RU2420781C1 - Optical nano-half adder - Google Patents
Optical nano-half adder Download PDFInfo
- Publication number
- RU2420781C1 RU2420781C1 RU2009140573/28A RU2009140573A RU2420781C1 RU 2420781 C1 RU2420781 C1 RU 2420781C1 RU 2009140573/28 A RU2009140573/28 A RU 2009140573/28A RU 2009140573 A RU2009140573 A RU 2009140573A RU 2420781 C1 RU2420781 C1 RU 2420781C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- output
- nanofiber
- input
- nanofibre
- Prior art date
Links
Landscapes
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to computer aids and can be used in optical information processing devices in the development and creation of optical computers and transceivers.
Известные различные сумматоры по модулю два (ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, неравнозначность), построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982. - 512 с. стр.105]. Недостатком этих сумматоров по модулю два является невозможность выполнения операций с оптическими сигналами.There are two well-known various adders modulo two (EXCLUSIVE OR, disambiguation), built on the basis of the use of electronic functional elements [W. Titze, K. Schenck. Semiconductor circuitry. - M .: Mir, 1982. - 512 p. p. 105]. The disadvantage of these modulo two adders is the inability to perform operations with optical signals.
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].The closest in technical execution to the proposed device is an optical adder modulo two, containing waveguide elements [Akayev A. A., Mayorov S. A. Optical methods of information processing. - M .: Higher. Shk., 1988 .-- 237 p.: Ill. p.202].
Недостатками данного оптического сумматора по модулю два являются его сложность и невозможность наноразмерного исполнения.The disadvantages of this optical adder modulo two are its complexity and the impossibility of nanoscale execution.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи суммирования по модулю два оптических сигналов с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации, задачи упрощения устройства и задачи реализации устройства в наноразмерном исполнении.The claimed invention is aimed at solving the problem of summing modulo two optical signals with a speed that is potentially achievable for purely optical information processing devices, the task of simplifying the device, and the task of implementing the device in nanoscale design.
Поставленные задачи возникают при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемо-передающих наноустройств, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах.The tasks set arise in the development and creation of optical computing nanomachines or transceiver nanodevices that provide information processing in the tera and gigahertz ranges.
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].The claimed device is built on the basis of optical nanofibers, technical options for which are described in [Optics of nanostructures / Edited by A.V. Fedorov: St. Petersburg. Nedra, 2005; 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], and telescopic nanotubes, which refers to a pair of nanotubes embedded in each other [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 объединитель, оптический нановолоконный N-входной объединитель, две телескопические нанотрубки, два источника постоянного оптического сигнала, оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, причем информационными входами устройства являются входы оптического нановолоконного объединителя, выход второго источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя, выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя, выход первого источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход первого оптического нановолокна оптически связан со входом второго оптического нановолокна, выход второго оптического нановолокна оптически связан со входом выходного оптического нановолокна, первое оптическое нановолокно и оптический нановолоконный N-выходной разветвитель расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, телескопические нанотрубки расположены между выходом оптического нановолоконного объединителя и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, выходом устройства является выход выходного оптического нановолокна.The invention consists in that the device comprises a first optical nanofiber, a second optical nanofiber, an output optical nanofiber, an optical nanofiber combiner, an optical nanofiber N-input combiner, two telescopic nanotubes, two sources of constant optical signal, an optical nanofiber N-output splitter, the information inputs of the device are the inputs of the optical nanofiber combiner, the output of the second source of constant optical signal connected to the input of the optical nanofiber N-output splitter, the outputs of the optical nanofiber N-output splitter are optically connected to the inputs of the optical nanofiber N-input combiner, the output of the first source of constant optical signal is connected to the input of the first optical nanofiber, the output of the first optical nanofiber is optically connected to the input of the second optical nanofiber, the output of the second optical nanofiber is optically coupled to the input of the output optical nanofiber, the first optical eskoe nanofibers and nanofiber optical splitters output N-arranged in mutually perpendicular planes, telescopic nanotubes arranged between the output of the optical combiner and nanofiber yield N-input optical combiner nanofiber axis of propagation of the output optical signal output device is the output of the output optical nanofibers.
