ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ФУНКЦИЙ Российский патент 2011 года по МПК G06E3/00 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной логики, а также в оптических компьютерах при выполнении операции алгебраической разности двух функций.

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 транспарант.

Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность вычисления алгебраической разности двух функций.

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, оптически связанные волноводы.

Недостатками вышеописанного устройства являются высокая сложность и невозможность вычисления алгебраической разности двух функций.

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 вычисления алгебраической разности двух функций.

Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию вычисления алгебраической разности двух функций при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности до 10⁵-10⁶ операций в секунду.

Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего операцию вычисления алгебраической разности двух функций при одновременном увеличении вычислительной производительности.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптический вычислитель разности функций, содержащий первый источник излучения с длиной волны λ₁, первый оптический транспарант, первый оптический k×n-выходной разветвитель, оптически связанные волноводы, введены второй источник излучения с длиной волны λ₂, второй оптический k×n-выходной разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, k оптических n-входных объединителей, второй оптический транспарант, выход первого источника излучения подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя, выход второго источника излучения 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 размерности 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 размерности 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, первый выход которой является поглощающим, а второй выход ij-й пары оптически связанных волноводов подключен j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства.

Оптический вычислитель разности функций - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции алгебраической разности двух функций у₁(x) и у₂(х) и получения результирующей функции у_РЕЗ(х):

Функциональная схема устройства показана на фигуре 1.

Оптический вычислитель разности функций содержит:

- 1 - первый источник излучения (ИИ) с интенсивностью k×n усл(овных) ед(иниц) и длиной волны λ₁;

- 2 - второй ИИ с интенсивностью k×n усл.ед. и длиной волны λ₂;

- 3 - первый оптический k×n-выходной разветвитель;

- 4 - второй оптический k×n-выходной разветвитель;

- 5 - первый матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции у₁(x) в координатах у₁(x), x;

- 6 - второй матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции у₂(х) в координатах у₂(х), 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; 8₂₁, 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];

- 9₁, 9₂, …9_k - k оптических n-входных объединителей.

Выход первого ИИ 1 подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя 3, а выход второго ИИ 2 подключен ко входу второго оптического k×n-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 k×n-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. Второй выход ij-й пары ОСВ 8ij подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя 9_i; i, j=k, n, первый выход каждой ij-й пары ОСВ 8_ij является поглощающим.

Выходы оптических n-входных объединителей 9₁, 9₂, …9_k являются выходами устройства.

Примеры изображений графиков функции у₁(x) в координатах y₁(x), x и функции у₂(х) в координатах у₂(х), х, а также графика модуля их разности - модуля результирующей функции у_РЕЗ(х) в координатах у_РЕЗ(х), х, показаны на фигурах 2 (а), (б) и (в) соответственно. На фигуре 2 (в) область положительных значений функции у_РЕЗ(х) показано правой штриховкой, область отрицательных значений - левой штриховкой.

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

Работа оптического вычислителя разности функций происходит следующим образом. С выхода НИ 1 оптический поток с интенсивностью k×n усл.ед. и длиной волны λ₁ поступает на вход первого оптического k×n-выходного разветвителя 3. С выхода ИИ 2 оптический поток с интенсивностью k×n усл.ед. и длиной волны λ₂ 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 с длиной волны λ₁, поступающие далее на вход первого матричного оптического транспаранта 5. На первом матричном оптическом транспаранте 5 записано изображение графика функции у₁(x) в координатах у₁(x), x (фигура 2а), имеющее единичную функцию пропускания (остальная часть транспаранта является поглощающей). Следовательно, на выходе первого матричного оптического транспаранта 5 будет сформировано изображение графика функции у₁(x) в координатах у₁(x), x в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков) с длиной волны λ₁. 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 с длиной волны λ₂, поступающие далее на вход второго матричного оптического транспаранта 6. На втором матричном оптическом транспаранте 6 записано изображение графика функции у₂(х) в координатах у₁(x), x (фигура 2б), имеющее единичную функцию пропускания (остальная часть транспаранта является поглощающей). Следовательно, на выходе второго матричного оптического транспаранта 6 будет сформировано изображение графика функции у₂(х) в координатах у₂(х), x в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков) с длиной волны λ₂. 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-й 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 у₁(x) и у₂(х) (показано на фигуре 2 в) в виде пространственно распределенного оптического потока, состоящего из совокупности оптических потоков со следующими интенсивностями и длинами волн:

1 усл.ед. с длиной волны λ₁ - если у₁(x)>у₂(х), причем у₁(x)≠0 и у₂(х)≠0, ∀x_i∈X;

1 усл.ед. с длиной волны λ₂ - если у₁(x)<у₂(х), причем у₁(x)≠0 и у₂(х)≠0, ∀x_i∈X;

2 усл.ед. с длинами волн λ₁, λ₂ - если у₁(x)=у₂(х), причем у₁(x)≠0 и у₂(х)≠0, ∀x_i∈Х;

0 - во всех остальных случаях.

