ОПТИЧЕСКИЙ ГРАНИЧНЫЙ ДИЗЪЮНКТОР НЕЧЕТКИХ 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 C1 1994. Оптический умножитель / С.В.Соколов].

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

Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения операции граничной дизъюнкции (объединения) двух нечетких множеств.

Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для вычитания оптических сигналов [Пат. RU 2103721 C1 1998, Устройство для вычитания оптических сигналов / С.В.Соколов, А.А.Баранник], содержащее 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 аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения операции граничной дизъюнкции (объединения) двух нечетких множеств.

Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь, принятый за прототип [Пат. RU 2020550 C1 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 n-выходной разветвитель, пара оптически связанных волноводов.

Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность выполнения операции граничной дизъюнкции (объединения) двух нечетких множеств.

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

Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создании устройства, выполняющего операцию граничной дизъюнкции (объединения) двух нечетких множеств при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности устройства.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптический граничный дизъюнктор нечетких множеств, содержащий источник излучения, первый линейный оптический транспарант, первый оптический n-выходной разветвитель, пару оптически связанных волноводов, введены оптический трехвыходной разветвитель, два оптических n-выходных разветвителя, второй линейный оптический транспарант, группа n блоков вычисления результата, каждый из которых содержит два оптических Y-объединителя, две пары оптически связанных волноводов, фотоприемник, пьезоэлемент, в который интегрирована вторая пара оптически связанных волноводов, причем первым входом блока вычисления результата является первый вход первого оптического Y-объединителя, вторым входом блока вычисления результата является второй вход первого оптического Y-объединителя, третьим входом блока вычисления результата является вход первого оптического волновода второй пары оптически связанных волноводов, интегрированной в пьезоэлемент, выход первого оптического Y-объединителя подключен ко входу первого оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов, выход первого оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов подключен к первому входу второго оптического Y-объединителя, выход второго оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов подключен ко входу фотоприемника, выход которого подключен к управляющему входу пьезоэлемента, в который интегрирована вторая пара оптически связанных волноводов, выход первого оптического волновода второй пары оптически связанных волноводов является поглощающим, выход второго оптического волновода второй пары оптически связанных волноводов подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя, выход которого является выходом блока вычисления результата, выход источника излучения подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя, второй выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя, третий выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу третьего оптического n-выходного разветвителя, каждый выход первого оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу первого линейного оптического транспаранта, каждый выход которого подключен к первому входу соответствующего блока вычисления результата, каждый выход второго оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу второго линейного оптического транспаранта, каждый выход которого подключен ко второму входу соответствующего блока вычисления результата, каждый выход третьего оптического n-выходного разветвителя подключен к третьему входу соответствующего блока вычисления результата, а выходы всех блоков вычисления результата являются выходами устройства.

Оптический граничный дизъюнктор нечетких множеств - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции граничной дизъюнкции (или граничного объединения) двух нечетких множеств A и B и получения результирующего множества D, функция принадлежности которого равна:

где µ_A(x) - функция принадлежности, описывающая нечеткое множество A элементов, определенных на базовой шкале X∈x₁,x₂,…,x_n, где n - количество элементов множества A,

µ_B(x) - функция принадлежности, описывающая нечеткое множество B элементов, определенных на базовой шкале X∈x₁,x₂,…,x_n, где n - количество элементов множества B.

Функциональная схема оптического граничного дизъюнктора нечетких множеств показана на фиг.1.

Оптический граничный дизъюнктор нечетких множеств содержит:

- 1 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью 3×n усл(овных) ед(иниц);

- 2 - оптический трехвыходной разветвитель;

- 3 - первый оптический n-выходной разветвитель;

- 4 - первый линейный оптический транспарант (ЛОТ) с функцией пропускания ;

- 5 - второй оптический n-выходной разветвитель;

- 6 - второй ЛОТ с функцией пропускания ;

- 7 - третий оптический n-выходной разветвитель;

- 8₁, 8₂, …, 8_n - группу n блоков вычисления результата (БВР).

