ОПТИЧЕСКИЙ КОНЪЮНКТОР НЕПРЕРЫВНЫХ МНОЖЕСТВ Российский патент 2011 года по МПК G06E3/00 G06N7/02 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики.

Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для умножения оптических сигналов, содержащее оптический RS-триггер, оптический Y-разветвитель, три оптических бистабильных элемента, оптические волноводы с кольцевыми ответвлениями, оптические усилители, оптический компаратор, частотный фильтр, оптический транспарант [пат. RU 2022328 С1, 1994, Оптический умножитель. / С.В.Соколов].

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический Y-разветвитель, оптический транспарант.

Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения операции пересечения (конъюнкции) двух непрерывных (нечетких) множеств.

Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для вычитания оптических сигналов [пат. RU 2103721 С1, 1998, Устройство для вычитания оптических сигналов. / С.В.Соколов, А.А.Баранник]. Устройство для вычитания оптических сигналов содержит оптические усилители, входной оптический разветвитель, две группы оптических транспарантов, оптические разветвления, кольцевое ответвление, оптический компаратор, оптическое ответвление, пару оптически связанных волноводов и оптический бистабильный элемент.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант, оптический разветвитель, пара оптически связанных волноводов.

Недостатками вышеописанного устройства являются высокая сложность и невозможность выполнения операции пересечения (конъюнкции) двух непрерывных (нечетких) множеств.

Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь, принятый за прототип [пат. RU 2020550 С1, 1994, Оптический функциональный преобразователь. / С.В.Соколов], содержащий источник когерентного излучения, дифференциатор, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, оптический n-входной объединитель, оптически связанные волноводы, оптический модулятор.

Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический транспарант, оптический разветвитель, оптически связанные волноводы.

Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность выполнения операции пересечения (конъюнкции) двух непрерывных (нечетких) множеств.

Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию пересечения (конъюнкции) двух непрерывных (нечетких) множеств при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности до 10⁵-10⁶ операций в секунду.

Технический результат достигается тем, что в него введены оптический Y-разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, k групп оптических n-входных объединителей, выход источника излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя, второй выход оптического Y-разветвителя подключен ко входу второго оптического kxn-выходного разветвителя, ij-й выход (i=1, 2,…k; j=1, 2,…n) первого оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-ому входу первого матричного оптического транспаранта размерностью k×n, ij-й выход которого подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя, ij-й выход (i=1, 2,…k; j=1, 2,…n) второго оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу второго матричного оптического транспаранта размерностью k×n, ij-й выход которого подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя, выход ij-го оптического Y-объединителя подключен ко входному оптическому волноводу ij-й пары оптически связанных волноводов, второй выход которой является поглощающим, а первый выход ij-й пары оптически связанных волноводов подключен ко входу ij-го оптического транспаранта, выход ij-го оптического транспаранта подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства.

Для достижения технического результата в оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств, содержащий источник излучения, оптический транспарант, оптический разветвитель, оптически связанные волноводы, введены оптический Y-разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, k групп оптических n-входных объединителей, выход источника излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя, второй выход оптического Y-разветвителя подключен ко входу второго оптического kxn-выходного разветвителя, ij-й выход (i=1, 2,…k; j=1, 2,…n) первого оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу первого матричного оптического транспаранта размерностью k×n, ij-й выход которого подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя, ij-й выход (i=1,2,…k; j=1,2,…n) второго оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу второго матричного оптического транспаранта размерностью k×n, ij-й выход которого подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя, выход ij-го оптического Y-объединителя подключен ко входному оптическому волноводу ij-й пары оптически связанных волноводов, второй выход которой является поглощающим, а первый выход ij-й пары оптически связанных волноводов подключен ко входу ij-го оптического транспаранта, выход ij-го оптического транспаранта подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства.

Оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции пересечения (конъюнкции) двух непрерывных (нечетких) множеств А и В и получения результирующего множества D, функция принадлежности которого равна:

где µ_A(x) - функция принадлежности, описывающая непрерывное (нечеткое) множество А элементов, определенных на базовой шкале Х ∈ x₁,x₂,…,x_k,где

k - количество элементов множества А,

µ_B(x) - функция принадлежности, описывающая непрерывное (нечеткое) множество В элементов, определенных на базовой шкале Х ∈ x₁, x₂,…, x_k, где k - количество элементов множества В.

Функциональная схема оптического конъюнктора показана на фигуре 1.

Оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств содержит:

- 1 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью 2×k×n усл(овных) ед(иниц);

- 2 - оптический Y-разветвитель;

- 3 - первый оптический kxn-выходной разветвитель;

- 4 - второй оптический kxn-выходной разветвитель;

- 5 - первый матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции принадлежности µ_А(x) в координатах µ_А, x;

- 6 - второй матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции принадлежности µ_B(x) в координатах µ_B, x;

- 7₁₁, 7₁₂,…7_1n; 7₂₁, 7₂₂,…7_2n;…; 7_k1, 7_k2,…7_kn - k групп по n оптических Y-объединителей;

- 8₁₁, 8₁₂,…8_1n; 8_21, 8₂₂,…8_2n;…; 8_k1, 8_k2,…8_kn - k групп по n пар оптически связанных волноводов (ОСВ) с порогом переключения оптического потока 2 усл. ед. [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации. / А.А. Акаев, С.А. Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с., страница 148, рисунок 5.2];

- 9₁₁, 9₁₂,…9_1n; 9₂₁, 9₂₂,…9_2n;…; 9_k1, 9_k2,…9_kn - k групп по n оптических транспарантов (ОТ) с функциями пропускания 1/√2;

- 10₁, 10₂,…10_k - k оптических n-входных объединителей.

Выход ИИ 1 подключен ко входу оптического Y-разветвителя 2. Первый выход оптического Y-разветвителя 2 подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя 3, а второй выход - ко входу второго оптического kxn-выходного разветвителя 4.

Каждый ij-й выход первого оптического k×n-выходного разветвителя 3 подключен к ij-му входу первого МОТ 5. Каждый ij-й выход первого МОТ 5 подключен к первому входу соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7_ij; i,j=k, n.

Каждый ij-й выход второго оптического kxn-выходного разветвителя 4 подключен к ij-му входу второго МОТ 6. Каждый ij-й выход второго МОТ 6 подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя 7_ij; i,j=k, n.

Выход ij-го оптического Y-объединителя 7_ij подключен ко входу ij-й пары ОСВ 8_ij. Первый выход ij-й пары ОСВ 8_ij подключен ко входу ij-го ОТ 9_ij, второй выход каждой ij-й пары ОСВ 8_ij является поглощающим. Выход ij-го ОТ 9_ij подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя 10_i; i,j=k,n.

Выходы оптических n-входных объединителей 10₁, 10₂,…10_k являются выходами устройства.

Примеры изображений графиков функции принадлежности µ_A(x) в координатах µ_A(x), x и функции принадлежности µ_B(x) в координатах µ_B(x), x, а также графика их конъюнкции - результирующей функции принадлежности µ_D(x) в координатах µ_D(x), x, показаны на фигуре 2 (а), (б) и (в) соответственно.

Схема ij-й пары ОСВ 8_ij показана на фигуре 3.

Работа оптического конъюнктора непрерывных (нечетких) множеств происходит следующим образом. С выхода ИИ 1 оптический поток с интенсивностью 2×k×n усл. ед. поступает на вход оптического Y-разветвителя 2, с первого выхода которого оптический поток с интенсивностью k×n усл. ед. поступает на вход первого оптического kxn-выходного разветвителя 3. Со второго выхода оптического Y-разветвителя 2 оптический поток с интенсивностью kxn усл. ед. поступает на вход второго оптического k×n-выходного разветвителя 4.

На всех выходах первого оптического k×n-выходного разветвителя 3 формируются оптические потоки единичной интенсивности, поступающие далее на вход первого матричного оптического транспаранта 5. На первом матричном оптическом транспаранте 5 записано изображение графика функции принадлежности µ_A(x) в координатах µ_A(x), x (фигура 2, а), имеющее единичную функцию пропускания (остальная часть транспаранта является поглощающей). Следовательно, на выходе первого матричного оптического транспаранта 5 будет сформировано изображение графика функции принадлежности µ_A(x) в координатах µ_A(x), x в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков). Каждый из этих единичных потоков поступает на первый вход соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7_ij.

Одновременно, на всех выходах второго оптического k×n-выходного разветвителя 4 формируются оптические потоки единичной интенсивности, поступающие далее на вход второго матричного оптического транспаранта 6. На втором матричном оптическом транспаранте 6 записано изображение графика функции принадлежности µ_B(x) в координатах µ_B x, (фигура 2, б), имеющее единичную функцию пропускания (остальная часть транспаранта является поглощающей). Следовательно, на выходе второго матричного оптического транспаранта 6 будет сформировано изображение графика функции принадлежности µ_B(x) в координатах µ_B(x), x в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков). Каждый из этих единичных потоков поступает на второй вход соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7_ij.

Так как каждый ij-й пиксел первого матричного оптического транспаранта 5 оптически связан - подключен, к первому входу соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7_ij, а каждый ij-ый пиксел второго матричного оптического транспаранта 6 подключен ко второму входу этого же ij-го оптического Y-объединителя 7_ij, то на выходах всех оптических Y-объединителей 7₁₁, 7₁₂,…7_1n; 7₂₁, 7₂₂,… 7_2n;…; 7_k1, 7_k2,…7_kn за счет объединения единичных оптических потоков от обоих МОТ 5,6 будет сформировано изображение наложения двух функций принадлежностей µ_A(x) и µ_B(x) (показано на фигуре 2 (в) тонкой линией) в виде пространственно распределенного оптического потока, состоящего из совокупности оптических потоков со следующими интенсивностями:

1 усл. ед. - если µ_A(x_i)≠µ_B(x_i), причем µ_A(x_i)≠0 и µ_B(x_i)≠0 ∀x_i ∈ X;

2 усл. ед. - если µ_A(x_i)µ_B(x_i), причем µ_A(x_i)≠0 и µ_B(x_i)≠0 ∀x_i ∈ X;

0 - во всех остальных случаях.

