ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК G02F7/00 

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании чисто оптических устройств обработки информации и вычислительной техники.

Известны различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), обеспечивающие преобразование аналогового сигнала в двоичный код, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983]. Недостатками данных АЦП являются низкое быстродействие, уменьшающееся с ростом разрядности АЦП, и большая сложность.

Также известны АЦП на основе волноводных модуляторов типа Маха-Цендера [Семенов А.С. и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - / М.: Радио и связь, 1990. - 176 с, рис.7, 6], содержащие оптический бистабильный элемент и обеспечивающие преобразование электрического входного сигнала в код Грея. Недостатками данных АЦП являются невозможность обеспечения аналого-цифрового преобразования оптических сигналов, невозможность преобразования входного аналогового сигнала в позиционный двоичный код, низкое общее быстродействие АЦП, обусловленное необходимостью использования в оконечном каскаде электронных элементов (фотодетектора, усилителя, компаратора) с суммарным временем срабатывания ≥10^-6 с.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналогово-цифровой преобразователь, описанный в патенте РФ N 2177165, 2001 г. Время преобразования в данном АЦП прямо пропорционально его выходному коду и периоду следования импульсов. Данный АЦП функционирует в циклическом режиме работы, так как по окончании временного интервала преобразования счетчик устанавливается в «0» (начальное состояние) и поэтому преобразование всегда начинается с нуля. Недостатком данного АЦП является его низкое быстродействие, которое можно повысить, используя реверсивный счетчик и нециклический режим работы АЦП.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи преобразования в позиционный двоичный код как электрических, так и оптических аналоговых сигналов, с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации.

Поставленная задача возникает при создании быстродействующих устройств обработки информации в системах управления и связи.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство, содержащее оптический генератор тактовых импульсов, оптический объединитель, группу оптических Y-разветвителей, оптический двоичный счетчик, оптический усилитель, оптический цифроаналоговый преобразователь, оптический компаратор, введены оптические коммутаторы и оптический реверсивный счетчик, которые содержат оптические пороговые устройства на основе оптически связанных волноводов, оптические линии задержки, оптические делители.

Выход оптического генератора тактовых импульсов подключен к входам оптических коммутаторов, выход первого коммутатора подключен к входу "+1" (инкремента) оптического реверсивного счетчика, а второй выход к входу "-1" (декремента) оптического реверсивного счетчика. Выход каждого разряда оптического реверсивного счетчика подключен ко входу соответствующего оптического Y-разветвителя группы оптических Y-разветвителей, выходы первых оптических разветвлений которых являются информационными выходами АЦП, а выходы вторых оптических разветвлений подключены к соответствующим входам оптического усилителя, выходы оптического усилителя подключены к соответствующим входам оптического цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к первому входу оптического компаратора, второй вход которого объединен со входом устройства, а выходы подключены ко входам оптических коммутаторов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показана функциональная схема АЦП (фиг.1), оптического коммутатора (фиг.2) и оптического реверсивного счетчика (фиг.3).

АЦП содержит оптический генератор тактовых импульсов (ОГИ) 1, оптический Y-разветвитель 2, оптические коммутаторы OK 3₁ и 3₂, оптический реверсивный счетчик (ОРС) 4, группу N оптических Y-разветвителей 5, N-канальный оптический усилитель (ОУ) 6, оптический цифроаналоговый преобразователь 7 (ОЦАП), оптический компаратор (ОКм) 8.

В качестве ОГИ 1 может быть использован, например, ОГИ, выполненный аналогично устройству, описанному в патенте РФ N 2082212, 1997 г.

Оптические коммутаторы ОК 3_i могут быть реализованы следующим образом.

Оптический коммутатор состоит из оптического объединителя 3_i1, оптически связанных волноводов 3_i2 и оптического Y-разветвителя 3_i3. Под оптически связанными волноводами (ОСВ) понимаются два оптических волновода, имеющих общую зону связи [Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: ВШ, 1988 г., с.176, 181]. Коэффициент связи между оптическими волноводами имеет пороговую статическую характеристику и определяется интенсивностью оптического сигнала в первом оптическом волноводе. Если интенсивность оптического сигнала на входе первого оптического волновода больше порового значения, то сигнал со входа первого оптического волновода ответвляется во второй оптический волновод и передается на его выход.

Входом оптического коммутатора является вход оптического объединителя 3_i1. Второй вход оптического объединителя 3_i1 является управляющим входом устройства. Выход оптического объединителя 3_i1 подключен к первому входу ОСВ. Первый выход ОСВ является поглощающим. Второй выход ОСВ подключен к входу Y-разветвителя. Первый выход Y-разветвителя является выходом устройства, а второй является поглощающим.

Рассмотрим работу оптического коммутатора. При подаче импульсов интенсивностью 1 у.е. на вход коммутатора и наличии сигнала управления интенсивностью 0 у.е. импульсы беспрепятственно проходят на вход ОСВ. Интенсивность сигнала является недостаточной для передачи во второй волновод. Поэтому интенсивность сигнала на втором выходе ОСВ и соответственно на выходе оптического коммутатора будет равна 0. При подаче на вход управления сигнала интенсивностью 1 у.е. интенсивность сигнала на входе ОСВ будет больше порогового значения, что приведет к переключению сигнала во второй волновод. Затем, пройдя через оптический Y-разветвитель 3, импульсы, подаваемые на вход, поступят на выход оптического коммутатора.

ОРДС 4 может быть реализован следующим образом. Устройство строится на основе оптических объединителей, оптических усилителей, оптических Y-разветвителей, оптически связанных волноводов, линии задержки, оптических делителей и поясняется графически (первые входы оптических объединителей, первые выходы оптических Y-разветвителей, первые входы и первые выходы оптически связанных волноводов обозначены точками). Оптические Y-разветвители, входящие в состав оптического реверсивного счетчика, обладают свойством усиления (интенсивность сигнала на каждом выходе равна интенсивности сигнала на входе). Сущность устройства заключается в формировании по двум входным оптическим сигналам Ip и Im выходных оптических сигналов D₀...D_n, соответствующих состоянию счетных ячеек СЯ. Каждая счетная ячейка имеет счетные входы Ip и Im, выходы состояния СЯ D_i, а также выходы сигналов наличия переноса в следующий разряд P_i и наличия займа М_i.

Каждая счетная ячейка состоит из пяти оптических Y-разветвителей 4_1i, _i=1...5, пяти оптических объединителей 4_{2i, i=1...5}, одной оптической линии задержки 4₃₁, четырех оптически связанных волноводов 4_{4i, i=1...4} и двух оптических делителей.

Информационными входами оптического реверсивного счетчика являются входы " Ip" и "Im". Выходами оптического реверсивного счетчика являются выходы "D₀...D_n", "Р_n", "М_n".

Информационные сигналы Ip и Im поступают на входы оптических Y-разветвителей 4₁₁, 4₁₂. Первые выходы оптических Y-разветвителей 4₁₁, 4₁₂ подключены к первым входам оптических объединителей 4₂₂, 4₂₅. Второй выход оптического Y-разветвителя 4₁₁ подключен ко второму входу оптического объединителя 4₂₁. Выход оптического объединителя 4₂₁ подключен к первому входу оптического объединителя 4₂₃. Выход оптического объединителя 4₂₃ подключен к первому входу ОСВ 4₄₁. Первый выход ОСВ 4₄₁ подключен ко входу оптического Y-разветвителя 4₁₅. Первый выход оптического Y-разветвителя 4₁₅ является выходом устройства "D_i". Второй выход оптического Y-разветвителя 4₁₅ подключен к входу оптической линии задержки 4₃₁. Выход линии задержки 4₁₃ подключен к входу оптического Y-разветвителя 4₁₄, первый выход которого подключен ко второму входу оптического объединителя 4₂₃. Второй выход оптического Y-разветвителя 4₁₄ подключен к входу оптического Y-разветвителя 4₁₃. Первый выход оптического Y-разветвителя 4₁₃ подключен ко второму входу оптического объединителя 4₂₂. Второй выход Y-разветвителя 4₁₃ подключен к первому входу оптического объединителя 4₂₄. На второй вход оптического объединителя 4₂₄ подан оптический сигнал интенсивностью 1 у.е. Выход оптического объединителя 4₂₄ подключен к первому входу ОСВ 4₄₃. Выход ОСВ 4₄₃ подключен ко второму входу оптического объединителя 4₂₅. Выход оптического объединителя 4₂₅ подключен к первому входу ОСВ 4₄₄. Второй выход ОСВ 4₄₄ подключен к входу оптического делителя 4₅₂. Выход оптического делителя 4₅₂ является выходом устройства "М". Выход оптического объединителя 4₂₂ соединен с первым входом ОСВ 4₄₂. Второй выход ОСВ 4₄₂ подключен к входу оптического делителя 4₅₁. Выход оптического делителя является выходом устройства "Р".

