Оптический селектор минимального сигнала на основе телескопических нанотрубок

На сегодняшний день все существующие оптические методы обработки информации реализуются в основном устройствами, выполненными в виде интегрально-оптических микросхем. Размеры компонентов этих микросхем имеют микронный порядок, площади — единицы квадратных сантиметров, а потребляемая мощность их активных компонентов (полупроводниковых лазеров, оптопар и пр.) составляет единицы ватт [1, 2].

Растущие требования к уменьшению потребляемой мощности и дальнейшей миниатюризации устройств обработки информации приводят к необходимости создания принципиально нового класса оптических вычислительных устройств, выполняемых в наноразмерном масштабе и обладающих при этом быстродействием не ниже "микронных" оптических процессорных устройств, а также простых в конструктивном исполнении.

Значительные достижения в теории и практике оптики наноструктур [3], в получении углеродных нанотрубок для построения наноэлектромеханиче-ских систем [4–6] и манипуляции ими позволяют реализовать эти требования на принципиально новой элементной базе — многослойных телескопических нанотрубках. Для иллюстрации этой возможности рассмотрим ниже конструкцию и принцип действия оптического наноселектора минимального сигнала, показанного на рисунке.

ОПТИЧЕСКИЙ НАНОСЕЛЕКТОР МИНИМАЛЬНОГО СИГНАЛА

Оптический наноселектор минимального сигнала предназначен для определения минимального сигнала X min в совокупности оптических сигналов

{ Х 1 , Х 2 , Х 3,..., Х_п } , подаваемых на его вход, и формирования на своем выходе оптического потока с интенсивностью излучения I , пропорциональной этому минимальному сигналу: I ~ ~ X min = min { Х 1 ,Х 2 ,Х 3 , ^ ,Х n } . (Подобная задача традиционна для областей нечеткого моделирования и управления при выполнении операций над нечеткими множествами, например операции нечеткого включения [7], где выбор элемента нечеткого множества с наименьшим значением функции принадлежности по всей базовой шкале осуществляется, как правило, методом простого перебора с существенными вычислительными затратами).

Функциональная схема оптического наноселектора показана на рисунке. Оптический наноселектор минимального сигнала содержит:

• ■    1 1 , 1 2 , .., 1 n — n входных оптических нановолноводов;

• ■    2 — источник постоянного излучения (ИИ) с интенсивностью 2 × m × n усл. ед.;

• ■    3 — оптический нановолноводный m -выходной разветвитель;

• ■    4 11 , 4 12 , 4 21 , 4 22 , ..., 4 n 1 , 4 n 2 — n пар телескопических нанотрубок;

• ■ 5 — оптический нановолноводный m -входной объединитель;

• ■    6 — оптический нановолноводный Y-разветвитель;

• ■    7 — оптический нановолноводный n -выходной разветвитель.

При этом следует отметить, что реализация рассматриваемых далее соединений оптических нановолокон — как оптических нановолоконных объединителей, так и оптических нановолоконных Y-разветвителей — в настоящее время может быть осуществлена на основе наноструктурированных

Оптический наноселектор минимального сигнала. Пояснения см. в тексте

пористых стекол [8, 9] или на основе фотоннокристаллических световодов [10].

Работа оптического наноселектора минимального сигнала происходит следующим образом. С выхода ИИ 2 оптический поток с интенсивностью 2 × m × n × K усл. ед. поступает на вход оптического нановолноводного разветвителя (ОНВР) 3, с каждого j -го выхода которого формируется оптический поток с интенсивностью 2 × n × K усл. ед. ( j = 1, 2, …, m ).

В исходном состоянии (когда на входы оптического наноселектора сигналы не подаются) оптические потоки с выходов ОНВР 3 не пройдут на входы оптического нановолноводного объединителя (ОНВО) 5 (будут поглощаться), т. к. все внутренние нанотрубки 411, 421, ..., 4n1 во всех телеско- пических нанотрубках находятся в крайних правых положениях.

Пусть далее совокупность n оптических сигналов { Х 1 , Х 2 ,Х 3 ,...,Х_п } , интенсивность минимального из которых X min равна k усл. ед., подается на входы оптических нановолноводов 1 1 , 1 2 , …, 1 n и далее — на соответствующие внутренние нанотрубки 4 11 , 4 21 ,…, 4 n 1 всех телескопических нанотрубок. Допустим, что оптический поток X min с минимальной интенсивностью k усл. ед. поступает на i -й вход оптического наноселектора минимального сигнала ( i = 1, 2, ..., n ).

