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

Описание патента на изобретение RU2433445C1

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 уРЕЗ(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, …71n; 721, 722, …72n; …; 7k1, 7k2, …7kn - k групп по n оптических Y-объединителей;

- 811, 812, …81n; 821, 822, …82n; …; 8k1, 8k2, …8kn - 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, …9k - 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 7ij; 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 7ij; i, j=k, n.

Выход ij-го оптического Y-объединителя 7ij подключен ко входу ij-й пары ОСВ 8ij. Второй выход ij-й пары ОСВ 8ij подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя 9i; i, j=k, n, первый выход каждой ij-й пары ОСВ 8ij является поглощающим.

Выходы оптических n-входных объединителей 91, 92, …9k 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 уРЕЗ(х) в координатах уРЕЗ(х), х, показаны на фигурах 2 (а), (б) и (в) соответственно. На фигуре 2 (в) область положительных значений функции уРЕЗ(х) показано правой штриховкой, область отрицательных значений - левой штриховкой.

Схема ij-й пары ОСВ 8ij 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 7ij.

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 7ij.

Так как каждый ij-й пиксел первого матричного оптического транспаранта 5 оптически связан - подключен к первому входу соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7ij, а каждый ij-й пиксел второго матричного оптического транспаранта 6 подключен ко второму входу этого же ij-го оптического Y-объединителя 7ij, то на выходах всех оптических Y-объединителей 711, 712, …71n; 721, 722, …72n; …; 7k1, 7k2, …7kn 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, ∀xi∈X;

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

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

0 - во всех остальных случаях.

С выходов оптических Y-объединителей 711, 712, …71n; 721, 722, …72n; …; 7k1, 7k2, …7kn оптические потоки поступают на входы соответствующих пар ОСВ 811, 812, …81n; 821, 822, …82n; …; 8k1, 8k2, …8kn.

Если на вход пары ОСВ 8ij поступает оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед., то он проходит через входной оптический волновод на второй выход пары ОСВ 8ij, переключения оптического потока не происходит. Если на вход пары ОСВ 8ij 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 8ij, где этот поток поглощается. (При этом на втором выходе пары ОСВ 8ij оптический поток отсутствует.)

Т.о. на выходе каждой пары ОСВ 811, 812, …81n; 821, 822, …82n; …; 8k1, 8k2, …8kn 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, ∀xi∈X;

1 усл.ед. с длиной волны λ2 - если у1(x)<у2(х), причем у1(x)≠0 и у2(х)≠0, ∀xi∈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, …81n; 821, 822, …82n; …; 8k1, 8k2, …8kn оптический поток поступает на соответствующий j-й вход i-го оптического n-входного объединителя 9i.

На выходах всех оптических n-входных объединителей 9i, 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 уРЕЗ(х) соответственно, для каждого значения xi.

Т.о. на выходах всех оптических n-входных объединителей 91, 92, …9k - 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 уРЕЗ(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.

Похожие патенты RU2433445C1

название год авторы номер документа
ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ РАЗНОСТИ НЕПРЕРЫВНЫХ МНОЖЕСТВ 2010
  • Аллес Михаил Александрович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Ковалев Сергей Михайлович
RU2433446C1
ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ СИММЕТРИЧЕСКОЙ РАЗНОСТИ НЕПРЕРЫВНЫХ МНОЖЕСТВ 2010
  • Аллес Михаил Александрович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Ковалев Сергей Михайлович
RU2429519C1
ОПТИЧЕСКИЙ КОНЪЮНКТОР НЕПРЕРЫВНЫХ МНОЖЕСТВ 2009
  • Курейчик Виктор Михайлович
  • Курейчик Владимир Викторович
  • Аллес Михаил Александрович
  • Ковалев Сергей Михайлович
  • Соколов Сергей Викторович
RU2419128C2
ОПТИЧЕСКИЙ ДИЗЪЮНКТОР НЕПРЕРЫВНЫХ МНОЖЕСТВ 2009
  • Курейчик Виктор Михайлович
  • Курейчик Владимир Викторович
  • Аллес Михаил Александрович
  • Ковалев Сергей Михайлович
  • Соколов Сергей Викторович
RU2419127C2
ОПТИЧЕСКИЙ АЛГЕБРАИЧЕСКИЙ ОБЪЕДИНИТЕЛЬ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ 2010
  • Аллес Михаил Александрович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Ковалев Сергей Михайлович
RU2435191C1
ОПТИЧЕСКИЙ КОНЪЮНКТОР НЕПРЕРЫВНЫХ (НЕЧЕТКИХ) МНОЖЕСТВ 2010
  • Аллес Михаил Александрович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Ковалев Сергей Михайлович
RU2435193C1
ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ ФУНКЦИИ ПО МОДУЛЮ ЧИСЛА 2010
  • Аллес Михаил Александрович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Ковалев Сергей Михайлович
RU2432597C1
ОПТИЧЕСКИЙ ДИЗЪЮНКТОР НЕПРЕРЫВНЫХ (НЕЧЕТКИХ) МНОЖЕСТВ 2010
  • Аллес Михаил Александрович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Ковалев Сергей Михайлович
RU2432600C1
ОПТИЧЕСКИЙ Д-КОНЪЮНКТОР НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ 2010
  • Аллес Михаил Александрович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Ковалев Сергей Михайлович
RU2435192C1
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ НЕЧЕТКИЙ ПРОЦЕССОР 2011
  • Аллес Михаил Александрович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Ковалев Сергей Михайлович
RU2446436C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 433 445 C1

Реферат патента 2011 года ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ФУНКЦИЙ

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.

Формула изобретения RU 2 433 445 C1

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2011 года RU2433445C1

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИТАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 1995
  • Баранник А.А.
  • Соколов С.В.
RU2103721C1
ОПТИЧЕСКИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 1990
  • Соколов С.В.
RU2020550C1
ОПТИЧЕСКИЙ УМНОЖИТЕЛЬ 1992
  • Соколов С.В.
RU2022328C1
JP 8211958 А, 20.08.1996.

RU 2 433 445 C1

Авторы

Аллес Михаил Александрович

Соколов Сергей Викторович

Ковалев Сергей Михайлович

Даты

2011-11-10Публикация

2010-05-14Подача