Вторые входы и вторые выходы ОСВ 4₄₁ и 4₄₃ являются поглощающими. Также поглощающими являются первые входы ОСВ 4₄₂ и ОСВ 4₄₄.

В начальном состоянии интенсивность сигналов на всех выходах D₀...D_n равна 0. При подаче на вход "Ip" сигнала интенсивностью 1 у.е. он, пройдя через оптический Y-разветвитель 1₁, оптические объединители 4₂₁ и 4₂₃, поступает на вход ОСВ 4₄₁. Так как интенсивность сигнала меньше 2 у.е., то импульс беспрепятственно проходит на выход и далее через оптический Y-разветвитель 4₁₅ поступает на выход "D₀". Co второго выхода Y-разветвителя 4₁₅ импульс поступает на вход линии задержки 4₃₁. В момент прекращения импульса на входе "Ip" сигнал с выхода линии задержки через оптический Y-разветвитель 4₁₄ и оптический объединитель поступает на вход ОСВ 4₄₁, в результате импульс будет курсировать по кольцу.

После поступления второго импульса на вход "Ip" он, пройдя через оптический Y-разветвитель 4₁₁, и оптический объединитель 4₂₁, поступает на вход оптического объединителя 4₂₃. На его входах присутствуют два сигнала интенсивностью 1 у.е. каждый, поэтому интенсивность сигналов на выходе будет составлять 2 у.е. В этом случае сигнал на входе ОСВ 4₄₁ составит 2 у.е, что приведет к переключению светового потока на второй выход ОСВ 4₄₁. Соответственно сигнал на выходе "D₀" будет составлять 0 у.е.

Второй импульс, пройдя через оптический Y-разветвитель 4₁₁, поступает на оптический объединитель 4₂₂. Интенсивность сигнала на выходе линии задержки 4₃₁ равна 1 у.е. Этот сигнал, пройдя через оптические Y-разветвители 4₁₄ и 4₁₃, поступает на вход оптического объединителя 4₂₂. Сигнал на его выходе будет составлять 2 у.е, что приведет к переключению светового потока во второй волновод ОСВ 4₄₂. В результате на выходе "Р₀" появится импульс интенсивностью 1 у.е.

В режиме вычитания импульсы подаются на вход "Im". Поступление первого импульса приводит к появлению сигнала интенсивности 1 у.е в кольце, состоящем из элементов 4₂₃, 4₄₁, 4₁₅, 4₃₁ и 4₁₄. На момент поступления импульса сигнал на выходе линии задержки 4₃₁ составлял 0 у.е., в результате на входе ОСВ 4₄₃ будет сигнал 1 у.е., который через оптический объединитель поступит на вход ОСВ 4₄₄. В результате на втором выходе ОСВ 4₄₄ появится импульс интенсивностью 2 у.е., а на выходе М₀ появится импульс 1 у.е.