Таким образом, на выходе того оптического Y-объединителя 7_ij, на обоих входах которого присутствуют одновременно два единичных потока, будет сформирован оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед.

С выходов оптических Y-объединителей 7₁₁, 7₁₂,…7_1n; 7₂₁, 7₂₂,… 7_2n;…; 7_k1, 7_k2,…7k_n оптические потоки поступают на воды соответствующих пар ОСВ 8₁₁, 81₂,…8_1n; 8₂₁, 8₂₂,…8_2n;…; 8_k1, 8_k2,…8_kn.

Если на вход пары ОСВ 8_ij поступает оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед., то он поглощается на втором выходе пары ОСВ 8_ij -на первом выходе пары ОСВ 8_ij оптический поток при этом также отсутствует. Если на вход пары ОСВ 8_ij поступает оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед., то происходит переключение оптического потока из входного оптического волновода в выходной, оптически связанный со входным, и на первом выходе пары ОСВ 8_ij формируется оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. Этот поток интенсивности 2 усл. ед. от соответствующей пары ОСВ 8_ij поступает на вход соответствующего ОТ 9_ij, на выходе которого формируется поток с интенсивностью 1 усл. ед.

Т.о. на выходе каждого ОТ 9₁₁, 9₁₂,…9_1n; 9₂₁, 9₂₂,…9_2n;…; 9_k1, 9_k2,…9_kn формируется оптический поток с интенсивностью, равной:

1 усл.ед. - если µ_A(x_i)≠0 и µ_B(x_i)≠0 и µ_А(x_i)=µ_B(x_i) ∀x_i ∈ X;

0 - во всех остальных случаях,

Т.е. формируется изображение конъюнкции (результата операции, описываемой формулой (1)) двух функций принадлежностей µ_A(x) и µ_B(x) в виде пространственно распределенного оптического потока (фигура 2, в - заштрихованная область).

С выхода каждого из ОТ 9₁₁, 9₁₂,…9_1n; 9₂₁, 9₂₂,…9_2n;…; 9_k1, 9_k2,... 9_kn оптический поток поступает на соответствующий j-й вход i-го оптического n-входного объединителя 10_i.

На выходе каждого оптического n-входного объединителя 10_i за счет суммирования соответствующего числа оптических потоков единичной интенсивности формируется оптический поток, интенсивность которого пропорциональна значению функции принадлежности µ_D(x) для конкретного значения x_i.

Т.о. на выходах всех оптических n-входных объединителей 10₁, 10₂,…10_k - на выходе устройства, формируется плоский оптический поток с интенсивностью по оси x, пропорциональной функции принадлежности µ_D(x), соответствующей результату операции конъюнкции (пересечения) двух непрерывных (нечетких) множеств, определяемой равенством (1).

Быстродействие оптического конъюнктора непрерывных (нечетких) множеств определяется только динамическими характеристиками пар оптически связанных волноводов, время задержки которых составляет 10^-12 с. Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики. Техническим результатом является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию пересечения (конъюнкции) двух непрерывных (нечетких) множеств при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности. Устройство содержит источник излучения, оптический Y-разветвитель, два оптических k×n выходных разветвителей, два матричных оптических транспаранта, k групп по n оптических Y-объединителей, k групп по n пар оптически связанных волноводов, k групп по n оптических транспарантов, k оптических n-входных объединителей. 3 ил.

Оптический конъюнктор непрерывных множеств, содержащий источник излучения, оптический транспарант, оптический разветвитель, оптически связанные волноводы, отличающийся тем, что в него введены оптический Y-разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, k групп оптических n-входных объединителей, выход источника излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя, второй выход оптического Y-разветвителя подключен ко входу второго оптического k×n-выходного разветвителя, ij-й выход (i=1, 2,…k; j=1, 2,…n) первого оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу первого матричного оптического транспаранта размерностью k×n, ij-й выход которого подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя, ij-й выход (i=1, 2,…k; j=1, 2,…n) второго оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу второго матричного оптического транспаранта размерностью k×n, ij-й выход которого подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя, выход ij-го оптического Y-объединителя подключен ко входному оптическому волноводу ij-й пары оптически связанных волноводов, второй выход которой является поглощающим, а первый выход ij-й пары оптически связанных волноводов подключен ко входу ij-го оптического транспаранта, выход ij-го оптического транспаранта подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства.