CC BY
7ISSN 0868-5886
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2012, том 22, № 1, c. 91-94
ПРИБОРЫ, УСТАНОВКИ, МЕТОДЫ
УДК 004.3
© М. А. Аллес, С. В. Соколов
ОПТИЧЕСКИЙ СЕЛЕКТОР МИНИМАЛЬНОГО СИГНАЛА НА ОСНОВЕ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИХ НАНОТРУБОК
Статья посвящена проблеме создания оптических устройств обработки информации в наноразмерном исполнении. Показана возможность применения достижений в области получения и манипулирования многослойными углеродными нанотрубками для синтеза оптических наноустройств обработки информации на примере оптического наноселектора минимального сигнала.
Кл. сл.: нанотехнология, оптические методы обработки информации, многослойная углеродная нанотрубка, давление света, оптический наноселектор минимального сигнала
ВВЕДЕНИЕ
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, опто-пар 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 Хтт в совокупности оптических сигналов
{Xj,Х2,Х3,...,Хп} , подаваемых на его вход, и формирования на своем выходе оптического потока с интенсивностью излучения I, пропорциональной этому минимальному сигналу: I ~ ~ Xmm = min{X,X2,X3,...,Хп}. (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 наноселек-тора показана на рисунке. Оптический наноселек-тор минимального сигнала содержит:
■ Jj, J2, .., 1n — п входных оптических нано-волноводов;
■ 2 — источник постоянного излучения (ИИ) с интенсивностью 2 х m х п усл. ед.;
■ 3 — оптический нановолноводный m-выход-ной разветвитель;
■ 4П, 4j2, 421, 422, ..., 4п1, 4n2 — п пар телескопических нанотрубок;
■ 5 — оптический нановолноводный m-вход-ной объединитель;
■ 6 — оптический нановолноводный Y-развет-витель;
■ 7 — оптический нановолноводный п-выход-ной 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
Выход
Оптический наноселектор минимального сигнала. Пояснения см. в тексте
пористых стекол [8, 9] или на основе фотонно-кристаллических световодов [10].
Работа оптического наноселектора минимального сигнала происходит следующим образом. С выхода ИИ 2 оптический поток с интенсивностью 2 х т х п х К усл. ед. поступает на вход оптического нановолноводного разветвителя (ОНВР) 3, с каждого у-го выхода которого формируется оптический поток с интенсивностью 2 х п х К усл. ед. (у = 1, 2, ..., т).
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 4ц, 42Ь ..., 4„1 во всех телеско-
пических нанотрубках находятся в крайних правых положениях.
Пусть далее совокупность п оптических сигналов |Х1,Х2,Х3,...,Хп}, интенсивность минимального из которых Хтт равна k усл. ед., подается на входы оптических нановолноводов 11, 12, ..., 1п и далее — на соответствующие внутренние нанотрубки 4ц, 42Ь..., 4п1 всех телескопических нано-трубок. Допустим, что оптический поток Хтт с минимальной интенсивностью k усл. ед. поступает на 7-й вход оптического наноселектора минимального сигнала (7 = 1, 2, ..., п).
Под воздействием разности сил, обусловленных давлениями световых потоков [11] (разность оптических мощностей 1-5 ватт создает разность
ОПТИЧЕСКИЙ СЕЛЕКТОР МИНИМАЛЬНОГО СИГНАЛА.
93
сил 5-15 нН), внутренняя нанотрубка 471 7-й пары телескопических нанотрубок (471, 472) (7 = 1, 2, ..., п) 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 { Х1, Х2, Х3,..., Хп}
внутренние нанотрубки 4ц, 421, ..., 4п1 начнут перемещаться влево на соответствующие величины L2, L3, ..., Ln}. 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 на-новолокон — единицы нанометров, то изменение величины перемещения L7, 7 =1, 2, ..., п для ясности последующего изложения можно считать непрерывным (дискретный характер изменения L7 не вносит никаких принципиальных ограничений в принцип действия устройства).
