ОПТИЧЕСКИЙ УМНОЖИТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК G06E1/04 

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при разработке оптических вычислительных машин.

Известны оптические умножители, позволяющие осуществлять перемножение оптических кодовых сигналов. Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является остаточный умножитель на базе сумматора, выполненного на волноводных переключателях, содержащий оптические разветвители, волноводные переключатели и электронные схемы управления коммутацией.

Недостатками умножителей являются низкое быстродействие, обусловленное использованием электронных схем управления переключением; сложность использования, обусловленная необходимостью дополнительного предварительного преобразования сомножителей в систему остаточных классов.

Изобретение направлено на решение задачи реализации операции умножения стандартных двоичных оптических кодов с быстродействием, близким к потенциально возможному для чисто оптических переключающих устройств. Подобная задача возникает при разработке оптических вычислительных машин с чисто оптическим управлением, обеспечивающим потенциально возможное быстродействие при вычислениях.

Сущность изобретения состоит в том, что вход множимого является входом входного оптического разветвителя, содержащего группу ответвлений, выходы которых подключены к входам первой группы оптических усилителей, выходы которых оптически связаны с входами соседних ответвлений входного разветвителя и с информационными входами волноводного переключателя, управляющий вход которого через оптический усилитель связан с выходом объединенных волокон различной длины, входы которых являются входами множителя, а выходы переключателя подключены к входам первого слагаемого оптического сумматора, содержащего N ячеек (разрядов) суммирования, причем оба входа ячейки суммирования, последовательное соединение которых образует данный сумматор, объединены первым ответвлением, разветвляющимся далее на два ответвления, выходы которых подключены к входам двух оптических бистабильных элементов (ОБЭ) первой группы, выход первого из которых подключен к входу ответвления, оптически связанного по выходу с выходом сигнала переноса данной ячейки, подключенного, в свою очередь, к входу переноса ячейки старшего разряда, а входы обоих ОБЭ первой группы оптически связаны с входами ответвлений для передачи отраженных оптических сигналов, объединенных по выходу в ответвление, объединенное по выходу с ответвлением, вход которого является входом переноса сигнала из ячейки младшего разряда, в ответвление, разветвляющееся далее на два ответвления, выходы которых подключены к входам двух ОБЭ второй группы, выход первого из которых подключен к входу ответвления, объединенного по выходу с ответвлением, выход которого является выходом переноса в старший разряд, а входы обоих ОБЭ оптически связаны с входами ответвлений для передачи отраженных оптических сигналов, объединенных по выходу в ответвление, выход которого является выходом данной ячейки (разряда) сумматора, а выходы оптического сумматора подключены к входам оптических усилителей второй группы, выходы которых подключены к входам второго слагаемого оптического сумматора и к выходам устройства.

На фиг. 1 приведена функциональная схема оптического умножителя; фиг. 2 - функциональная схема разряда двоичного оптического сумматора.

Оптический умножитель содержит входной оптический разветвитель 1, состоящий из N ответвлений 1₁-1_N, первую группу из N-1 оптических усилителей 2₁-2_N-1, волноводный переключатель 3, оптический усилитель 4, оптический преобразователь 5 параллельного кода в последовательный (ОППП), первую группу ответвлений 6₁-6_N, оптический сумматор 7, вторую группу ответвлений 8₁-8_N, вторую группу оптических усилителей 9₁-9_N, кольцевой оптический разветвитель 10 из N ответвлений 10₁-10_N.

Входы ответвлений 1₁-1_N входного разветвителя 1 и ответвлений 5₁-5_k ОППП 5 являются входами устройства соответственно для М- и К-разрядного кодов сомножителей (N≥ M+K). Входы ответвлений 1₁-1_N-1 оптически связаны с входами оптических усилителей 2₁-2_N-1, выход i-го усилителя 2_i оптически связан с выходом ответвления 1_i1 и через ответвление 1_i2, объединенное по выходу с ответвлением 1_i+1, - с входом усилителя 2_i+1. Выходы ответвлений 1₁₁, 1₂₁,...,1_N через волноводный переключатель 3, управляющий вход которого через оптический усилитель 4 оптически связан с выходом ОППП 5 (объединяющим выходы всех его ответвлений 5₁-5_k), подключены к входам ответвлений 6₁-6_N соответственно. Выходы ответвлений 6₁-6_N подключены к входам 1-N разрядов одного из слагаемых оптического сумматора 7, выходы которого подключены с помощью ответвлений 8₁-8_N к входам оптических усилителей 9₁-9_N. Выходы оптических усилителей 9₁-9_N через ответвления 10₁-10_N, ответвляющиеся от волокон 8₁-8_N, подключены к входам 1-N-го разрядов другого слагаемого оптического сумматора 7, а также оптически связаны с выходами данного устройства. Коэффициенты усиления усилителей 2, 9 выбираются из условия компенсации потерь оптического сигнала при разветвлении (в 2 раза) и в результате затухания при прохождении через оптические элементы данного устройства. Волноводный переключатель 3 выполняется из оптического материала с нелинейным оптическим эффектом - при подаче на управляющий вход переключателя импульса с заданной интенсивностью показатель преломления среды, в которой распространяется информационный световой поток, меняется на заданную величину. ОППП 5 представляет собой группу из К объединенных оптических волокон различной длины, разница длин которых обеспечивает последовательное прохождение на выход ответвления 5 сначала оптического сигнала с входа ответвления 5₁, затем 5₂ и т.д.

