ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1999 года по МПК G06E3/00 

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано в оптических вычислительных машинах при вычислении нелинейных функций от матриц.

Известны различные средства и способы матричных преобразований, основанные на перемножении матриц. Максимальное быстродействие обеспечивают устройства, в которых реализован параллельных принцип перемножения (А. С. N 422008, СССР, 1972 г., БИ N 12, 1974 г.; А. С. N 1226498, СССР, 1984 г., БИ N 15, 1986 г.). Недостатками данных устройств являются, во-первых, необходимость использования когерентного излучения (что затрудняет достижение высокой точности при многократном перемножении из-за неизбежных фазовых искажений), а во-вторых, невозможность решения с их помощью задач матричной алгебры, требующих организации циклического перемножения матриц, в том числе вычисления нелинейных функций от матриц.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое аналоговое устройство для умножения матриц (А. С. N 640330, СССР, 1976 г., БИ N 48, 1978 г.), содержащее вычислительный транспарант и многоэлементный (матричный) фотоприемник.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности вычисления произвольных нелинейных функций от матриц ввиду нереализуемости в устройстве матричного перемножения произвольной кратности.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи быстродействующего вычисления нелинейной функции f от заданной матрицы A, аппроксимируемой с требуемой точностью конечным полиномом вида

k_i = const.

Поставленная задача возникает при анализе и синтезе многомерных динамических систем, решении нелинейных матричных уравнений и т.д. Сущность изобретения состоит в том, что в устройство дополнительно введены оптический блок умножения матриц, матричный усилитель, управляемый полихроматический матричный излучатель, матричный оптический волновод, матричный оптический Y-разветвитель, диспергирующий элемент, оптический объединитель и оптический разветвитель, вход которого является входом устройства, а выходы всех его оптических разветвлений различной длины через оптический вычислительный транспарант оптически связаны с входами оптических ответвлений оптического объединителя, выход которого через диспергирующий элемент оптически связан с диагональными входами матричного оптического Y-разветвителя, выход первого оптического разветвления которого подключен к входам вертикального оптического разветвителя оптического блока умножения матриц, содержащего N групп из N объединенных по выходу оптических разветвлений каждая, входы которых оптически связаны с входами - столбцами матричного входа блока, а выход каждого такого объединения разветвляется на N оптических разветвлений, выходы которых подключены к входам столбцов оптического транспаранта блока, выходы строк которого подключены к входам объединенных оптических разветвлений N групп, выходы которых подключены к входам соответствующих диспергирующих элементов, выходы которых образуют выход оптического блока умножения матриц, подключенный через последовательно соединенные матричные фотоприемник, усилитель и управляемый излучатель к транспонирующему за счет пространственной ориентации оптических разветвлений входу матричного оптического волновода, объединенного по выходу с первым оптическим разветвлением матричного оптического Y-разветвителя, выход второго оптического разветвления которого является выходом устройства.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где представлены функциональная схема оптоэлектронного вычислительного устройства, схема оптического блока умножения матриц, схема транспонирования матриц.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предложенного устройства. Устройство содержит оптический разветвитель 1, содержащий M оптических разветвлений различной длины, оптический вычислительный транспарант 2, оптический объединитель 3, содержащий M оптических ответвлений одной длины, диспергирующий элемент 4, матричный оптический Y-разветвитель 5, оптический блок умножения матриц (ОБУМ) 6, матричный фотоприемник 7, матричный усилитель 8, управляемый полихроматический матричный излучатель (МИ) 9, матричный оптический волновод 10.

МИ 9 может быть выполнен в виде матрицы светодиодов или полупроводниковых лазеров, причем длины волн излучения элементов разных столбцов МИ должны быть различны: λ₁,...,λ_N.
Матричные оптические волновод 10 и Y-разветвитель 5 могут быть выполнены в виде механического объединения одномерных оптических волноводов, топологически соответствующего матрице с заданной размерностью NxN.

Вход устройства оптически связан с входом оптического разветвителя 1, выходы которого через оптический вычислительный транспарант 2 оптически связаны с входами оптического объединителя 3, выход которого подключен к входу диспергирующего элемента 4. Выход диспергирующего элемента 4 оптически связан с диагональными входами матричного оптического Y-разветвителя 5, выходы которого подключены к выходу устройства и к входу ОБУМ 6. Выход ОБУМ 6 через последовательно соединенные матричные фотоприемник 7, усилитель 8 и излучатель 9 подключен к входу матричного оптического волновода 10, который объединен по выходу с первым оптическим разветвлением матричного оптического Y-разветвителя 5.

