Оптоэлектронный вычислитель остатка деления Российский патент 2021 года по МПК G06E3/00 G02F1/01 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при выполнении вычислений в системе остаточных классов.

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].

Существенными признаками аналога, общими с заявляемым устройством, являются оптический Y-разветвитель, оптический усилитель.

Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения вычислений в системе остаточных классов.

Известно оптическое вычислительное устройство - Оптический дизъюнктор непрерывных множеств [пат. RU 2419127 С2 2009, Оптический дизъюнктор непрерывных множеств / В.М. Курейчик, СМ. Ковалев, СВ. Соколов, В.В. Курейчик, М.А. Аллес], принятый за прототип и содержащий источник некогерентного излучения, оптический Y-разветвитель, два оптических k×n выходных разветвите лей, два матричных оптических транспаранта, k групп по n оптических Y-объединителей, k групп по n блоков нормирования интенсивностей, k оптических n-входных объединителей.

Существенным признаком прототипа, общим с заявляемым устройством, является оптический Y-объединитель.

Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность выполнения вычислений в системе остаточных классов.

Заявленное устройство направлено на решение задачи выполнения вычислений в системе остаточных классов с высоким быстродействием.

Сущность изобретения состоит в том, что в него введены источник когерентного излучения, оптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор (ОФМ), второй оптический Y-объединитель, фотоприемник, пара оптически связанных волноводов (ОСВ) и пьезоэлемент, в который интегрирована пара ОСВ таким образом, что оптическая связь в ОСВ появляется только в момент сжатия пьезокристалла, имеющего место при наличии амплитуды входного сигнала пьезоэлемента выше заданного порогового уровня, вход устройства соединен с управляющим входом оптического амплитудного модулятора (ОАМ) и входом источника когерентного излучения, выход которого подключен ко входу первого оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу ОФМ, а второй выход подключен к информационному входу ОАМ, выход которого подключен к первому входу первого оптического Y-объединителя, выход которого подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя, первый вход которого оптически связан с выходом ОФМ, а выход подключен ко входу оптического усилителя, выход которого подключен ко входу второго оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу фотоприемника, выход которого подключен ко входу пьезоэлемента, а второй выход подключен ко входу первого оптического волновода пары ОСВ, при этом выход второго оптического волновода пары ОСВ подключен ко второму входу первого оптического Y-объединителя, а выход первого оптического волновода пары ОСВ является выходом устройства.

Оптоэлектронный вычислитель предназначен для выполнения в режиме реального времени вычисления остатка r от деления числа А на число В:

А=k⋅В+r,

где А, В, k и r целые числа, 0≤r<|В|, т.е. выполнения операции

Функциональная схема оптоэлектронного вычислителя представлена на фиг. 1.

Оптоэлектронный вычислитель содержит:

1 - источник когерентного излучения (ИКИ);

2 - первый оптический Y-разветвитель;

3 - оптический фазовый модулятор (ОФМ);

4 - оптический амплитудный модулятор (ОАМ);

5 - первый оптический Y-объединитель;

6 - второй оптический Y-объединитель;

7 - оптический усилитель (ОУ);

8 - второй оптический Y-разветвитель;

9 - фотоприемник (ФП);

10₁, 10₂ - пару оптически связанных волноводов (ОСВ);

11 - пьезоэлемент (ПЭ), в который интегрирована пара ОСВ 10₁ и 10₂ таким образом, что оптическая связь в ОСВ появляется только в момент сжатия пьезокристалла, имеющего место при наличии амплитуды входного сигнала пьезоэлемента выше заданного порогового уровня.

Вход оптоэлектронного вычислителя соединен со входом ИКИ 1 и управляющим входом ОАМ 4.

Выход ИКИ 1 подключен ко входу первого оптического Y-разветвителя 2, первый выход которого подключен ко входу ОФМ 3, обеспечивающему сдвиг фазы оптического сигнала на тс, а второй выход подключен к информационному входу ОАМ 4, выход которого подключен к первому входу первого оптического Y-объединителя 5, выход которого подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя 6. Первый вход второго оптического Y-объединителя 6 оптически связан с выходом ОФМ 3, а выход подключен ко входу ОУ 7 с коэффициентом усиления 2. Выход ОУ 7 подключен ко входу второго оптического Y-разветвителя 8, первый выход которого подключен ко входу ФП 9, выход которого подключен ко входу ПЭ 11. Второй выход второго оптического Y-разветвителя 8 подключен ко входу первого оптического волновода 10₁ пары ОСВ 10₁, 10₂. Выход первого оптического волновода 10₁ пары ОСВ 10₁, 10₂ является выходом устройства, выход второго оптического волновода 10₂ подключен ко второму входу первого оптического Y-объединителя 5.

Работа оптоэлектронного вычислителя происходит следующим образом.

На вход устройства поступает электрический импульс длительности Δt с амплитудой, пропорциональной А/В, который далее поступает на вход ИКИ 1 и управляющий вход ОАМ 4. При поступлении импульса на вход ИКИ 1 на его выходе формируется оптический когерентный поток с амплитудой 2В усл. ед., который, проходя через первый оптический Y-разветвитель 2, разветвляется на два потока с амплитудой В усл. ед. С первого выхода первого оптического Y-разветвителя 2 оптический поток с амплитудой В усл. ед., пройдя через ОФМ 3, обеспечивающий сдвиг фазы сигнала на π, поступает на первый вход второго оптического Y-объединителя 6, формируя на нем оптический сигнал с амплитудой В и сдвинутой на π фазой относительно сигнала на его втором входе. Со второго входа первого оптического Y-разветвителя 2 оптический поток с амплитудой В усл. ед., пройдя через ОАМ 4, где происходит его модуляция сигналом А/В, поступает на первый вход первого оптического Y-объединителя 5, формируя на нем оптический сигнал с амплитудой А. В начальный момент времени на втором входе первого оптического Y-объединителя 5 оптический сигнал отсутствует и оптический сигнал с амплитудой А поступает на второй вход второго оптического Y-объединителя 6, с выхода которого, интерферируя с сигналом с амплитудой В (со сдвинутой на π фазой), поступает на вход ОУ 7 с амплитудой (А-В). С выхода ОУ 7 оптический сигнал с амплитудой 2(А-В) поступает на вход второго оптического Y-разветвителя 8, на выходах которого формируются оптические сигналы с амплитудой (А-В).