Оптический сумматор 7 позволяет осуществлять сложение двоичных оптических кодов известной разрядности. В основу его построения положены следующие принципы: кодирование слагаемых двоичное: "0" и "1" соответствуют отсутствию или наличию оптического сигнала заданной интенсивности; слагаемые поступают на вход сумматора в параллельном коде; разрядность сумматора определяется числом одинаковых ячеек (разрядов) суммирования, устройство которых поясняется фиг. 2.

Ячейка оптического сумматора содержит четыре ОБЭ 11₁-11₄, группу неуправляемых направленных ответвителей 12₁-12₉ и три входа: Вх.1, Вх.2 для соответствующих разрядов кодов обоих слагаемых, Вх.П - для сигнала переноса из младшего разряда. ОБЭ может быть выполнен, например, в виде трансфазора или какого-либо другого бистабильного элемента, имеющего два устойчивых состояния, в которых наблюдается или полное пропускание входного оптического сигнала (при интенсивности, большей порога срабатывания) или его отражение. Оптические входы Вх.1, Вх.2 объединены в ответвление 12₁, разветвляющееся на два ответвления - 12₂, выход которого подключен к входу ОБЭ 11₁ и 12₃, выход которого подключен к входу ОБЭ 11₂. Выход ОБЭ 11₁ подключен к входу ответвления 12₇, выход которого является для данной ячейки выходом переноса единицы в следующий (старший) разряд сумматора Вых.П (при возникновении на обоих Вх. 1,2 единичных сигналов). Входы ОБЭ 11₁, 11₂ оптически связаны с входами ответвлений 12₄, 12₅ соответственно. Ответвления 12₄, 12₅ предназначены для передачи отраженных оптических сигналов от ОБЭ и объединены по выходу в ответвление 12₆. Ответвление 12₆ объединено далее по выходу в ответвление 12₈ с ответвлением, вход которого является Вх.П данного разряда сумматора. Ответвление 12₈ разветвляется по выходу на два ответвления, выходы которых подключены к входам ОБЭ 11₃, 11₄. Выход ОБЭ 11₃ подключен к входу ответвления 12₉, объединенного по выходу с ответвлением 12₇. Входы ОБЭ 11₃, 11₄ оптически связаны с входами ответвлений, предназначенных для передачи отраженных от ОБЭ оптических сигналов и объединенных по выходу в ответвление, выход которого является выходом данного разряда (ячейки) сумматора. Для исключения дополнительного рассеивания отраженного от ОБЭ светового потока за счет попадания в ответвления, передающие прямой (входной) оптический сигнал, место контактного соединения таких ответвлений выполняется полупрозрачным, что характерно для большинства видов соединений волноводов и легко обеспечивается технологически.

ОБЭ 11₁, 11₂ и ответвления 12₁-12₇ являются, по существу, первой ступенью ячейки сумматора, предназначенной для суммирования соответствующих одноименных разрядов обоих слагаемых, остальные элементы схемы - второй ступенью, предназначенной для суммирования с сигналом переноса из младшего разряда.

Последовательное включение N рассмотренных ячеек образует N-разрядный параллельный оптический сумматор.

Устройство работает следующим образом.

М-разрядный параллельный двоичный код множимого поступает на входы ответвлений 1₁-1_М (младший разряд на вход ответвления 1₁) и далее на входы усилителей 2₁-2_М. С выходов оптических усилителей 2_i оптические сигналы поступают на информационный вход переключателя 3 и одновременно по оптическому ответвлению 1_i2 на вход соседнего ответвления 1_i+1 - тем самым осуществляется сдвиг входного кода на один разряд влево. К-разрядный параллельный код множителя поступает на входы ответвлений 5₁-5_k ОППП 5. Ответвления 5₁-5_k выполняются различной длины, в результате чего на выход ОППП 5 поступает сначала оптический импульс с входа ответвления 5₁, затем 5₂ и т. д. - на вход усилителя 4 поступает последовательный двоичный код множителя. С выхода усилителя 4 усиленные кодовые импульсы поступают на управляющий вход переключателя 3 - наличие "1" в кодовой комбинации множителя обеспечивает прохождение кода множимого через переключатель 3, "0" - запрещает. В первый момент времени на вход переключателя 3 поступает исходный код множимого, через время Δ t, определяемое временем прохождения светового потока по волокну 1_i2, - код множимого, сдвинутый на один разряд, через время 2Δ t - на два разряда и т.д. Соответствующие значениям разрядов кода множимого сигналы, поступающие с выхода усилителя 4 на управляющий вход переключателя 3, определяют факт прохождения (или его запрета) сдвинутых кодов множимого на вход сумматора 7. Синхронизация поступления кодов с выходов усилителей 2_i и 4 обеспечивается за счет равенства длин волокон 1_i и 5₁(5), а также за счет равенства разности длин волокон 5_k, 5_k-1 длине волокна 1_i2. С выхода переключателя 3 сдвинутые коды множимого поступают на входы сумматора 7, с выходов которого коды текущих (промежуточных) сумм этих кодов поступают по ответвлениям 8₁-8_N через усилители 9₁-9_N на выходы умножителя и через ответвления 10₁-10_N вновь на входы сумматора (входы второго слагаемого). Таким образом осуществляется последовательное суммирование кодов множимого, сдвинутых в соответствии со значениями разрядов кодов множителя, - по окончании формирования последовательного кода множителя (т. е. по окончании формирования сигналов на выходе усилителя 4) на выходах сумматора 7 и выходах устройства формируется двоичный код искомого произведения.