На фиг. 2 представлена функциональная схема ОБУМ 6. ОБУМ 6 содержит вертикальный оптический разветвитель 11, оптический транспарант 12, горизонтальный оптический разветвитель 13 и группу диспергирующих элементов (ДЭ) 14₁, ..., 14_N (например, призм, фильтров, дифракционных решеток и т.д.). Вертикальный оптический разветвитель (ВР) 11 представляет собой N групп из N объединенных по выходу оптических разветвлений каждая, причем выход данного объединения разветвляется далее также на N оптических разветвлений. Горизонтальный оптический разветвитель (ГР) 13 представляет собой N групп 13₁, ..., 13_N из N объединенных по выходу оптических разветвлений каждая. Входы N объединенных оптических разветвлений 11₁₁, ..., 11_1N каждой группы ВР объединены с входами-столбцами матричного входа ОБУМ 6, а выходы оптических разветвлений 11₂₁, ..., 11_2N каждой группы ВР подключены к входам столбцов оптического транспаранта 12. Выходы строк оптического транспаранта 12 подключены к входам объединенных оптических разветвлений соответствующих групп 13₁, . . . , 13_N ГР, выходы которых подключены к входам ДЭ 14₁, ..., 14_N, выходы которых являются выходами ОБУМ 6.

На фиг. 3 представлена схема транспонирования матрицы, содержащая N(N-1)/2 групп парных оптических разветвлений 15₁, ..., 15_N(N-1)/2. Пространственная ориентация пары оптических разветвлений каждой группы 15_i обеспечивает взаимную пространственную замену оптических участков плоского светового потока, соответствующих элементам матрицы с взаимообратными индексами.

Устройство работает следующим образом. На вход устройства поступает полихроматический импульсный световой поток, представляющий собой смесь N потоков с интенсивностью ≈ 2NM условных единиц каждый с длинами волн λ₁,...,λ_N. соответственно. В оптическом разветвителе 1 данный поток разветвляется на M потоков равной интенсивности, поступающих далее на оптический вычислительный транспарант 2. Разность длин оптических разветвлений в оптическом разветвителе 1 выбрана таким образом, что оптические сигналы с их выходов на входы оптического вычислительного транспаранта 2 (соответствующие участкам с функциями пропускания, пропорциональными коэффициентам k_i, ) поступают через интервалы времени, равные времени прохождения оптического сигнала по тракту "вход матричного оптического Y-разветвителя 5 - выход матричного оптического волновода 10". Так как далее оптические сигналы с выходов оптического вычислительного транспаранта 2 поступают по оптическим ответвлениям оптического объединителя 3 на вход ДЭ 4, то, следовательно, на выходе ДЭ 4 формируется импульсная последовательность оптических сигналов, представляющих собой совокупность пространственно разделенных монохроматических сигналов с интенсивностью ≈ 2k_i N, распределенных (за счет соответствующей пространственной ориентации ДЭ 4) по диагонали плоскости (матрицы) входа матричного оптического Y-разветвителя 5. Проходя через матричный оптический Y-разветвителя 5, данный поток поступает на выход устройства и на вход ОБУМ 6, формируя на входе последнего матричный оптический сигнал С, пропорциональный в начальный момент времени диагональной матрице с элементами, равными N k_M.

В ОБУМ 6 происходит следующее. Световой поток на входе вертикального оптического разветвителя 11 образует на N входах оптических разветвлений 11_1i, совокупность разнохроматических сигналов с интенсивностями, пропорциональными значениям элементов i-го столбца матрицы C: c_1i, ..., c_Ni. На выходе оптического разветвления 11_1i данные сигналы объединяются в полихроматический световой поток, который, поступая в оптическое разветвление 11_2i, выходы которого оптически связаны с соответствующими элементами i-го столбца оптического транспаранта 12 (т.е. i-й строки A_i, преобразуемой по закону f матрицы A, массиву элементов которой пропорциональна функция пропускания оптического транспаранта 12), обеспечивает умножение на каждый n-й элемент a_in всей необходимой совокупности элементов N^-1c_1i, ..., N^-1c_Ni. Объединение световых потоков, формирующихся на выходах элементов строк оптического транспаранта 12, с помощью оптических разветвлений 13₁, ..., 13_N горизонтального оптического разветвителя 13 приводит к формированию на входе m-го ДЭ 14m полихроматической смеси N оптических сигналов с интенсивностями, пропорциональными N^-1 C_sj a_jm; S, т.е. пропорциональными значениям элементов c^* _sm результирующей матрицы CA= C^*, которая в начальный момент времени (на первом шаге работы устройства) оказывается равной k_M • A. Расщепление каждого такого потока по горизонтали с помощью ДЭ позволяет разнести в пространстве оптические сигналы с длиной волны λ_i и интенсивностью c^* _im, сформировав, таким образом, на выходе ОБУМ 6 матрицу оптических сигналов с интенсивностями, пропорциональными значениям элементов матрицы C^*, причем пространственная ориентация такой матрицы по отношению к ориентации матрицы C на входе обеспечивает на выходе ОБУМ 6 формирование транспонированной матрицы (CA)^T=A^TC^T=C^*T.