На чертеже представлена функциональная схема оптического сумматора по модулю два.The drawing shows a functional diagram of an optical adder modulo two.
Устройство состоит из первого оптического нановолокна 11 второго оптического нановолокна 12, выходного оптического нановолокна 13, оптического нановолоконного объединителя 2, оптического нановолоконного N-входного объединителя 3, двух телескопических нанотрубок 4i, i=i,2, (41 - внутренняя нанотрубка, 42 - внешняя нанотрубка), двух источников постоянного оптического сигнала 5i i=i,2, оптического нановолоконного N - выходного разветвителя 6.The device consists of a first optical nanofiber 1 1 of the second optical nanofiber 1 2 , an output optical nanofiber 1 3 , an optical nanofiber combiner 2, an optical nanofiber N-input combiner 3, two telescopic nanotubes 4 i, i = i, 2 , (4 1 - internal nanotube, 4 2 - external nanotube), two sources of constant optical signal 5 i i = i, 2 , optical nanofiber N - output splitter 6.
Информационными входами устройства X1, X2 являются входы оптического нановолоконного объединителя 2.The information inputs of the device X 1 , X 2 are the inputs of the optical nanofiber combiner 2.
Выходом устройства Y является выход выходного оптического нановолокна 13.The output of device Y is the output of the output optical nanofiber 1 3 .
Выход второго источника постоянного оптического сигнала 52 подключен ко входу оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6. Выходы оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6 оптически связаны со входами оптического нановолоконного N-входного объединителя 3.The output of the second source of constant optical signal 5 2 is connected to the input of the optical nanofiber N-output splitter 6. The outputs of the optical nanofiber N-output splitter 6 are optically coupled to the inputs of the optical nanofiber N-input combiner 3.
Выход первого источника постоянного оптического сигнала 51 подключен ко входу первого оптического нановолокна 11, выход первого оптического нановолокна 11 оптически связан со входом второго оптического нановолокна 12. Выход второго оптического нановолокна 12 оптически связан со входом выходного оптического нановолокна 13.The output of the first source of constant optical signal 5 1 is connected to the input of the first optical nanofiber 1 1 , the output of the first optical nanofiber 1 1 is optically connected to the input of the second optical nanofiber 12. The output of the second optical nanofiber 1 2 is optically coupled to the input of the output optical nanofiber 1 3 .
Световой поток с выхода первого оптического нановолокна l1 и с выхода второго оптического нановолокна 12 распространяется по оси OY, световой поток от оптического нановолоконного N-выходного разветвителя 6 распространяется по оси OZ (см. чертеж).The light flux from the output of the first optical nanofiber l 1 and from the output of the second optical nanofiber 1 2 propagates along the OY axis, the light flux from the optical nanofiber N-output splitter 6 propagates along the OZ axis (see drawing).
Телескопические нанотрубки 41, 42 расположены между выходом оптического нановолоконного объединителя 2 и выходом оптического N-входного нановолоконного объединителя 3 по оси распространения их выходных оптических сигналов. Под воздействием разности давлении световых потоков (разность оптических мощностей 1-5 Вт создает разность давлений 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 4 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]).Telescopic nanotubes 4 1 , 4 2 are located between the output of the optical nanofiber combiner 2 and the output of the optical N-input nanofiber combiner 3 along the propagation axis of their output optical signals. Under the influence of the pressure difference between the light fluxes (the optical power difference of 1-5 W creates a pressure difference of 5-15 nN), the inner nanotube 4 will move towards the optical stream with a lower intensity (it must be borne in mind that the minimum required pressure to move the nanotube compiles attonewtons [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, January 28, 2002]).