Оптический сумматор (фиг. 2) работает следующим образом.

Одноименные разряды двух слагаемых, параллельные коды которых поданы на входы сумматора, поступают на оба входа (Вх.1, Вх.2) соответствующего разряда (ячейки) сумматора. Световые потоки, интенсивности которых несут информацию о соответствующем разряде слагаемых, суммируются в ответвлении 12₁, разделяясь в последующем на два в ответвлениях 12₂, 12₃ и поступая на входы ОБЭ 11₁ и 11₂, соответственно. Так как уровень (порог) срабатывания ОБЭ принят за единицу, то в данной схеме на выходах ОБЭ 11₁, 11₂ формируется выходной поток только в одном случае, когда на Вх.1, Вх.2 одновременно поступают сигналы единичной интенсивности. В случае появления остальных комбинаций суммируемых разрядов ("0,0"; "0,1"; "1,0") интенсивности входных потоков ОБЭ 11₁, 11₂ меньше пороговой, что ведет только к полному их отражению. Отраженные потоки поступают далее по ответвлениям 12₄, 12₅, суммируясь в ответвлении 12₆. Таким образом, при суммировании разрядов "1+1" на выходе ОБЭ 11₁ формируется единичный оптический сигнал, выступающий как сигнал переноса разряда при суммировании и поступающий по ответвлению 12₇ на Вых. П и далее в следующий старший разряд сумматора (единичный сигнал, формирующийся при этом на выходе ОБЭ 11₂, не поступает никуда - просто поглощается внешней средой).

При суммировании разрядов остальных комбинаций сигнал переноса не образуется, а в ответвлении 12₆ формируется оптический сигнал, равный соответствующей сумме разрядов (0+0= 0,1+0= 1, 0+1=1). Этот сигнал поступает далее в ответвление 12₈, где суммируется с сигналом переноса, поступившим на Вх.П данной ячейки с Вых.П предыдущего младшего разряда сумматора. Световой поток, сформированный в ответвлении 12₈, поступает, разделяясь на два, на входы ОБЭ 11₃, 11₄, составляющие вторую степень ячейки сумматора.

Работа и принцип формирования суммы оптических сигналов второй ступени суммирования аналогичны изложенным, при этом на выходе ячейки сумматора "Вых. " формируется окончательный результат суммирования ("0" или "1"), и в случае поступления в ответвление 12₈ двух единичных сигналов на выходе ОБЭ 11₃ образуется сигнал переноса, поступающий по ответвлению 12₉ на Вых.П.

Основными преимуществами рассмотренного оптического умножителя по сравнению с существующими являются его простота и чисто оптическое исполнение, не требующее дополнительного применения схем электронного регулирования, снижающих быстродействие устройства и повышающих сложность его конструктивного исполнения.

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при разработке оптических вычислительных машин. Сущность изобретения состоит в том, что операция умножения двух оптических кодов реализована на базе оптического сумматора с чисто оптическим управлением в виде последовательного суммирования сдвинутых кодов множимого, когда управление суммированием (в соответствии с кодом множителя) и сдвиг кодов осуществляются чисто оптическим путем. 2 ил.

ОПТИЧЕСКИЙ УМНОЖИТЕЛЬ, содержащий оптический разветвитель и волноводный переключатель, отличающийся тем, что он содержит оптические усилители, оптический сумматор и оптический преобразователь параллельного кода в последовательный, причем вход множимого умножителя соединен с входом оптического разветвителя, содержащего группу ответвителей, выходы которых, кроме последнего, подключены к входам оптических усилителей первой группы, выходы которых оптически связаны с входами последующих ответвлений входного разветвителя, выходы оптических усилителей первой группы и последнего ответвления оптического разветвителя соединены с информационными входами волноводного переключателя, к управляющему входу которого через оптический усилитель оптически подключен выход оптического преобразователя параллельного кода в последовательный, вход которого соединен с входом множителя умножителя, выходы волноводного переключателя подключены к входам первого слагаемого оптического сумматора, выходы которого подключены к входам оптических усилителей второй группы, выходы которых подключены к входам второго слагаемого оптического сумматора и к выходам умножителя, при этом оптический преобразователь параллельного кода в последовательный содержит группу оптических волокон разной длины, входы которых соединены с входом преобразователя, а выходы объединены и соединены с выходом преобразователя.