Далее плоский световой поток с выхода ОБУМ 6 поступает на вход матричного фотоприемника 7, выходные сигналы которого поступают на вход матричного усилителя 8, обеспечивающего усиление поступающих сигналов в 2NE раз (с целью компенсации последующих потерь интенсивности световых сигналов при разделении в ОБУМ 6 и матричном оптическом Y-разветвителе 5, а также при многократном прохождении матричного оптического волновода 10 с коэффициентом затухания E). С выхода матричного усилителя 8 матричный сигнал поступает на вход управляемого МИ 9, обеспечивающего формирование на входе матричного оптического волновода 10 плоского полихроматического светового потока с распределением интенсивности, пропорциональным матрице C^*T. Т.к. на выходе ОБУМ 6 (и, следовательно, МИ 9) формируется транспонированный массив C^*T, а для дальнейшего функционирования схемы устройства необходима непосредственно матрица C^*, то на входе матричного оптического волновода 10 осуществляется транспонирование входного массива за счет специальной пространственной разводки оптических разветвлений. Возможный вариант такой разводки приведен на фиг. 3, где в качестве элементов c^* _ij обозначены пространственные участки оптической матрицы C^* с интенсивностями, пропорциональными соответствующим элементам матрицы C^*. Группы парных оптических разветвлений 15_i осуществляют пространственное перераспределение оптических потоков (направления их показаны на фиг. 3 стрелками), обеспечивающее транспонирование выходной матрицы МИ 9. Далее на входе матричного оптического Y-разветвителя 5 происходит суммирование оптических сигналов: пропорционального матрице 2k_M A, поступающего с выхода матричного оптического волновода 10, и пропорционального диагональной матрице 2k_M-1 E (E - единичная матрица), поступающего с выхода ДЭ 4.

Результирующий входной поток в матричном оптическом Y-разветвителе 5 разделяется на 2: первый поток образует на выходе устройства поток с матричной интенсивностью C^* = k_M • A + k_M-1 • E, а второй поступает по первому оптическому разветвлению матричного оптического Y-разветвителя 5 на вход ОБУМ 6. Далее работа описанных функциональных блоков устройства повторяется аналогично вышеизложенному: в ОБУМ 6 происходит умножение матрицы C^* на матрицу A - на выходах матричного оптического Y-разветвителя 5 формируются оптические матричные сигналы с интенсивностями, пропорциональными новой матрице
C^* = (k_M • A + k_M-1 • E) • A + k_M-2 • E = k_M • A² + k_M-1 • A + k_M-2 • E,
на следующем шаге -
C^* = ((k_M • A + k_M-1 • E) • A + k_M-2 • E) • A + k_M-3 • E = k_M • A³ + k_M-1 • A² + k_M-2 • A + k_M-3 • E и т.д.

По окончании импульсной последовательности оптических сигналов на входе матричного оптического Y-разветвителя 5 и завершении M-го шага работы устройства (т. е. по окончании переходного процесса работы устройства) на выходе устройства формируется искомая матрица
C^* = f(A) = ((... (((k_M • A ++ k_M-1 • E) • A + k_M-2 • E) • A + k_M-3 • E) • A ++ ... + k₂ • E) • A + k₁ • E) • A
с быстродействием, близким к потенциально возможному для оптических устройств.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при вычислении нелинейных функций. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет вычисления произвольных нелинейных функций от матриц. Устройство содержит матричный оптический волновод, матричный оптический Y-разветвитель, диспергирующий элемент, оптический объединитель, оптический разветвитель, оптический блок умножения матриц, матричный усилитель и управляемый полихроматический матричный излучатель. 3 ил.

Оптоэлектронное вычислительное устройство, содержащее оптический вычислительный транспарант, матричный фотоприемник, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены оптический блок умножения матриц, матричный усилитель, управляемый полихроматический матричный излучатель, матричный оптический волновод, матричный оптический Y-разветвитель, диспергирующий элемент, оптический объединитель и оптический разветвитель, вход которого является входом устройства, а выходы всех его оптических разветвлений различной длины через оптический вычислительный транспарант оптически связаны с входами оптических ответвлений оптического объединителя, выход которого через диспергирующий элемент оптически связан с диагональными входами матричного оптического Y-разветвителя, выход первого оптического разветвления которого подключен к входам вертикального оптического разветвителя оптического блока умножения матриц, содержащего N групп из N объединенных по выходу оптических разветвлений каждая, входы которых оптически связаны с входами-столбцами матричного входа блока, а выход каждого такого объединения разветвляется на N оптических разветвлений, выходы которых подключены ко входам столбцов оптического транспаранта блока, выходы строк которого подключены ко входам объединенных оптических разветвлений N групп, выходы которых подключены ко входам соответствующих диспергирующих элементов, выходы которых образуют выход оптического блока умножения матриц, подключенный через последовательно соединенные матричные фотоприемник, усилитель и управляемый излучатель к транспонирующему за счет пространственной ориентации оптических разветвлений входу матричного оптического волновода, объединенного по выходу с первым оптическим разветвлением матричного оптического Y-разветвителя, выход второго оптического разветвления которого является выходом устройства.