Оптическое наномажоритарное устройство

Оптическое наномажоритарное устройство

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.

Известны различные мажоритарные элементы, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [Боголюбов И.Н., Овсиевич Б.Л., Розенблюм Л.Я. Синтез схем из пороговых и мажоритарных элементов. - Сети передачи информации и их автоматизация, М.: Наука, 1965].

Недостатком этих мажоритарных элементов являются низкое быстродействие и невозможность использования оптических сигналов.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический сумматор по модулю два, содержащий волноводные элементы [Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: Высш. Шк., 1988. - 237 с: ил. стр.202].

Недостатками данного оптического сумматора по модулю два являются невозможность выполнения функции мажоритирования, его сложность и невозможность наноразмерного исполнения.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи передачи на выход устройства сигнала, находящегося на большинстве его входов, с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации, задачи упрощения устройства и задачи реализации устройства в наноразмерном исполнении.

Поставленные задачи возникают 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 [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 первое оптическое нановолокно, второе оптическое нановолокно, выходное оптическое нановолокно, оптический нановолоконный N-входной объединитель, два источника постоянного оптического сигнала, две телескопических нанотрубоки, причем информационными входами устройства являются входы оптического нановолоконного N-входного объединителя, выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу второго оптического нановолокна, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход первого оптического нановолокна оптически связан со входом выходного оптического нановолокна, телескопические нанотрубки расположены между выходом оптического нановолоконного N-входного объединителя и выходом второго оптического нановолокна по оси распространения их выходных оптических сигналов, выходом устройства является выход выходного оптического нановолокна.

На чертеже представлена функциональная схема оптического мажоритарного устройства.

Устройство состоит из первого оптического нановолокна 1₁, второго оптического нановолокна 1₂, выходного оптического нановолокна 1₃, оптического нановолоконного N-входного объединителя 2, двух источников постоянного оптического сигнала 3_i, _i=1,2, двух телескопических нанотрубок 4_i, _i=1,2 (4₁ - внутренняя нанотрубка, 4₂ - внешняя нанотрубка).

Информационными входами устройства Х₁ Х₂,… X_N являются входы оптического нановолоконного N - входного объединителя 2. Выходом устройства Y является выход выходного оптического нановолокна 1₃.

Выход второго источника постоянного оптического сигнала 3₂ подключен ко входу второго оптического нановолокна l₂. Выход первого источника постоянного оптического сигнала 3₁ подключен ко входу первого оптического нановолокна 1₁, выход первого оптического нановолокна 1₁ оптически связан со входом выходного оптического нановолокна 1₃.

Телескопические нанотрубки 4_1, 4₂ расположены между выходом оптического нановолоконного N-входного объединителя 2 и выходом второго оптического нановолокна 1₂ 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 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 (исходном) положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптическую связь между выходом первого оптического нановолокна 1₁ и входом выходного оптического нановолокна 1₃.

Устройство работает следующим образом.

С выхода второго источника постоянного оптического сигнала 3₂ сигнал с интенсивностью I₀=(М-0,5) усл. ед. (М - количество входов, на которых должен быть одинаковый сигнал для подачи на выход устройства оптического сигнала 1 усл. ед.) поступает на вход второго оптического нановолокна 1₂.

До подачи на входы Х_1, Х₂,… X_N оптических сигналов устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4₁ находится в крайнем левом (исходном) положении, что обеспечивается оптическим сигналом второго оптического нановолокна 1₂.

В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптическую связь между выходом первого оптического нановолокна 1₁ и входом выходного оптического нановолокна 1₃.

Если на N входов устройства подано М сигналов с интенсивностью 1 усл. ед., а на остальные входы подано К сигналов с интенсивностью 0 усл. ед., то интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного N-входного объединителя 2 будет равна I₁=M усл. ед.

На внутреннюю нанотрубку 4₁ будет действовать разность световых давлений: давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе оптического нановолоконного N - входного объединителя 2 - F=Z·I₁ (Z - коэффициент пропорциональности), и давления, пропорционального интенсивности светового потока I₀ на выходе второго оптического нановолокна 1₂.

По окончании переходного процесса, под действием разности световых давлений, внутренняя нанотрубка 4₁ из крайнего левого положения переместится в крайнее правое положение. Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 4₁ (≈10^-15-10^-16 г), силой трения при ее движении (≈10^-9 н), интенсивностью источника постоянного оптического сигнала 3₂, интенсивностью I₁ входного оптического сигнала и составляет ≈10^-9-10^-1Ос).

Смещение внутренней нанотрубки 4₁ вправо приведет к образованию связи между выходом первого оптического нановолокна 1₁ и входом выходного оптического нановолокна 1₃. Так как интенсивность первого источника постоянного оптического сигнала 3₁ равна 1 усл. ед., то оптический сигнал на выходе выходного оптического нановолокона 1₃ будет равен 1 усл. ед.

Пусть теперь на входы устройства подано М-1 (или меньше) сигналов с интенсивностью 1 усл. ед. Интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного N-входного объединителя 2 будет равна I₂=М-1 (или меньше) усл. ед., что меньше интенсивности источника постоянного оптического сигнала I₀.

Под действием разности световых давлений внутренняя нанотрубка 4₁ переместится в крайнее левое положение.

В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптическую связь между выходом первого оптического нановолокна 1₁ и входом выходного оптического нановолокна 1₃. Оптический сигнал на выходе выходного оптического нановолокона 1₃ будет равен 0 усл. ед.

Таким образом, при наличии на М входах устройства оптических сигналов с интенсивностью 0 усл. ед., на выходе устройства появится оптический сигнал 0 усл. ед., а при наличии на М входах устройства сигналов с интенсивностью 1 усл. ед., на выходе устройства появится оптический сигнал 1 усл. ед., что и обеспечивает реализацию функции мажоритирования.

Простота данного оптического мажоритарного устройства, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемопередающих наноустройств.

Оптическое наномажоритарное устройство, отличающееся тем, что в него введены первое оптическое нановолокно, второе оптическое нановолокно, выходное оптическое нановолокно, оптический нановолоконный N-входной объединитель, два источника постоянного оптического сигнала, две телескопические нанотрубки, причем информационными входами устройства являются входы оптического нановолоконного N-входного объединителя, выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу второго оптического нановолокна, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход первого оптического нановолокна оптически связан со входом выходного оптического нановолокна, телескопические нанотрубки расположены между выходом оптического нановолоконного N-входного объединителя и выходом второго оптического нановолокна по оси распространения их выходных оптических сигналов таким образом, что в крайнем левом (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает оптическую связь между выходом первого оптического нановолокна и входом выходного оптического волокна, выходом устройства является выход выходного оптического нановолокна.