Под воздействием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков [11] (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность сил 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 4i1 i-й пары телескопических нанотрубок (4i1, 4i2) (i = 1, 2, ..., n) будет перемещаться в сторону оптического потока с меньшей интенсивностью — в начальный момент нулевого (при этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимая сила для перемещения нанотрубки составляет аттоньютоны [5]).

Следовательно, под действием сил давлений входных оптических потоков { Х 1 , Х 2 , Х 3,..., Х_п } внутренние нанотрубки 4 11 , 4 21 , ..., 4 n 1 начнут перемещаться влево на соответствующие величины { L 1 , L 2 , L 3 , ..., L n }. По мере их перемещения влево будет появляться оптическая связь между выходами ОНВР 3 и соответствующими входами ОНВО 5.

Т. к. длины внутренних нанотрубок составляют единицы микрометров, а диаметр оптических нановолокон — единицы нанометров, то изменение величины перемещения L i , i =1, 2, ..., n для ясности последующего изложения можно считать непрерывным (дискретный характер изменения L i не вносит никаких принципиальных ограничений в принцип действия устройства).

При появлении оптической связи между 1, 2, ..., j -м выходами ОНВР 3 и 1, 2, ..., j -м входами ОНВО 5 на выходе последнего формируется оптический поток с интенсивностью, пропорциональной величине перемещения L i той внутренней нанотрубки 4 i 1 i -й пары телескопических нанотрубок (4 i 1 , 4 i 2 ), на которую, как будет показано ниже, поступает минимальный по интенсивности оптический поток X min . Величина возникающего при этом оптического потока на выходе ОНВО 5 равна 2 × × n × K × L i , где K — коэффициент пропорциональности, определяемый мощностью ИИ. Далее этот оптический поток поступает на вход оптического нановолноводного Y-разветвителя 6, на выходах которого формируются оптические потоки с интенсивностью 2 × n × K × L i / 2 усл. ед., поступающие на вход ОНВР 7 и на выход устройства.

На каждом выходе ОНВР 7 формируются оптические потоки обратной связи с интенсивностью K × Li усл. ед., которые поступают на внутренние нанотрубки 411, 421, ..., 4n1 всех телескопических нанотрубок. Так как на i-м входе оптического наноселектора присутствует оптический поток с наименьшей интенсивностью k усл. ед., то внутренняя нанотрубка 4i1 i-й пары телескопических нанотрубок (4i1, 4i2) — единственная из всех внутренних нанотрубок по окончании переходного процесса (® I0-7 с) [5] прекратит свое движение влево и остановится, т. к. с двух сторон на нее будут действовать два одинаковых по интенсивности оптических потока — входной с интенсивностью k усл. ед. и обратной связи с интенсивностью K × Li. В момент остановки внутренней нанотрубки 4i1 при условии K × Li = k величина перемещения Li будет равна Li = к/ K, а интенсивность оптиче- ского потока на выходе оптического наноселектора (равная K × Li / 2 усл. ед.) будет определяться, как k / 2, т. е. будет пропорциональна величине интенсивности минимального оптического сигнала Xmin.

Внутренние нанотрубки 4 11 , 4 21 , ... 4 i– 1,1 , 4 i +1,1 , ... …, 4 n 1 всех остальных телескопических нанотрубок займут при этом крайнее левое положение, т. к. интенсивности входных оптических потоков на 1, 2, .., ( i– 1), ( i +1), …, n -м входах оптического наноселектора будут больше интенсивности оптического потока обратной связи ( k усл. ед.).

После прекращения подачи на вход оптического наноселектора оптических сигналов внутренние нанотрубки 4 11 , 4 21 , ..., 4 n 1 всех телескопических нанотрубок займут крайнее правое (исходное) положение за счет давления оптических потоков обратной связи с интенсивностью k усл. ед. с выходов ОНВР 7. Оптический наноселектор минимального сигнала вернется в исходное состояние.

Таким образом, оптический наноселектор минимального сигнала определяет минимальный сигнал из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход, и формирует на своем выходе оптический поток с интенсивностью, пропорциональной интенсивности этого минимального сигнала.

Быстродействие предложенного оптического наноселектора определяется массой внутренней нанотрубки ( ® 10^-15-10^-16 г), силой трения при ее движении ( ® 10^-10 н), разностью интенсивностей оптических сигналов и составляет ® 10^-7 с [5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение методов синтеза оптических устройств обработки информации, подобных вышеизложенному, позволяет конструировать вычислительные системы и устройства в наноразмерном исполнении. Это решает задачу дальнейшей миниатюризации вычислительных средств и, в свою очередь, позволяет создавать компактные вычислительные системы и комплексы, обладающие малым энергопотреблением и быстродействием не хуже, чем у "микронных" устройств в оптоинтегральном исполнении, с сохранением точности вычисления на произвольном интервале времени обработки информации.