При появлении оптической связи между 1, 2, ..., у-м выходами ОНВР 3 и 1, 2, ..., у-м входами ОНВО 5 на выходе последнего формируется оптический поток с интенсивностью, пропорциональной величине перемещения L7 той внутренней нанотрубки 471 7-й пары телескопических нанотрубок (471, 472), на которую, как будет показано ниже, поступает минимальный по интенсивности оптический поток Хтт. Величина возникающего при этом оптического потока на выходе ОНВО 5 равна 2 х х п х К х L, где К — 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 х п х К х L7 / 2 усл. ед., поступающие на вход ОНВР 7 и на выход устройства.
На каждом выходе ОНВР 7 формируются оптические потоки обратной связи с интенсивностью К х L7 усл. ед., которые поступают на внутренние нанотрубки 4ц, 421, ..., 4п1 всех телескопических нанотрубок. Так как на -м входе оптического на-носелектора присутствует оптический поток с наименьшей интенсивностью k усл. ед., то внутренняя нанотрубка 4 1 -й пары телескопических нанотрубок (471, 472) — единственная из всех внутренних нанотрубок по окончании переходного процесса (« 10-7 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 К х L7. В момент остановки внутренней нанотрубки 4 1 при условии К х L7 = k величина перемещения L7 будет равна = ^К, а интенсивность оптиче-
ского потока на выходе оптического наноселекто-ра (равная K х Li / 2 усл. ед.) будет определяться, как k / 2, т. е. будет пропорциональна величине интенсивности минимального оптического сигнала Xmm.
Внутренние нанотрубки 411, 421, ... 4i_1,1, 4i+11, ... ..., 4и1 всех остальных телескопических нанотрубок займут при этом крайнее левое положение, т. к. интенсивности входных оптических потоков на 1, 2, .., (i-1), 0+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 41Ь 421, ..., 4n1 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 -10 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 оптоинте-гральном исполнении, с сохранением точности вычисления на произвольном интервале времени обработки информации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Клэр Ж.-Ж. Введение в интегральную оптику / Пер. с франц. под ред. В.К. Соколова. М.: Сов. радио, 1980. 104 с.
2. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: Радио и связь, 1989. 360 с.
3. Оптика наноструктур / Под ред. А.В. Федорова.
СПб.: Недра, 2005. 326 с.
4. Лозовик Ю.Е., Попов А.М. Свойства и нанотехно-логические применения нанотрубок // Успехи физических наук. 2007. Т 177, № 7. С. 786-798.
5. Zheng Q., Jiang Q. Multiwalled carbon nanotubes as gigahertz oscillators // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 88. 045503.
6. Соколов С.В., Каменский В.В. Оптическое умножающее наноустройство. Пат. 2370800 РФ, опубл. 20.10.2009.
7. Мелихов А.Н., Баронец В.Д. Проектирование микропроцессорных средств обработки нечеткой информации. Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 1990.
8. Antropova T.V., Petrov D., Yakovlev E. Porous glasses as basic matrixes of the microoptical devices: Effect of composition and leaching conditions of the initial phase-separated glass // Phys. Chem. Glasses: Eur. J. Glass Sci. Technol. B. 2007. V. 48, N 5. P. 324-327.
9. Petrov D.V., Yakovlev E.B., Antropova T.V. Laser based processing of porous glass for micro optical devices // International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-
07), Workshop "Laser Cleaning and Artworks Conversation" (LCAC). St. Petersburg (ITMO), June 25-28, 2007. Abstract. St. Petersburg: ITMO, 2007. P. 44.
10. Желтиков АМРазвитие технологии фотонно-кристаллических световодов в России // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2, № 1-2.
11. ЛандсбергГ.С. Оптика М.: Наука, 1976. 928 с.
Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону
Контакты: Аллес Михаил Александрович, alles@nextmail.ru
Материал поступил в редакцию 4.07.2011.
OPTICAL MINIMAL SIGNAL SELECTOR ON THE BASIS OF TELESCOPICAL NANOTUBES
M. A. Alles, S. V. Sokolov
Rostov State Transport University, Rostov-on-Don
The article is devoted to the problem of optic processing information devices development and systems in nano execution. Application perspectives of up-to-day achievements in the field of development and manipulation of multiwalled carbon nanotubes for producing optic processing information nano devices, the example — optic minimal signal nanoselector is considered.
Keywords: nanotechnology, optic methods of information processing, multiwalled carbon nanotube, pressure of light, optic minimal signal nanoselector