Выход ИИ 1 подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя 2. Первый выход оптического трехвыходного разветвителя 2 подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя 3. Второй выход оптического трехвыходного разветвителя 2 подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя 5. Третий выход оптического трехвыходного разветвителя 2 подключен ко входу третьего оптического n-выходного разветвителя 7.

Каждый выход 3₁, 3₂, …, 3_n первого оптического n-выходного разветвителя 3 подключен к соответствующему входу первого ЛОТ 4. Каждый i-й выход ЛОТ 4 подключен к первому входу i-го БВР 8_i (i=1,2,…n).

Каждый выход 5₁, 5₂, …, 5_n второго оптического n-выходного разветвителя 5 подключен к соответствующему входу второго ЛОТ 6. Каждый i-й выход ЛОТ 6 подключен ко второму входу i-го БВР 8_i (i=1,2,…n).

Каждый i-й выход 7_i третьего оптического n-выходного разветвителя 7 подключен к третьему входу i-го БВР 8_i (i=1,2,…n).

Выходы БВР 8₁, 8₂, …, 8_n являются выходами устройства.

Функциональная схема БВР 8_i показана на фиг.2.

БВР 8_i содержит:

- 9 - первый оптический Y - объединитель;

- 10₁, 10₂ - первую пару оптически связанных волноводов (ОСВ) с порогом переключения оптического потока 1 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];

- 11 - фотоприемник (ФП);

- 12₁, 12₂ - вторую пару ОСВ с порогом переключения оптического потока 1 усл. ед.;

- 13 - пьезоэлемент (ПЭ), в который интегрирована вторая пара ОСВ 12₁, 12₂ таким образом, что при отсутствии на управляющем входе ПЭ управляющего сигнала, изменяющего расстояние между ОСВ, оптическая связь в паре ОСВ отсутствует, появляясь только при наличии управляющего сигнала выше порогового уровня срабатывания ПЭ.;

- 14 - второй оптический Y-объединитель.

Первым входом БВР 8_i является первый вход первого оптического Y-объединителя 9. Вторым входом БВР 8_i является второй вход первого оптического Y-объединителя 9. Третьим входом БВР 8_i является вход первого оптического волновода 12₁ второй пары ОСВ 12₁, 12₂, интегрированной в ПЭ 13.

Выход первого оптического Y-объединителя 9 подключен ко входу первого оптического волновода 10₁ первой пары ОСВ 10₁, 10₂. Выход первого оптического волновода 10₁ первой пары ОСВ 10₁, 10₂ подключен к первому входу второго оптического Y-объединителя 14. Выход второго оптического волновода 10₂ первой пары ОСВ 10₁, 10₂ подключен ко входу ФП 11.

Выход ФП 11 подключен к управляющему входу ПЭ 13.

Выход первого оптического волновода 12₁ второй пары ОСВ 12₁, 12₂ является поглощающим. Выход второго оптического волновода 12₂ второй пары ОСВ 12₁, 12₂ подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя 14.

Выход второго оптического Y-объединителя 14 является выходом блока БВР 8_i.

Работа оптического граничного дизъюнктора нечетких множеств происходит следующим образом. С выхода ИИ 1 оптический поток с интенсивностью 3×n усл. ед. поступает на вход оптического трехвыходного разветвителя 2, с первого выхода которого оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на вход первого оптического n-выходного разветвителя 3.

Со второго выхода оптического трехвыходного разветвителя 2 оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на вход второго оптического n-выходного разветвителя 5. С третьего выхода оптического трехвыходного разветвителя 2 оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на вход третьего оптического n-выходного разветвителя 7.

На всех выходах 3₁, 3₂, …, 3_n первого оптического n-выходного разветвителя 3 формируются оптические потоки с интенсивностью 1 усл. ед. Эти n потоков с интенсивностью 1 усл. ед. каждый поступают на соответствующие входы ЛОТ 4, формируя на каждом его i-ом выходе оптический поток с интенсивностью µ_A(x_i) усл. ед., т.е. равной значению функции принадлежности µ_A(x) при конкретном i-м значении аргумента x_i (i=1,2,…n). Далее эти оптические потоки поступают на первые входы соответствующих БВР 8₁, 8₂, …, 8_n.

