ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ РАЗНОСТИ НЕПРЕРЫВНЫХ МНОЖЕСТВ 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 (нечеткой) логики, а также в оптических компьютерах при выполнении операции разности двух непрерывных множеств.

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 разности 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, оптически связанные волноводы.

Недостатками вышеописанного устройства являются высокая сложность и невозможность вычисления разности 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 вычисления разности двух непрерывных (нечетких) множеств.

Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию вычисления разности двух непрерывных (нечетких) множеств 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 разности двух непрерывных (нечетких) множеств при одновременном увеличении вычислительной производительности.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптический вычислитель разности непрерывных множеств, 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, k оптических диспергирующих элементов, 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-ый выход (i=1,2, … k; j=1,2, … n) первого оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-ому входу первого матричного оптического транспаранта размерности k×n, ij-ый выход которого подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя, ij-ый 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-ый 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, выход i-го оптического n-входного объединителя подключен ко входу i-го оптического диспергирующего элемента, первые и вторые выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами устройства.

Оптический вычислитель разности непрерывных множеств - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции разности двух непрерывных (нечетких) множеств А и В (В и А) и получения результирующего множества D (Е), 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 устройства показана на фиг.1.

Оптический вычислитель разности непрерывных множеств содержит:

- 1 - первый источник излучения (ИИ) с интенсивностью k×n усл. ед. (условных единиц) 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 принадлежности µ_A(x) в координатах µ_A, х;

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

- 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;

- 10₁, 10₂, … 10_k - k оптических диспергирующих элементов (ОДЭ).

ОДЭ могут быть выполнены в виде призм, дифракционных решеток и т.п.

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

Каждый ij-ый выход второго оптического k×n-выходного разветвителя 4 подключен к ij-му входу второго МОТ 6. Каждый ij-ый 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-ой пары ОСВ 8_ij. Второй выход ij-ой пары ОСВ 8_ij подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя 9_i; i, j=k, n, первый выход каждой ij-ой пары ОСВ 8_ij является поглощающим.

Выходы оптических n-входных объединителей 9₁, 9₂, … 9_k подключены ко входам соответствующих ОДЭ 10₁, 10₂, … 10_k, первые 10₁₁, 10₁₂, … 10_1k и вторые 10₂₁, 10₂₂, … 10_2k выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами устройства.

Примеры изображений графиков функции принадлежности µ_A(x) в координатах µ_A(x), х и функции принадлежности µ_B(x) в координатах µ_B(x), х, а также графиков их разностей - результирующих функций принадлежности µ_D(x) в координатах µ_D(x), х и µ_E(x) в координатах µ_E(x), х, показаны на фиг.2 (а), (б) и (в) соответственно.

Схема ij-ой пары ОСВ 8_ij показана на фиг.3.

Работа оптического вычислителя разности непрерывных множеств происходит следующим образом. С выхода ИИ 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 принадлежности µ_A(x) в координатах µ_A(x), х (фиг.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), х 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 (фиг.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-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 принадлежностей µ_A(x) и µ_B(x) (показано на фиг.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 (или λ₂) - 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. с длинами волн λ₁, λ₂ - 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.

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).

Таким образом, 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 (или λ₂) - если µ_A(x_i)≠0 или µ_B(x_i)≠0 и µ_A(x_i)≠µ_B(x_i) ∀x_i∈X;

0 - во всех остальных случаях.

Следовательно, одновременно формируются изображения как разности множеств А и В (результата операции, описываемой формулой (1)) - двух функций принадлежностей µ_A(x) и µ_B(x) в виде пространственно распределенного оптического потока единичной интенсивности с длиной волны λ₁ (фиг.2, в - область правой штриховки),

так и разности множеств В и А (результата операции, описываемой формулой (2)) - двух функций принадлежностей µ_B(x) и µ_A(x), в виде пространственно распределенного оптического потока единичной интенсивности с длиной волны λ₂ (фиг.2, в - область левой штриховки).

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 выходе каждого оптического n-входного объединителя 9_i за счет суммирования соответствующего числа оптических потоков единичной интенсивности формируются оптические потоки с длинами волн λ₁ и λ₂, интенсивности которых пропорциональны значениям функций принадлежности µ_D(x) и µ_E(x) соответственно для конкретного значения x_i.

Т.о. на выходах всех оптических n-входных объединителей 9₁, 9₂, … 9_k формируются два плоских разнохроматических оптических потока с длинами волн λ₁ и λ₂ и с интенсивностями по оси x, пропорциональным функциям принадлежности µ_D(x) и µ_E(x) соответственно.

Далее эти два плоских оптических потока с длинами волн λ₁ и λ₂ и с интенсивностями, пропорциональными функциям принадлежности µ_D(x) и µ_E(x), с выходов оптических n-входных объединителей 9₁, 9₂, … 9_k поступают на входы ОДЭ 10₁, 10₂, … 10_k, которые осуществляют их пространственное разделение, направляя на первый и второй выходы 10_1i, 10_2i ОДЭ 10_i соответственно.

Таким образом, на первых выходах ОДЭ 10₁₁, 10₁₂, … 10_k - первом выходе устройства формируется оптический поток с длиной волны λ₁ и с интенсивностью по оси x, пропорциональной функции принадлежности µ_D(x), а на вторых выходах ОДЭ 10₂₁, 10₂₂, …10_2k - втором выходе устройства формируется плоский оптический поток с длиной волны λ₂ и с интенсивностью по оси x, пропорциональной функции принадлежности µ_E(x).

Быстродействие оптического вычислителя разности непрерывных 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 при выполнении операции разности двух непрерывных множеств. Устройство содержит первый источник излучения с длиной волны λ₁, первый оптический транспарант, первый оптический k×n-выходной разветвитель, оптически связанные волноводы, 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, k оптических диспергирующих элементов. Технический результат - вычисление разности двух непрерывных множеств при увеличении вычислительной производительности. 3 ил.

Оптический вычислитель разности непрерывных множеств, 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, k оптических диспергирующих элементов, 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-гo 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-ый 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, выход i-го оптического n-входного объединителя подключен ко входу i-го оптического диспергирующего элемента, первые и вторые выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами устройства.