В крайнем левом (исходном) положении внутренняя нанотрубка 41 разрывает оптические связи между выходами N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 6 и входами N-входного оптического нановолоконного объединителя 3, а также оптические связи между выходом первого оптического нановолокна 11 и входом второго оптического нановолокна 12. При этом оптическая связь между выходом оптического нановолокна 12 и входом оптического выходного нановолокна 13 присутствует.In the extreme left (initial) position, the inner nanotube 4 1 breaks the optical links between the outputs of the N-output optical nanofiber splitter 6 and the inputs of the N-input optical nanofiber combiner 3, as well as the optical links between the output of the first optical nanofiber 1 1 and the input of the second optical nanofiber 1 2 . In this case, an optical coupling between the output of the optical nanofiber 1 2 and the input of the optical output nanofiber 1 3 is present.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
С выхода второго источника постоянного оптического сигнала 52 сигнал с интенсивностью N·K усл. ед. (N - количество выходов N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 6), поступает на вход N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 6, с каждого выхода которого снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K усл. ед.From the output of the second source of constant optical signal 5 2 signal with intensity N · K srvc. units (N is the number of outputs of the N-output optical nanofiber splitter 6), is fed to the input of the N-output optical nanofiber splitter 6, from each output of which a constant optical signal with an intensity of K conv. units
До подачи на входы X1 и X2 оптических сигналов устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 41 находится в крайнем левом (исходном) положении, что обеспечивается сигналом обратной связи с выхода N-входного оптического нановолоконного объединителя 3.Before optical signals are input to the inputs X 1 and X 2 , the device is in its initial (initial) state - the inner nanotube 4 1 is in the extreme left (initial) position, which is provided by the feedback signal from the output of the N-input optical nanofiber combiner 3.
В крайнем левом положении внутренняя нанотрубка 41 разрывает оптическую связь между выходом первого оптического нановолокна 11 и входом второго оптического нановолокна 12.In the extreme left position, the inner nanotube 4 1 breaks the optical connection between the output of the first optical nanofiber 1 1 and the input of the second optical nanofiber 1 2 .
Пусть на один из входов устройства (X1 или X2) подан оптический сигнал с интенсивностью 0 усл. ед., а на другой - оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. (X1=0, X2=1 или X1=1, X2=0). Тогда интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 2 будет составлять 11=1 усл. ед. На внутреннюю нанотрубку 41 будет действовать разность световых давлений: давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе оптического нановолоконного объединителя 2 - F=Z·I1 (Z - коэффициент пропорциональности), и давления, пропорционального интенсивности светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 3 (в начальный момент равно нулю).Let an optical signal with an intensity of 0 srvc be applied to one of the inputs of the device (X 1 or X 2 ) units, and on the other - an optical signal with an intensity of 1 srvc. units (X 1 = 0, X 2 = 1 or X 1 = 1, X 2 = 0). Then the signal intensity at the output of the optical nanofiber combiner 2 will be 1 1 = 1 srvc. units The difference in light pressures will act on the inner nanotube 4 1 : pressure proportional to the intensity of the light flux at the output of the optical nanofiber combiner 2 - F = Z · I 1 (Z is the proportionality coefficient), and pressure proportional to the intensity of the light flux at the output of the N-input optical nanofiber combiner 3 (initially equal to zero).
Под действием разности световых давлений внутренняя нанотрубка 41 из крайнего левого положения начнет перемещаться вправо, интенсивность светового потока на выходе N-входного оптического нановолоконного объединителя 3 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения X внутренней нанотрубки 41. Т.к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки 41 составляют единицы микрон, а диаметры оптических нановолокон - нанометры, 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 N-входного оптического нановолоконного объединителя 3 будет равна К·X, где К - интенсивность постоянного оптического сигнала.Under the influence of the light pressure difference, the inner nanotube 4 1 from the extreme left position will begin to move to the right, the light flux at the output of the N-input optical nanofiber combiner 3 will begin to increase in proportion to the amount of movement X of the inner nanotube 4 1 . Because the lengths of the right and left parts of the inner nanotube 4 1 are units of microns, and the diameters of optical nanofibers are nanometers, then the change in the amount of displacement X for clarity of the subsequent presentation can be considered continuous (the discrete nature of the change in X does not introduce any fundamental restrictions on the principle of the device) - the light intensity flow at the output of the N-input optical nanofiber combiner 3 will be equal to K · X, where K is the intensity of the constant optical signal.
