Оптическое вычитающее устройство на основе телескопических нанотрубок

Рассмотренное в статье оптическое аналоговое вычитающее устройство реализует идею использования в качестве чувствительного элемента телескопических нанотрубок и управления ими с помощью оптических потоков. Устройство предназначено для выполнения операции вычитания интенсивностей как когерентных, так и некогерентных оптических аналоговых сигналов.

Кл. сл. : оптическое наноустройство, оптические устройства обработки информации, устройство вычитания оптических аналоговых сигналов, оптические нановолокна, телескопические нанотрубки, источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный Y -разветвитель, оптический нановолоконный объединитель

Предлагаемое вниманию оптическое аналоговое вычислительное устройство, реализующее операцию вычитания интенсивностей оптических сигналов (и не имеющее на сегодняшний день аналогов), строится на основе известных и уже апробированных наноэлементов: оптических нановолокон, варианты технического исполнения которых описаны в [1], и открытых в 2002 г. телескопических нанотрубок, под которыми понимается пара вложенных одна в другую нанотрубок [2].

Реализация необходимых для его функционирования соединений оптических нановолокон, рассматриваемых далее, — как оптических нано-волоконных объединителей, так и оптических на-новолоконных Y-разветвителей — в настоящее время может быть осуществлена на основе нано-структурированных пористых стекол [3, 4] или на основе фотонно-кристаллических световодов [5].

Рассмотрим структуру предложенного оптического устройства более подробно. Оптическое аналоговое вычислительное (вычитающее) устройство (см. рисунок) содержит: И — источник оптического сигнала; Р1, Р2 — оптические нано-волоконные N -выходные разветвители; О1, О2 — оптические N -входные нановолоконные объединители; ТНТ — телескопические нанотрубки; ВхР1 — входной оптический нановолоконный Y-разветвитель; ВхО1, ВхО2 — входные оптические нановолоконные объединители; ВыхР1, ВыхР2 — выходные оптические нановолоконные Y-разветвители.

Телескопические нанотрубки ТНТ расположены между выходами объединителей ВхО1 и ВхО2 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под воздействием разности сил, обу- словленных световым давлением последних, внутренняя нанотрубка будет перемещаться в сторону оптического потока с меньшей интенсивностью (при этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимая сила для перемещения нанотрубки составляет аттоньютоны [2], а световой поток мощностью 1-5 Вт действует на внутреннюю нанотрубку с силой 5-15 нН).

Схема оптического аналогового вычислительного (вычитающего) устройства

Оптический сигнал с выхода источника оптического сигнала И с интенсивностью 2∙ N ∙ K усл.ед., пройдя через входной разветвитель ВхР1, поступает на входы N- выходных разветвителей Р1 и Р2, с каждого выхода которых снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K усл.ед.

До подачи на входы А и Б оптических сигналов устройство находится в начальном состоянии — внутренняя нанотрубка находится в среднем положении. В этом положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходами разветвителей Р1, Р2 и входами объединителей О1, O2.

Пусть далее на входы устройства А и Б поданы оптические сигналы с интенсивностями I A и I Б , тогда на внутреннюю нанотрубку будет действовать разность сил (обусловленных световым давлением) F А и F Б , пропорциональных интенсивностям световых потоков на выходах нановолоконных объединителей ВхО1 и ВхО2: F j = Z ∙ I j .

Для определенности полагаем далее, что интенсивность оптического сигнала I A >  I Б . Тогда внутренняя нанотрубка из среднего положения начнет перемещаться вправо, интенсивность светового потока на выходе объединителя О1 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения x внутренней нанотрубки. Т. к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки составляют единицы микрометров, а диаметр оптических нановолокон — единицы нанометров, то изменение величины перемещения x для ясности последующего изложения можно считать непрерывным (дискретный характер изменения x не вносит никаких принципиальных ограничений в принцип действия устройства). Интенсивность светового потока на выходе объединителя О1 будет равна K·x (при этом интенсивность светового потока на выходе объединителя О2 по-прежнему будет равна нулю). Оптический сигнал с интенсивностью K·x поступает далее на вход выходного разветвителя ВыхР1, где, разделившись на два, проходит на выход А-Б устройства и на второй вход нановолоконного объединителя ВхО2. Оптический сигнал с интенсивностью K·x / 2 на втором входе объединителя ВхО2 формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий (совместно с входным сигналом Б) движению внутренней нанотрубки вправо — скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения x замедляется.

По окончании переходного процесса в момент остановки внутренней нанотрубки величина перемещения х будет равна х = 2∙(IА - IБ) / K.

Таким образом, на выходе устройства А-Б формируется сигнал K·x / 2 = I А - I Б , интенсивность которого, пропорциональна разности интенсивностей поданных оптических сигналов (знак разности при этом определяется соответствующим выходом, на котором формируется выходной сигнал).

Процесс вычитания оптических сигналов при I A <  I Б происходит аналогично, но движение внутренней нанотрубки при этом происходит уже влево.

Важнейшими преимуществами данного оптического аналогового вычислительного устройства являются, во-первых, впервые реализованные возможности непосредственного оптического вычитания , а во-вторых, их реализация на основе уже апробированных наноэлементов — нановолноводов и телескопических нанотрубок, позволяющих предельно уменьшить размеры оптического вычислителя.