ОПТИЧЕСКИЙ УМНОЖИТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК G06E3/00 G02F3/00 

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

Известны оптические умножители, позволяющие осуществлять перемножение оптических сигналов [1, с.195-207; 2, с.197]
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический умножитель, выполненный на волноводных переключателях [1, рис. 7.19, с.203] и содержащий оптические разветвители, волноводные переключатели и электронные схемы управления коммутацией.

Недостатком данных умножителей является низкое быстродействие, обусловленное использованием электронных схем управления переключением.

Изобретение направлено на решение задачи реализации операции умножения чисто оптических сигналов 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 в него введены оптический триггер, группа оптических бистабильных элементов, два транспаранта, оптический компаратор, частотный фильтр, первое дополнительное оптическое ответвление, содержащее кольцевое ответвление с последовательно включенным первым оптическим усилителем, второе дополнительное оптическое ответвление, содержащее оптическое кольцевое ответвление с последовательно включенным вторым усилителем, и третье дополнительное оптическое ответвление, при этом компаратор содержит два входных информационных разветвителя и два управляющих разветвителя, каждый входной информационный разветвитель содержит N оптически связанных между собой волноводных ответвлений, причем каждое разветвлено на два таким образом, что (i+1)-е ответвление является вторым разветвлением i-го ответвления, при этом i 1.N-1, первые ответвления обоих информационных разветвителей для которых i=1 являются волноводами, оптически связанными с соответствующими двумя ответвлениями первого управляющего разветвителя, одноименные i-е ответвления обоих входных информационных разветвителей объединены по выходу, при этом выходные участки всех ответвлений первого информационного разветвителя являются волноводами, оптически связанными с ответвлением второго управляющего разветвителя, выход которого является выходом компаратора, R-вход триггера является входом включения умножителя, нулевой выход триггера через первый транспарант оптически связан с входом первого дополнительного ответвления, выход которого подключен к первому входу компаратора, являющемуся входом первого входного информационного разветвителя, второй вход компаратора, являющийся входом второго входного информационного разветвителя, с помощью третьего дополнительного оптического ответвления оптически связан с инверсным выходом второго оптического бистабильного элемента, вход которого является входом устройства для одного из сомножителей, а выход компаратора через первое оптическое ответвление выходного разветвителя подключен к входу третьего оптического бистабильного элемента и через второе ответвление выходного разветвителя к S-входу оптического триггера, единичный выход которого подключен через второе ответвление входного разветвителя к входу второго оптического бистабильного элемента, являющемуся также входом устройства для одного из сомножителей, инверсный выход первого оптического бистабильного элемента подключен к входу второго дополнительного ответвления, выход которого подключен к входу третьего оптического бистабильного элемента, выход которого через последовательно соединенные частотный фильтр и второй транспарант оптически связан с выходом устройства.

На фиг.1 показана функциональная схема оптического умножителя; на фиг.2
функциональная схема оптического компаратора,
Умножитель содержит оптический RS-триггер 1, разветвитель 2, три оптических бистабильных элемента (ОБЭ) 3₁-3₃, транспарант 4, ответвления 5 и 6, оптические усилители (ОУ) 7₁, 7₂, ответвление 8, оптический компаратор (ОК) 9, ответвления 10₁, 10₂, частотный фильтр 11, транспарант 12.