С первого выхода оптического Y-разветвителя 8 оптический сигнал поступает на вход ФП 9, на выходе которого формируется управляющий электрический сигнал (А-В), поступающий на вход ПЭ 11. При величине данного сигнала большей или равной В происходит сжатие пьезокристалла - расстояние между ОСВ 10₁ и 10₂ становится достаточным для переключения оптического потока из оптического волновода 10₁ в оптический волновод 10₂.

Таким образом, через время Δt при А-В>В со второго оптического волновода 10₂ сигнал с амплитудой (А-В) поступает на второй вход первого оптического Y-объединителя 5, на первом входе которого сигнал отсутствует ввиду прекращения импульса на управляющем входе ОАМ 4. С выхода первого оптического Y-объединителя 5 сигнал с амплитудой (А-В) поступает на второй вход второго оптического Y-объединителя 6, с выхода которого, суммируясь с сигналом с амплитудой В и сдвинутой на л фазой, поступает на вход ОУ 7 с амплитудой (А-2 В). Таким образом, на выходе второго оптического Y-объединителя 6 в каждый k-й момент времени формируется оптический сигнал с амплитудой (А-k⋅В), который, пройдя через ОУ 7, с выходов второго оптического Y-разветвителя 8 поступает через ФП 9 на вход ПЭ 11 в виде электрического сигнала и на первый оптический волновод 10₁ пары ОСВ 10₁, 10₂.

При величине амплитуды входного сигнала ПЭ 11 большей, либо равной В (|А-k⋅В|≥В), входной сигнал из первого оптического волновода 10₁ проходит во второй оптический волновод 10₂ пары ОСВ 10₁, 10₂.

При величине амплитуды входного сигнала ПЭ 11 меньшей В (|А-k⋅В|<В), входной сигнал первого оптического волновода 10₁ проходит на выход устройства. На выходе устройства формируется сигнал с амплитудой |А-k⋅В|=r, что соответствует выполнению операции (1). В общем случае после искомого сигнала на выходе устройства будет сформирован еще сигнал переходного процесса, обусловленный тем, что после формирования оптического сигнала с амплитудой |А-k⋅В|<В на следующем шаге работы устройства на входе ПЭ 9 будет сформирован оптический сигнал с амплитудой |A-(k+1)⋅В|, также меньшей В, который тоже проходит на выход первого оптического волновода 10₁ пары ОСВ 10₁, 10₂ (но при анализе результата не учитывается. В дальнейшем сигнал на выходе первого оптического волновода 10₁ - т.е. выходе устройства, будет нулевым).

Таким образом, на выходе устройства формируется сигнал с амплитудой, пропорциональной величине входного сигнала устройства в системе остаточных классов, определяемой выражением (1).

Быстродействие оптоэлектронного вычислителя определяется, в основном, динамическими характеристиками оптического амплитудного модулятора и фотоприемника (время срабатывания которых 10^-6 - 10^-9 с), что позволяет обеспечить функционирование предложенного устройства практически в реальном масштабе времени.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при выполнении вычислений в системе остаточных классов. Техническим результатом является создание устройства, выполняющего в режиме реального времени вычисление остатка деления в системе остаточных классов. Оптоэлектронный вычислитель содержит источник когерентного излучения, оптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор, два оптических Y-объединителя, два оптических Y-разветвителя, оптический усилитель, фотоприемник, пару оптически связанных волноводов (ОСВ) и пьезоэлемент, в который интегрирована пара ОСВ таким образом, что оптическая связь в ОСВ появляется только в момент сжатия пьезокристалла, имеющего место при наличии амплитуды входного сигнала пьезоэлемента выше заданного порогового уровня. 1 ил.

Оптоэлектронный вычислитель остатка деления, содержащий оптический Y-объединитель, отличающийся тем, что в него введены источник когерентного излучения, оптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор (ОФМ), второй оптический Y-объединитель, фотоприемник, пара оптически связанных волноводов (ОСВ) и пьезоэлемент, в который интегрирована пара ОСВ таким образом, что оптическая связь в ОСВ появляется только в момент сжатия пьезокристалла, имеющего место при наличии амплитуды входного сигнала пьезоэлемента выше заданного порогового уровня, вход устройства соединен с управляющим входом оптического амплитудного модулятора (ОАМ) и входом источника когерентного излучения, выход которого подключен к входу первого оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен к входу ОФМ, а второй выход подключен к информационному входу ОАМ, выход которого подключен к первому входу первого оптического Y-объединителя, выход которого подключен ко второму входу второго оптического Y- объединителя, первый вход которого оптически связан с выходом ОФМ, а выход подключен к входу оптического усилителя, выход которого подключен к входу второго оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен к входу фотоприемника, выход которого подключен к входу пьезоэлемента, а второй выход подключен к входу первого оптического волновода пары ОСВ, при этом выход второго оптического волновода пары ОСВ подключен ко второму входу первого оптического Y- объединителя, а выход первого оптического волновода пары ОСВ является выходом устройства.