на внутреннюю телескопическую нанотрубку 4₃. Под действием давления светового потока внутренняя нанотрубка 4₃ будет перемещаться вправо. В результате внутренняя телескопическая нанотрубка 4₃ разорвет оптическую связь между вторым выходом 5-входного оптического нановолоконного разветвителя 2₁ и входом второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₂. При этом оптический поток с первого выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁, беспрепятственно проходит на вход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₁. Сигнал с первого выхода первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₁ поступает на выход устройства Q₂.

При подаче на вход С сигнала интенсивности 0 усл.ед. внутренняя нанотрубка 4₁ переместится в крайнее левое положение. Оптический сигнал с первого выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ поступает на вход первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₁, со второго выхода первого оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₁ оптический сигнал поступает на вход третьего оптического нановолокна 5₃. С выхода третьего оптического нановолокна 5₃ оптический сигнал воздействует на внутреннюю телескопическую нанотрубку 4₅, перемещая ее вправо. В результате внутренняя телескопическая нанотрубка 4₅ разорвет оптическую связь между четвертым выходом 5-входного оптического нановолоконного разветвителя 2₁ и входом четвертого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₄.

При этом оптический поток с третьего выхода оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя 2₁ беспрепятственно проходит на вход третьего выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₃. Первый выход третьего выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 3₃ является поглощающим.

Таким образом, при переходе сигнала на входе С из нуля в единицу уровень сигнала на выходах Q₁ и Q₂ 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.

Оптический Т-нанотриггер, отличающийся тем, что в него введены 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 выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя - прямой выход и первый выход первого оптического нановолоконного Y-разветвителя - инверсный выход.