Оптический сигнал с интенсивностью К·X формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 41 вправо, скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения X замедляется.An optical signal with an intensity of K · X forms a negative feedback signal that impedes the movement of the inner nanotube 4 1 to the right, its speed decreases, the change in the amount of movement X slows down.
По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 41) величина перемещения X будет равна:At the end of the transition process (at the moment of stopping the inner nanotube 4 1 ), the displacement X will be equal to:
X1=I1/К.X 1 = I 1 / K.
(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 41 (≈10-15-10-16 г), силой трения при ее движении (≈10-9 Н), интенсивностью К постоянного оптического сигнала, интенсивностью I входного оптического сигнала и составляет ≈10-9-10-10 с).(The transition process time is determined by the mass of the inner nanotube 4 1 (≈10 -15 -10 -16 g), the friction force during its movement (≈10 -9 N), the intensity K of the constant optical signal, the intensity I of the input optical signal and is ≈10 -9 -10 -10 s).
Смещение внутренней нанотрубки 41 вправо приведет к образованию связи между выходом первого оптического нановолокна 11 и входом второго оптического нановолокна 12, но не приведет к разрыву оптических связей между выходом второго оптического нановолокона 12 и входом выходного оптического нановолокона 13. Т.к. с выхода первого источника постоянного оптического сигнала 51 снимается сигнал с интенсивностью 1 усл. ед., то оптический сигнал на выходе выходного оптического нановолокона 13 будет равен 1 усл. ед.The shift of the inner nanotube 4 1 to the right will lead to the formation of a connection between the output of the first optical nanofiber 1 1 and the input of the second optical nanofiber 1 2 , but will not lead to a break in the optical connections between the output of the second optical nanofiber 1 2 and the input of the output optical nanofiber 1 3 . Because from the output of the first source of constant optical signal 5 1 the signal is removed with an intensity of 1 srvc. units, then the optical signal at the output of the output optical nanofiber 1 3 will be equal to 1 srvc. units
Пусть теперь на входы устройства X1 и X2 поданы оптические сигналы с интенсивностью 1 усл.ед., тогда интенсивность сигнала на выходе оптического нановолоконного объединителя 2 будет составлять I2=2 усл. ед.Now, let optical signals with an intensity of 1 conventional units be applied to the inputs of device X 1 and X 2 , then the signal intensity at the output of the optical nanofiber combiner 2 will be I 2 = 2 conv. units
Внутренняя нанотрубка 41 начнет вновь двигаться вправо. По окончании переходного процесса величина перемещения X будет равнаThe inner nanotube 4 1 will again begin to move to the right. At the end of the transition process, the amount of displacement X will be equal to
X2=I2/К.X 2 = I 2 / K.
В положении X2 внутренняя нанотрубка 41 не препятствует образованию оптической связи между выходом первого оптического нановолокна 11 и входом второго оптического нановолокна 12, но разрывает оптическую связь между выходом второго оптического нановолокона 12 и входом выходного оптического нановолокона 13. Оптический сигнал на выходе выходного оптического нановолокона 13 будет равен 0 усл. ед.In position X 2, the inner nanotube 4 1 does not prevent the formation of an optical coupling between the output of the first optical nanofiber 1 1 and the input of the second optical nanofiber 1 2 , but it breaks the optical connection between the output of the second optical nanofiber 1 2 and the input of the output optical nanofiber 1 3 . The optical signal at the output of the output optical nanofiber 1 3 will be equal to 0 srvc. units
Таким образом, при наличии одновременно на обоих входах X1 и X2 двух оптических сигналов с интенсивностью 0 усл. ед. или 1 усл. ед. интенсивность оптического сигнала на выходе устройства будет равна 0 усл. ед. Если на одном из входов устройства имеется оптический сигнал 1 усл. ед., а на другом 0 усл. ед., то интенсивность оптического сигнала на выходе устройства будет равна 1 усл. ед., что и обеспечивает реализацию функции суммирования по модулю два.Thus, if there are two optical signals with an intensity of 0 srvc at the same time at both inputs X 1 and X 2 units or 1 srvc. units the intensity of the optical signal at the output of the device will be equal to 0 srvc. units If at one of the inputs of the device there is an optical signal 1 srvc. units, and on the other 0 srvc. units, the intensity of the optical signal at the output of the device will be equal to 1 srvc. units, which ensures the implementation of the summation function modulo two.