Оптический триггер может быть выполнен в соответствии со схемой, приведенной, например, на с.190 в [2]
ОБЭ может быть выполнен, например, в виде трансфазора [1, с.175]
Входом включения умножителя (входом синхронизации) является R-вход оптического триггера 1, единичный выход которого оптически связан с входом оптического разветвителя 2, выход первого разветвления 2₁ которого подключен к входу первого ОБЭ 3₁, являющемуся входом устройства для первого сомножителя x. Выход второго разветвления 2₂ подключен к входу второго ОБЭ 3₂, являющемуся входом устройства для второго сомножителя y. Нулевой выход RS-триггера 1 через транспарант 4 подключен к входу ответвления 5, содержащего кольцевое ответвление 5₁ с последовательно включенным в него ОУ 7₁. Выход ответвления 5 подключен к первому входу ОК 9, второй вход которого оптически связан через ответвление 8 с выходом ОБЭ 3₂ по отраженному потоку (инверсным выходом). Выход ОК 9 оптически связан через ответвление 10₂ с S-входом триггера 1 и через ответвление 10₁, объединенное по выходу с ответвлением 6, с входом ОБЭ 3₃. Вход ответвления 6, содержащего кольцевое ответвление 6₁ последовательно включенным ОУ 7₂, оптически связан с инверсным входом ОБЭ 3₁. Выход ОБЭ 3₃ через последовательно соединенные частотный фильтр 11 и транспарант 12 оптически связан с выходом устройства.

Оптический компаратор содержит первый 13 и второй 14 входные информационные разветвители, первый 15 и второй 16 управляющие разветвители. Входной разветвитель 13 (14), вход которого является входом компаратора, представляет собой N оптически связанных между собой волноводных ответвлений 13₁, 13_N (14₁,14_N), разветвляющихся на два так, что (i+1)-е ответвление 13_i+1(14_i+1) является вторым разветвлением i-го ответвления 13_i (14_i), . Одноименные ответвления 13_j, 14_j объединены по выходу. Первый управляющий разветвитель 15 содержит два ответвления 15₁, 15₂; ответвление 15₁ представляет собой волновод, оптически связанный с ответвлением 13₁, ответвление 15₂ волновод, оптически связанный с ответвлением 14₁. Второй управляющий разветвитель (ответвление) 16, выход которого является выходом компаратора, представляет собой волновод, оптически связанный с выходными участками ответвлений 13₁,13_N. (Т.к. для обеспечения работы компаратора световой поток на выходе ответвления 13_i должен быть уменьшен в два раза, то в качестве одного из путей такого уменьшения на фиг.2 пунктиром показаны дополнительные ответвления, делящие выходной поток на два).

Устройство работает следующим образом.

На входы "X", "Y" оптического умножителя поступают световые потоки с интенсивностями X и Y (x, у сомножителя) световой поток "X" поступает на вход ОБЭ 3₁, "Y" на вход ОБЭ 3₂. Оптический RS-триггер 1 в начальный момент времени находится в единичном состоянии с его единичного выхода снимается оптический сигнал (с интенсивностью, большей порога срабатывания ОБЭ), поступающий по разветвлениям 2₁, 2₂ на входы ОБЭ 3₁, 3₂. В этом случае обеспечивается максимальное пропускание ОБЭ и сигналы "X" и "Y", проходя на выходы ОБЭ, в ответвления 6, 8 не поступают. При подаче на R-вход триггера 1 синхронизирующего оптического импульса он переходит в нулевое состояние исчезает его сигнал на входах ОБЭ 3₁, 3₂ и появляется сигнал на нулевом выходе. Это приводит, во-первых, к тому, что оптические сигналы "X" и "Y" на выходы ОБЭ 3₁, 3₂ уже не проходят, а, отражаясь, поступают в ответвления 6 и 8, и, во-вторых, на выходе транспаранта 4 появляется сигнал интенсивности Δ где D величина, определяющая точность аппроксимации значения "Y" в виде Y=NΔ N некоторое целое число. С выхода транспаранта 4 сигнал D поступает на вход ответвления 5. Наличие в ответвлениях 5 и 6 кольцевых ответвлений 5₁ и 6₁ с включенными в тракт прохождения оптических сигналов ОУ 7₁ и 7₂ (компенсирующими уменьшение интенсивности потока при его разветвлении на входе кольцевого ответвления и за счет многократного прохождения по нему) обеспечивает одновременное многократное суммирование интенсивностей световых потоков "X" в ответвлении 6, D в ответвлении 5. Когда интенсивность потока на выходе ответвления 5 (т.е. на входе ОК 9) достигнет величины NΔ(=Y), на выходе ОК 9 (работа которого описана ниже) появляется оптический сигнал заданной интенсивности, поступающий по ответвлениям 10₁, 10₂ соответственно на входы ОБЭ 3₃ и S-вход триггера 1. В результате триггер 1 переходит вновь в единичное состояние сигналы Δ "X", "Y" в ответвления 5, 6, 8 не поступают. Одновременно сигнал с интенсивностью произведения N_x проходит через ОБЭ 3₃ на его выход. Т.к. на выход ОБЭ 3₃ проходит также сигнал с выхода ОК 9, то для выделения на выходе устройства только сигнала произведения требуется обеспечить разделение сигналов. В качестве последнего наиболее целесообразно частотное в этом случае на выходе ОБЭ 3₃ устанавливается частотный фильтр 11. Далее выделенный сигнал с интенсивностью, пропорциональной N_x, поступает на транспарант 12, обеспечивающий умножение на D на выходе устройства формируется сигнал с интенсивностью искомого произведения XY.