При поступлении на вход Im второго импульса интенсивность сигнала в кольце элементов 4₂₃, 4₄₁, 4₁₅, 4₃₁ и 4₁₄ составит 0 у.е. На момент поступления второго импульса сигнал на выходе задержки составлял 1 у.е., в результате на входе ОСВ 4₄₃ будет сигнал 2 у.е., что приведет к переключению светового потока во второй волновод. Интенсивность сигнала на входе ОСВ 4₄₄ будет равна 1 у.е, поэтому сигнал на выходе "М" будет равен 0 у.е.

Работа всех остальных счетных ячеек аналогична работе рассмотренной, что соответствует работе двоичного оптического реверсивного счетчика.

ОУ 6 представляет собой N независимых параллельных оптических усилителей.

Оптический цифроаналоговый преобразователь 7 может быть выполнен аналогично устройству, описанному в патенте РФ N 2020550, 1994 г.

ОКм 8 может быть выполнен аналогично устройству, описанному в патенте РФ N 2020551, 1994 г., при аналого-цифровом преобразовании оптического сигнала, или же аналогично устройству, описанному в патенте РФ N 2106063, 1998 г., при аналого-цифровом преобразовании электрического сигнала.

Выход ОГИ 1 подключен ко входу оптического Y-разветвителя 2, первый выход которого подключен к входу оптического коммутатора 3₂, а второй выход оптического Y-разветвителя 2 подключен к входу оптического коммутатора 3₁, выход оптического коммутатора 3₁ подключен к входу "-1" оптического реверсивного счетчика 4, а выход оптического коммутатора 3₂ - к входу "+1" оптического реверсивного счетчика.

Выход каждого из N разрядов ОРДС 4 подключен ко входу соответствующего оптического Y-разветвителя группы N оптических Y-разветвителей 5, первые выходы оптических Y-разветвителей являются информационными выходами АЦП, а вторые выходы оптических Y-разветвителей подключены к соответствующим входам N-разрядного ОУ 6. N выходов ОУ 6 подключены к соответствующим N входам ОЦАП 7, выход которого подключен к первому входу ОКм 8, второй вход которого является входом устройства. Выход ОКм 8 (S<Ф) подключен к входу оптического коммутатора 3₂, а выход ОКм 8 (S≥Ф) подключен к входу оптического коммутатора 3₁.

Представленный оптический АЦП обеспечивает преобразование входного аналогового сигнала Ф в N-разрядный стандартный позиционный двоичный код {Р₁,..., Р_N} следующим образом. Тактовые импульсы ОГИ 1 через оптический Y-разветвитель 2 и оптические коммутаторы 3₁, 3₂ поступают на вход "+1" или "-1" оптического реверсивного счетчика. Непрерывно изменяющийся код поступает с выходов N разрядов ОРДС 4 по оптическим разветвлениям оптических Y-разветвлений 5₁, ..., 5_n непосредственно на выход АЦП и на N входов ОУ 6 для усиления оптических сигналов на входе ОЦАП 7, необходимого для правильного функционирования ОЦАП 7 (работа ОЦАП 7 описана в патенте РФ N 2020550, 1994 г.). ОЦАП 7 обеспечивает на выходе формирование значения аналогового сигнала S, соответствующего входному двоичному коду {Р₁, ..., Р_N}. Выходной сигнал ОЦАП 7 поступает на первый вход ОКм 8, на второй вход которого подается преобразуемый сигнал Ф. Выход ОКм 8, на котором формируется сигнал сравнения, соответствующий случаю S<Ф, подключен к управляющему входу оптического коммутатора 2₂, поэтому пока S<Ф идет накопление счетных импульсов в ОРДС 4.

По достижении уровня S≥Ф (точность соответствия S и Ф определяется ценой младшего разряда ОРДС 4) с выхода ОКм 8 снимается сигнал, который поступает на управляющий вход оптического коммутатора 2₂ и прекращает поступление импульсов на вход "+1" оптического реверсивного счетчика ОРДС 4. Кроме этого, на выходе S≥Ф ОКм 8 появляется сигнал, разрешающий прохождение счетных импульсов на вход "-1".

