Оптический т-нанотриггер
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. Заявленное устройство направлено на решение задачи хранения одного бита информации, задачи деления частоты входного сигнала с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, а также задачи наноразмерного исполнения устройства. Поставленные задачи возникают при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемопередающих наноустройств, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцевом диапазонах. Оптический Т-нанотриггер состоит из источника постоянного оптического сигнала, оптического 5-выходного нановолоконного разветвителя, оптического 4-выходного нановолоконного разветвителя, четырех оптических нановолоконных Y-разветвителей, шести телескопических нанотрубок, пяти оптических нановолокон. 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 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 3i, i=i…4, шести телескопических нанотрубок 4i, i=i…6, (41, 43, 45, - внутренняя нанотрубка, 42, 44, 46, - внешняя нанотрубка) и пяти оптических нановолокон 5i, 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 3i, 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 3i, 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.