Работа ОК 9 состоит в следующем.

Сравниваемые оптические сигналы с интенсивностями соответственно I₁ и I₂ поступают на входы оптических разветвителей 13 и 14, где происходит их разветвление в ответвлениях 13_i и 14_i последовательно на 2 т.е. интенсивность потока в i-м ответвлении обоих разветвителей меньше входной в 2ⁱ раз. На вход разветвителя 15 в течение всего времени работы устройства подан световой поток постоянной интенсивности I (I > I_i), формирующий в ответвлениях 15₁, 15₂ потоки с требуемой интенсивностью, обеспечивающей возможность переброса излучения в связанный с данным оптический волновод. Т.к. оптически связанным с ответвлением 15₁ является ответвление (волновод) 13₁, а с 15₂, соответственно, 14₁, то при появлении в ответвлениях 13₁, 14₁ сигналов с интенсивностями , достаточными для обеспечения переключения светового потока из 15₁ и (или) 15₂, происходит переброс излучения в ответвления 13₁ и (или) 14₁. Аналогично происходит переброс излучения и далее из ответвления 13₁ в оптически связанное с ним ответвление 13₂ (из 14₁ соответственно в 14₂), если для этого оказывается достаточно величины интенсивности . В итоге осуществляется переключение излучения из ответвления 15₁(15₂) в ответвление 13_i(14_j), где i, j номер последнего ответвления, на вход которого поступает оптический сигнал с интенсивностью (I₂2^-j), еще достаточной для осуществления процесса переключения (т.к. интенсивность I₁2^-(i+1)(I₂2^-(j+1)1) уже этого не обеспечивает). Т.к. выходы одноименных ответвлений объединены, то в случае появления в одноименных ответвлениях 13_k, 14_k излучения, "переброшенного" из ответвлений 15₁, 15₂, на выходе ответвления 13_k появляется сигнал интенсивности приблизительно I. Формирование такого сигнала на выходе любого из ответвлений 13_k означает равенство сигналов I₁ и I₂, в силу того, что составляющие I₁₍₂₎2^-k обеспечивают уровень интенсивности переключения, а I₁₍₂₎2^-k+1 - уже нет. В остальных случаях когда I_1/2 ^k≠I_2/2 ^k и переключение излучения из ответвлений 15₁, 15₂ осуществляется в разноименные волокна 13_i, 14_j, i≠j, выходные сигналы интенсивности приблизительно I/2 появляются на выходах двух ответвлений 13_i и 13_j. Далее световой поток, сформированный на выходе волокна 13_m, проходя по волокну, ослабляется в два раза (например, за счет дополнительного разветвления на фиг.2 показано пунктиром, или выбора соответствующего коэффициента затухания выходного участка ответвления и т.п.). Тем самым, на выходе одного из волноводных ответвлений 13_m будет сформирован световой поток с интенсивностью приблизительно I/2 (обеспечивающей возможность дальнейшего оптического переключения (лишь в случае I₁=I₂. (В противном случае на выходах каких-либо двух ответвлений 13_i, 13_j формируются потоки с интенсивностями приблизительно I/4). Т.к. на вход ответвления 6 в течение всего времени работы устройства подан постоянный оптический сигнал интенсивности U<I, обеспечивающий в случае появления в одном из оптически связанных с ответвлением 6 ответвлений 13_m оптического сигнала с интенсивностью I/2 переключение светового сигнала из 13_m в ответвление 6, то при выполнении равенства I₁=I₂ на выходе ответвления 6 (выходе компаратора) появляется оптический сигнал интенсивности I/2+U≈I/2. Если I₁≠I₂, то максимально возможная интенсивность оптического сигнала на выходах ответвлений 13_k- ≈I/4 и переключения излучения в ответвление 6 не происходит единичный сигнал (уровня I/2) на выходе компаратора отсутствует (уровень интенсивности U в данном случае соответствует нулевому уровню). Следует отметить, что вместо ответвления 6, оптически связанного с ответвлениями 13₁-13_N, можно использовать на их выходах оптические бистабильные элементы с порогом срабатывания I/2 логика работы компаратора остается при этом прежней.