Таким образом, если S<Ф, то импульсы с ОГИ будут поступать на вход "+1" ОРДС 4, значения счетчика будут увеличиваться, что приведет к увеличению сигнала на выходе ОЦАП. Со временем сигнал S превысит входной сигнал Ф. В этом случае импульсы с ОГИ будут поступать на вход "-1" ОРДС 4, значения оптического реверсивного счетчика будут уменьшаться, что приведет к уменьшению сигнала на выходе ОЦАП. В результате ОАЦП будет постоянно следить за изменениями входного напряжения, что значительно снижает его время преобразования.

На выходе ОРДС 4 и, следовательно, АЦП формируется позиционный двоичный код {Р₁, ..., Р_N}, являющийся двоичным аналогом преобразуемого сигнала Ф.

Так как время срабатывания существующих ОБЭ равно ˜10^-11-10^-12 с, а частота тактовых импульсов ОГИ 1 находится в гигагерцовом диапазоне, то с учетом быстродействия всех элементов АЦП (из которых ОРДС 4 обладает наименьшим быстродействием) можно сделать вывод о реальности аналого-цифрового преобразования в данном случае, например, для N=16 с частотой не ниже 100 МГц, что существенно превосходит возможности существующих электронных и оптоэлектронных аналогов.

Изобретение относится к средствам вычислительной техники. Оптический преобразователь содержит оптические коммутаторы и оптический реверсивный счетчик, которые содержат оптические пороговые устройства на основе оптически связанных волноводов, оптические линии задержки, оптические делители, при этом выход оптического генератора тактовых импульсов подключен к входу оптического Y-разветвителя, выход каждого из N разрядов оптического реверсивного счетчика подключен ко входу соответствующего оптического Y-разветвителя группы N оптических Y-разветвителей, выходы оптического реверсивного счетчика подключены ко входам оптических Y-разветвителей, первые выходы оптических Y-разветвителей являются информационными выходами оптического аналого-цифрового преобразователя. Технический результат - обеспечение цифрового преобразования в позиционный двоичный код оптических аналоговых сигналов с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации. 3 ил.

Оптический аналого-цифровой преобразователь, содержащий оптический генератор тактовых импульсов, оптический объединитель, группу оптических Y-разветвителей, оптический двоичный счетчик, оптический усилитель, оптический цифроаналоговый преобразователь, оптический компаратор, отличающийся тем, что в оптический аналого-цифровой преобразователь введены оптические коммутаторы и оптический реверсивный счетчик, которые содержат оптические пороговые устройства на основе оптически связанных волноводов, оптические линии задержки, оптические делители, выход оптического генератора тактовых импульсов подключен к входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен к входу оптического объединителя, входящего в состав второго оптического коммутатора, второй выход оптического Y-разветвителя подключен к входу оптического объединителя, входящего в состав первого оптического коммутатора, выходы оптических объединителей подключены к первым входам оптически связанных волноводов, вторые выходы которых подключены ко входам Y-разветвителей, первые выходы которых подключены ко входам оптических Y-разветвителей, входящих в состав первой счетной ячейки оптического реверсивного счетчика, выходы оптических Y-разветвителей подключены к оптическому объединителю, оптическому пороговому устройству, оптическому Y-разветвителю, линии задержки и образуют кольцо с выходом, выход оптической линии задержки через оптические Y-разветвители подключен к оптическим объединителям, которые подключены к входам оптически связанных волноводов, формирующих выходные сигналы счетной ячейки, поступающие на следующую счетную ячейку через оптические делители, выход каждого из N разрядов оптического реверсивного счетчика подключен ко входу соответствующего оптического Y-разветвителя группы N оптических Y-разветвителей, выходы оптического реверсивного счетчика подключены ко входам оптических Y-разветвителей, первые выходы оптических Y-разветвителей являются информационными выходами оптического аналого-цифрового преобразователя, а выходы вторых оптических разветвлений подключены к соответствующим входам оптического усилителя, выходы оптического усилителя подключены к соответствующим входам оптического цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к первому входу оптического компаратора, второй вход которого является входом оптического аналого-цифрового преобразователя, а выходы оптического компаратора подключены ко вторым входам оптических объединителей, входящих в состав оптических коммутаторов.