Одновременно на всех выходах 5₁, 5₂, …, 5_n второго оптического n-выходного разветвителя 5 формируются оптические потоки с интенсивностью 1 усл. ед. Эти n потоков с интенсивностью 1 усл. ед. каждый поступают на соответствующие входы ЛОТ 6, формируя на каждом его i-ом выходе оптический поток с интенсивностью µ_B(x_i) усл. ед., т.е. равной значению функции принадлежности µ_B(x) при конкретном i-м значении аргумента x_i (i=1,2,…n). Далее эти оптические потоки поступают на вторые входы соответствующих БВР 8₁, 8₂, …, 8_n.

Вместе с этим, на всех выходах 7₁, 7₂, …, 7_n третьего оптического n-выходного разветвителя 7 формируются оптические потоки с интенсивностью 1 усл. ед. Эти n потоков с интенсивностью 1 усл. ед. каждый поступают на третьи входы соответствующих БВР 8₁, 8₂, …, 8_n.

Работа i-го БВР 8_i происходит следующим образом.

На первый вход i-го БВР 8_i, а следовательно, на первый вход первого оптического Y-объединителя 9, поступает оптический поток с интенсивностью µ_A(x_i) усл. ед. Одновременно на второй вход i-го БВР 8_i, а следовательно, на второй вход первого оптического Y-объединителя 9, поступает оптический поток с интенсивностью µ_В(x_i) усл. ед. Следовательно, на выходе первого оптического Y-объединителя 9 формируется оптический поток с интенсивностью (µ_A(x_i)+µ_B(x_i)) усл. ед.

Также на третий вход i-го БВР 8_i, а следовательно, на вход первого оптического волновода 12₁ второй пары ОСВ 12₁, 12₂, поступает оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед.

Пусть (µ_A(x_i)+µ_B(x_i))<1. Тогда на выходе первого оптического Y-объединителя 9 формируется оптический поток с интенсивностью менее 1 усл. ед. Этот оптический поток поступает на вход первого оптического волновода 10₁ первой пары ОСВ 10₁, 10₂. Далее, не переключаясь во второй волновод 10₂ первой пары ОСВ 10₁, 10₂, этот оптический поток с интенсивностью менее 1 усл. ед. с выхода первого оптического волновода 10₁ первой пары ОСВ 10₁, 10₂ поступает на первый вход второго оптического Y-объединителя 14. При этом оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед., поступивший на первого оптического волновода 12₁ второй пары ОСВ 12₁, 12₂, поглощается. Переключения этого оптического потока во второй оптический волновод 12₂ не происходит, потому что на вход ФП 11 оптический поток не поступает, а следовательно, на управляющем входе ПЭ 13, в который интегрирована вторая пара ОСВ 12₁, 12₂, отсутствует электрический сигнал и оптическая связь во второй паре ОСВ 12₁, 12₂ отсутствует.

Таким образом, на первом входе второго оптического Y-объединителя 14 присутствует оптический поток с интенсивностью (µ_A(x_i)+µ_B(x_i)) усл. ед., а на втором входе оптический поток отсутствует. С выхода второго оптического Y-объединителя 14 снимается оптический поток с интенсивностью (µ_A(x_i)+µ_B(x_i)) усл. ед., который далее поступает на выход i-го БВР 8_i.

Следовательно, при (µ_A(x_i)+µ_B(x_i))<1 на выходе i-го БВР 8_i будет присутствовать оптический поток с интенсивностью (µ_A(x_i)+µ_B(x_i)) усл. ед.

Пусть (µ_A(x_i)+µ_B(x_i))≥1. Тогда на выходе первого оптического Y-объединителя 9 формируется оптический поток с интенсивностью более 1 усл. ед. Этот оптический поток поступает на вход первого оптического волновода 10₁ первой пары ОСВ 10₁, 10₂ и переключается во второй волновод 10₂, с выхода которого он поступает на вход ФП 11. ФП 11 формирует на своем выходе электрический сигнал, подаваемый на управляющий вход ПЭ 13, который сближает оптические волноводы второй пары ОСВ 12₁, 12₂ на расстояние, при котором между ними возникает оптическая связь. Тогда оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед., поступивший на вход первого оптического волновода 12₁ второй пары ОСВ 12₁, 12₂, переключается во второй оптический волновод 12₂ и поступает на второй вход второго оптического Y-объединителя 14.