Использование: изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при разработке оптических вычислительных машин. Сущность изобретения состоит в том, что в него введены оптический триггер, группа оптических бистабильных элементов, два оптических усилителя, два транспаранта, оптический коммутатор и частотный фильтр. Нулевой выход триггера через первый транспарант оптически связан с входом первого ответвления, содержащего кольцевое ответвление с последовательно включенным первым оптическим усилителем, выход первого ответвления подключен к первому входу оптического компаратора, содержащего два входных информационных и два управляющих разветвителя, каждый информационный разветвитель, вход которого является одним из входов компаратора, содержит группу оптически связанных между собой волноводных ответвлений, разветвляющихся на два таким образом, что каждое последующее ответвление данной группы является вторым разветвлением предыдущего. 2 ил.

Оптический умножитель, содержащий оптические разветвители и волноводные переключатели, отличающийся тем, что в него введены оптический триггер, группа оптических бистабильных элементов, два транспаранта, оптический компаратор, частотный фильтр, первое дополнительное оптическое ответвление, содержащее кольцевое ответвление с последовательно включенным первым оптическим усилителем, второе дополнительное оптическое ответвление, содержащее оптическое кольцевое ответвление с последовательно включенным вторым усилителем и третье дополнительное оптическое ответвление, при этом компаратор содержит два входных информационных разветвителя и два управляющих разветвителя, каждый входной информационный разветвитель содержит N оптически связанных между собой волноводных ответвлений, причем каждое разветвлено на два таким образом, что (i + 1)-е ответвление является вторым разветвлением i-го ответвления, при этом i 1 N 1, первые ответвления обоих информационных разветвителей, для которых i 1 являются волноводами, оптически связанными с соответствующими двумя ответвлениями первого управляющего разветвителя, одноименные i-е ответвления обоих входных информационных разветвителей объединены по выходу, при этом выходные участки всех ответвлений первого информационного разветвителя являются волноводами, оптически связанными с ответвлением второго управляющего разветвителя, выход которого является выходом компаратора, R-вход триггера является входом включения умножителя, нулевой выход триггера через первый транспарант оптически связан с входом первого дополнительного ответвления, выход которого подключен к первому входу компаратора, являющемуся входом первого входного информационного разветвителя, второй вход компаратора, являющийся входом второго входного информационного разветвителя, с помощью третьего дополнительного оптического ответвления оптически связан с инверсным выходом второго оптического бистабильного элемента, вход которого является входом устройства для одного из сомножителей, а выход компаратора через первое оптическое ответвление выходного разветвителя подключен к входу третьего оптического бистабильного элемента и через второе ответвление выходного разветвителя к S-входу оптического триггера, единичный выход которого подключен через второе ответвление входного разветвителя к входу второго оптического бистабильного элемента, являющемуся также входом устройства для одного из сомножителей, инверсный выход первого оптического бистабильного элемента подключен к входу второго дополнительного ответвления, выход которого подключен к входу третьего оптического бистабильного элемента, выход которого через последовательно соединенные частотный фильтр и второй транспарант оптически связан с выходом устройства.