Оптический rs-нанотриггер

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств. Оптический RS-нанотриггер состоит из источника постоянного оптического сигнала, оптических нановолоконных объединителей, телескопических нанотрубок и оптических нановолоконных Y-разветвителей. Технический результат - создание наноразмерного исполнения устройства оптического триггера, обеспечение высокого быстродействия устройства. 1 ил.

 

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемо-передающих устройств.

Известным оптическим триггером является оптический триггер, состоящий из оптических волноводов и оптических бистабильных элементов [Патент №2020528, Россия, 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 [Патент №2310897, Россия, 2007. Оптическое вычитающее устройство/ Соколов С.В. и др.].

Недостатками данного устройства являются сложность, а также невозможность реализации в наноразмерном исполнении.

Заявленное устройство направлено на решение задачи реализации логических функций RS-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 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 в устройство введены оптический нановолоконный Y-разветвитель, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических нановолоконных Y-разветвителя обратной связи, два входных оптических нановолоконных объединителя, две телескопические нанотрубки, информационными входами устройства «S» и «R» являются первые входы первого и второго входных оптических нановолоконных объединителей, выходы которых оптически связаны с торцами внутренней нанотрубки, при этом телескопические нанотрубки расположены между первым и вторым входными оптическими нановолоконными объединителями по оси распространения входных оптических сигналов, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, выходы которого оптически подключены ко входам первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей, первые выходы первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей подключены ко входам оптических нановолоконных Y-разветвителей обратной связи, первые выходы оптических нановолоконных Y-разветвителей обратной связи являются поглощающими, а вторые выходы подключены ко вторым входам первого и второго входных оптических нановолоконных объединителей, вторые выходы первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей являются соответственно единичным и нулевым выходами устройства.

На чертеже представлена функциональная схема оптического RS-нанотриггера.

Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₁, двух выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2₂, 2₃, двух оптических нановолоконных Y-разветвителей обратной связи 2₄, 2₅, двух входных оптических нановолоконных объединителей 3_{i, i=1…2}, двух телескопических нанотрубок 4_{i, i=1…2}, (4₁ - внутренняя нанотрубка, 4₂ - внешняя нанотрубка).

Информационными входами устройства «S» и «R» являются первые входы первого и второго входных оптических нановолоконных объединителей 3₁ и 3₂ соответственно, выходы которых оптически связаны с торцами внутренней нанотрубки 4₁.

Телескопические нанотрубки 4₁, 4₂ расположены между первым и вторым входными оптическими нановолоконными объединителями 3₁ и 3₂ по оси распространения входных оптических сигналов. Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₁, выходы которого оптически подключены ко входам первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2₂ и 2₃.

Первые выходы первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2₂ и 2₃ подключены ко входам оптических нановолоконных Y-разветвителей обратной связи 2₄, 2₅ соответственно. Первые выходы оптических нановолоконных Y-разветвителей обратной связи 2₄, 2₅ являются поглощающими, а вторые выходы подключены ко вторым входам первого и второго входных оптических нановолоконных объединителей 3₁ и 3₂ соответственно. Вторые выходы первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2₂ и 2₃ являются выходами устройства - соответственно Q₁ («1») и Q₂ («0»).

В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптическую связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₁ и входом первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₂, а в крайнем правом положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптическую связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₁ и входом второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₃.

Оптический RS-нанотриггер работает следующим образом.

Пусть на вход "S" подан сигнал интенсивности 1 усл.ед. (при этом интенсивность сигнала на входе "R" равна 0 усл.ед.). Со входа "S" через первый входной оптический нановолоконный объединитель 3₁ оптический сигнал поступает на внутреннюю телескопическую нанотрубку 4₁. Под действием давления светового потока (оптическая мощность 1-5 ватт создает давление 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 4₁ будет перемещаться вправо и разорвет оптическую связь между вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₁ и входом второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₃. При этом оптический поток от источника постоянного оптического сигнала 1 интенсивности 4 усл.ед., пройдя через оптический нановолоконный Y-разветвитель 2₁, поступает на вход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₂. С первого выхода первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₂ оптический сигнал с интенсивностью 1 усл.ед. поступает на вход первого оптического нановолоконного Y-разветвителя обратной связи 2₄ и далее - на второй вход первого входного оптического нановолоконного объединителя 3₁ (интенсивность оптического сигнала на выходе первого входного оптического нановолоконного объединителя 3₁ при этом будет составлять 1+0,5=1,5 усл.ед.).

Оптический сигнал интенсивности 1 усл.ед. с первого выхода первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₂ поступает на выход устройства Q₁ - оптический RS-нанотриггер перешел в единичное состояние.

После окончания входного оптического сигнала внутренняя телескопическая нанотрубка 4₁ будет удерживаться в крайнем правом положении оптическим потоком интенсивности 0,5 усл.ед., проходящим от источника постоянного оптического сигнала 1 через оптический нановолоконный Y-разветвитель 2₁, первый выходной оптический нановолоконный Y-разветвитель 2₂, первый оптический нановолоконный Y-разветвитель обратной связи 2₄ и первый входной оптический нановолоконный объединитель 3₁.

Аналогично происходит процесс перехода триггера в состояние логического нуля.

Пусть на вход "R" подан сигнал интенсивности 1 усл.ед., а интенсивность сигнала на входе "S" равна 0 усл.ед. (интенсивность оптического сигнала на выходе первого входного оптического нановолоконного объединителя 3₁ при этом равна 0,5 усл.ед.). Со входа "R" через второй входной оптический нановолоконный объединитель 3₂ оптический сигнал поступает на внутреннюю телескопическую нанотрубку 4₁. Под действием разности давлений световых потоков внутренняя нанотрубка 4₁ будет перемещаться влево и разорвет оптическую связь между первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₁ и входом первого оптического выходного нановолоконного Y-разветвителя 2₂. При этом оптический поток от источника постоянного оптического сигнала 1, пройдя через первый оптический нановолоконный Y-разветвитель 2₁, поступает на вход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₃. С первого выхода второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₃ оптический сигнал с интенсивностью 1 усл.ед. поступает на вход второго оптического нановолоконного Y-разветвителя обратной связи 2₅ и далее - на второй вход второго входного оптического нановолоконного объединителя 3₂.

Оптический сигнал с первого выхода второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₃ интенсивности 1 усл.ед. поступает на выход устройства Q₂ - оптический RS-нанотриггер перешел в нулевое состояние.

После окончания входного оптического сигнала «R» внутренняя телескопическая нанотрубка 4₁ будет удерживаться в крайнем левом положении оптическим потоком, проходящим от источника постоянного оптического сигнала 1 через оптический нановолоконный Y-разветвитель 2₁, второй выходной оптический нановолоконный Y-разветвитель 2₃, второй оптический нановолоконный Y-разветвитель обратной связи 2₅ и входной оптический нановолоконный объединитель 3₂.

Таким образом, при подаче на вход устройства «R» логической единицы устройство переходит в состояние логического нуля - появляется сигнал на его выходе Q2, при подаче логической единицы на вход устройства «S» устройство переходит в состояние логической единицы - появляется сигнал на его выходе Q1.

Время переходного процесса определяется массой внутренней телескопической нанотрубки 4₁ (≈l0^-15-10^-16 г), силой трения при ее движении (≈10^-9 н), интенсивностью входного сигнала и составляет ≈10^-9-10^-10 с).

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

Оптический RS-нанотриггер, содержащий источник постоянного оптического сигнала, отличающийся тем, что в него введены оптический нановолоконный Y-разветвитель, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических нановолоконных Y-разветвителя обратной связи, два входных оптических нановолоконных объединителя, две телескопические нанотрубки, информационными входами устройства «S» и «R» являются первые входы первого и второго входных оптических нановолоконных объединителей, выходы которых оптически связаны с торцами внутренней нанотрубки, при этом телескопические нанотрубки расположены между первым и вторым входными оптическими нановолоконными объединителями по оси распространения входных оптических сигналов, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, выходы которого оптически подключены ко входам первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей, первые выходы первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей подключены ко входам оптических нановолоконных Y-разветвителей обратной связи, первые выходы оптических нановолоконных Y-разветвителей обратной связи являются поглощающими, а вторые выходы подключены ко вторым входам первого и второго входных оптических нановолоконных объединителей, вторые выходы первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей являются, соответственно, единичным и нулевым выходами устройства.