Таким образом, на первом входе второго оптического Y-объединителя 14 оптический поток отсутствует, а на втором входе присутствует оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. С выхода второго оптического Y-объединителя 14 снимается оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед., который далее поступает на выход i-го БВР 8_i.

Следовательно, при (µ_A(x_i)+µ_B(x_i))≥1 на выходе i-го БВР 8_i будет присутствовать оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед.

Из вышеизложенного следует, что на выходе i-го БВР 8_i формируются следующие оптические потоки (i=1,2,…n):

- поток с интенсивностью 1 усл. ед. при (µ_A(x_i)+µ_B(xi))≥1;

- поток с интенсивностью (µ_A(x_i)+µ_B(x_i)) усл. ед. при (µ_A(x_i)+µ_B(x_i))<1.

Таким образом, на выходе каждого i-го БВ 8_i формируется оптический поток, амплитуда которого пропорциональна значению функции принадлежности µ_D(x_i) для конкретного значения x_i(i=1,2,…n).

Следовательно, на выходах всех БВР 8₁, 8₂, …8_n - на выходе устройства, формируется плоский оптический поток с распределением интенсивности по оси Ox, пропорциональным функции принадлежности µ_D(x), соответствующей результату операции граничной дизъюнкции двух нечетких множеств (1).

Быстродействие оптического граничного дизъюнктора нечетких множеств определяется динамическими характеристиками фотоприемников и пар оптически связанных волноводов. Фотоприемники, выполняемые в традиционном варианте на основе фотодиодов, имеют частоту среза 10⁹ Гц, а быстродействие пар оптически связанных волноводов составляет порядка 10^-12 с. Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает 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 устройства, выполняющего операцию граничной дизъюнкции (объединения) двух нечетких множеств при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности устройства. Устройство содержит источник излучения, два линейных оптических транспаранта, три оптических n-выходных разветвителей, оптический трехвыходной разветвитель, группу из n блоков вычисления результата, каждый из которых содержит два оптических Y-объединителя, две пары оптически связанных волноводов, фотоприемник, пьезоэлемент, в который интегрирована вторая пара оптически связанных волноводов. 2 ил.

Оптический граничный дизъюнктор нечетких множеств, содержащий источник излучения, первый линейный оптический транспарант, первый оптический n-выходной разветвитель, пару оптически связанных волноводов, отличающийся тем, что в него введены оптический трехвыходной разветвитель, два оптических n-выходных разветвителя, второй линейный оптический транспарант, группа n блоков вычисления результата, каждый из которых содержит два оптических Y-объединителя, две пары оптически связанных волноводов, фотоприемник, пьезоэлемент, в который интегрирована вторая пара оптически связанных волноводов, причем первым входом блока вычисления результата является первый вход первого оптического Y-объединителя, вторым входом блока вычисления результата является второй вход первого оптического Y-объединителя, третьим входом блока вычисления результата является вход первого оптического волновода второй пары оптически связанных волноводов, интегрированной в пьезоэлемент, выход первого оптического Y-объединителя подключен ко входу первого оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов, выход первого оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов подключен к первому входу второго оптического Y-объединителя, выход второго оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов подключен ко входу фотоприемника, выход которого подключен к управляющему входу пьезоэлемента, в который интегрирована вторая пара оптически связанных волноводов, выход первого оптического волновода второй пары оптически связанных волноводов является поглощающим, выход второго оптического волновода второй пары оптически связанных волноводов подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя, выход которого является выходом блока вычисления результата, выход источника излучения подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя, второй выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя, третий выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу третьего оптического n-выходного разветвителя, каждый выход первого оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу первого линейного оптического транспаранта, каждый выход которого подключен к первому входу соответствующего блока вычисления результата, каждый выход второго оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу второго линейного оптического транспаранта, каждый выход которого подключен ко второму входу соответствующего блока вычисления результата, каждый выход третьего оптического n-выходного разветвителя подключен к третьему входу соответствующего блока вычисления результата, а выходы всех блоков вычисления результата являются выходами устройства.