Простота данного оптического наносумматора по модулю два, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.The simplicity of this optical nanosummer modulo two, high speed and the possibility of nanoscale execution make it very promising for the development and creation of optical computing nanomachines and transceiver nanodevices.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009140573/28A RU2420781C1 (en) | 2009-11-02 | 2009-11-02 | Optical nano-half adder |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009140573/28A RU2420781C1 (en) | 2009-11-02 | 2009-11-02 | Optical nano-half adder |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2420781C1 true RU2420781C1 (en) | 2011-06-10 |
Family
ID=44736772
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009140573/28A RU2420781C1 (en) | 2009-11-02 | 2009-11-02 | Optical nano-half adder |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2420781C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2662248C1 (en) * | 2017-07-18 | 2018-07-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный экономический университет (РИНХ)" | Optical nano-half adder |
-
2009
- 2009-11-02 RU RU2009140573/28A patent/RU2420781C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| АКАЕВ А.А., МАЙОРОВ С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: Высшая школа, 1988, с.202. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2662248C1 (en) * | 2017-07-18 | 2018-07-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный экономический университет (РИНХ)" | Optical nano-half adder |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2357275C1 (en) | Optical nanocomparator | |
| Parandin et al. | Reconfigurable all optical half adder and optical XOR and AND logic gates based on 2D photonic crystals | |
| Sankar Rao et al. | Performance analysis of all-optical NAND, NOR, and XNOR logic gates using photonic crystal waveguide for optical computing applications | |
| Rodt et al. | Integrated nanophotonics for the development of fully functional quantum circuits based on on-demand single-photon emitters | |
| Hayrapetyan et al. | Electromagnetic wave propagation in spatially homogeneous yet smoothly time-varying dielectric media | |
| RU2370801C1 (en) | Nanodevice for dividing optical signals | |
| RU2420781C1 (en) | Optical nano-half adder | |
| RU2419125C1 (en) | Optical nano-adder | |
| Li et al. | All-fiber hybrid photon-plasmon circuits: integrating nanowire plasmonics with fiber optics | |
| RU2408040C1 (en) | Optical logic nanodevice | |
| RU2370800C1 (en) | Optical multipying nanodevice | |
| Yu et al. | Giant enhancement of stimulated Brillouin scattering with engineered phoxonic crystal waveguides | |
| RU2373559C1 (en) | Optical analog memory nanodevice | |
| JP2017514166A (en) | Apparatus and method for 2x1 MMI with integrated photodiode for off-state monitoring of 2x1 optical switch | |
| RU2379728C1 (en) | Optical nanogenerator | |
| RU2419126C1 (en) | Optical analogue nano-multiplexer | |
| RU2407048C1 (en) | Optical analogue nano-demultiplexer | |
| RU2662248C1 (en) | Optical nano-half adder | |
| RU2398254C1 (en) | Optical analogue-to-digital nanoconverter | |
| RU2423733C1 (en) | Optical nano-amplifier | |
| RU2420780C1 (en) | Optical non-majority device | |
| RU2456653C1 (en) | Optical nano-function generator | |
| RU2412481C1 (en) | Optical differentiating nanodevice | |
| RU2411562C1 (en) | Optical nano rs-flip flop | |
| RU2399941C1 (en) | Optical integrating nanodevice |