С выходов оптических Y-объединителей 7₁₁, 7₁₂, …7_1n; 7₂₁, 7₂₂, …7_2n; …; 7_k1, 7_k2, …7_kn оптические потоки поступают на входы 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 проходит через входной оптический волновод на второй выход пары ОСВ 8_ij, переключения оптического потока не происходит. 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, - т.е. на первый выход пары ОСВ 8_ij, где этот поток поглощается. (При этом на втором выходе пары ОСВ 8_ij оптический поток отсутствует.)

Т.о. на выходе каждой пары ОСВ 8₁₁, 8₁₂, …8_1n; 8₂₁, 8₂₂, …8_2n; …; 8_k1, 8_k2, …8_kn формируется оптический поток с интенсивностью и длиной волны, равными:

1 усл.ед. с длиной волны λ₁ - если у₁(x)>у₂(х), причем у₁(x)≠0 и у₂(х)≠0, ∀x_i∈X;

1 усл.ед. с длиной волны λ₂ - если у₁(x)<у₂(х), причем у₁(x)≠0 и у₂(х)≠0, ∀x_i∈X;

0 - во всех остальных случаях.

Таким образом, формируется изображение алгебраической разности функций у₁(x) и у₂(х) - т.е. результата операции, описываемой формулой (1):

- в виде пространственно распределенного оптического потока с длиной волны λ₁ (фигура 2в - область правой штриховки), когда у₁(x)>у₂(х),

- и в виде пространственно распределенного оптического потока с длиной волны λ₂ (фигура 2в - область левой штриховки), когда у₁(x)<у₂(х).

С выхода каждой из пары ОСВ 8₁₁, 8₁₂, …8_1n; 8₂₁, 8₂₂, …8_2n; …; 8_k1, 8_k2, …8_kn оптический поток поступает на соответствующий j-й вход i-го оптического n-входного объединителя 9_i.

На выходах всех оптических n-входных объединителей 9_i, i=1,…,k, за счет суммирования соответствующего числа оптических потоков единичной интенсивности формируются оптические потоки с длинами волн λ₁ и λ₂, интенсивности которых пропорциональны положительным (длина волны λ₁) и отрицательным (длина волны λ₂) значениям функции у_РЕЗ(х) соответственно, для каждого значения x_i.

Т.о. на выходах всех оптических n-входных объединителей 9₁, 9₂, …9_k - на выходе устройства формируется полихроматический плоский оптический поток с интенсивностью по оси x, пропорциональной как положительным (длина волны λ₁), так и отрицательным (длина волны λ₂) значениям функции у_РЕЗ(х) соответственно.

Быстродействие оптического вычислителя разности функций определяется только динамическими характеристиками пар оптически связанных волноводов, время задержки которых составляет 10^-12 с. Для существующих 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 при выполнении операции алгебраической разности двух функций. Устройство содержит два источника излучения с длиной волны λ₁ и λ₂, первый и второй оптический транспарант, первый и второй оптический k×n-выходной разветвитель, оптически связанные волноводы, k групп по n оптических Y-объединителей, к оптических n-входных объединителей. Технический результат - выполнение операции вычисления алгебраической разности двух функций при одновременном увеличении вычислительной производительности. 3 ил.

Оптический вычислитель разности функций, содержащий первый источник излучения с длиной волны λ₁, первый оптический транспарант, первый оптический k×n-выходной разветвитель, оптически связанные волноводы, отличающийся тем, что в него введены второй источник излучения с длиной волны λ₂, второй оптический k×n-выходной разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, k оптических n-входных объединителей, второй оптический транспарант, выход первого источника излучения подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя, выход второго источника излучения 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 размерности 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 размерности 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, первый выход которой является поглощающим, а второй выход ij-й пары оптически связанных волноводов подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства.