Оптический аналого-цифровой преобразователь Российский патент 2021 года по МПК G02F7/00 

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники.

Известны различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), обеспечивающие преобразование аналогового сигнала в двоичный код, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983]. Недостатками данных АЦП являются низкое быстродействие, уменьшающееся с ростом разрядности АЦП, и большая сложность.

Также известны АЦП на основе волноводных модуляторов типа Маха-Цендера [Семенов А.С. и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - /М.: Радио и связь, 1990. - 176 с., рис. 7, 6], содержащие оптический бистабильный элемент и обеспечивающие преобразование электрического входного сигнала в код Грея. Недостатками данных АЦП являются: невозможность преобразования входного аналогового сигнала в позиционный двоичный код, низкое общее быстродействие АЦП, обусловленное необходимостью использования в оконечном каскаде электронных элементов (фотодетектора, усилителя, компаратора) с суммарным временем срабатывания ≥ 10^-6 с.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналогово-цифровой преобразователь [патент РФ N 2177165, 2001г.], содержащий оптический бистабильный элемент, оптический генератор тактовых импульсов, оптический объединитель, два оптических волновода, группу оптических Y-разветвителей, оптический двоичный счетчик, оптический усилитель, оптический цифро-аналоговый преобразователь, оптический компаратор, оптический Y-разветвитель обратной связи и оптический элемент задержки. Время преобразования в данном АЦП прямо пропорционально его выходному коду и периоду следования импульсов. Т.к. данный АЦП функционирует в циклическом режиме работы (по окончании временного интервала преобразования счетчик устанавливается в начальное состояние и поэтому преобразование всегда начинается с нуля), то его недостатком является низкое быстродействие.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения быстродействия преобразования в позиционный двоичный код электрических аналоговых сигналов.

Поставленная задача возникает при создании быстродействующих устройств обработки информации в системах управления и связи, обеспечивающих обработку информации в гигагерцовом диапазоне.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены источник когерентного излучения, N последовательно соединенных входных оптических Y-разветвителей, оптический фазовый модулятор, электрооптический амплитудный модулятор, N разрядов ОАЦП, каждый из которых, кроме нулевого, включает входной оптический Y-объединитель, оптический бистабильный элемент (ОБЭ) первой группы, оптический усилитель, выходной оптический Y-разветвитель, выходной оптический Y-объединитель, ОБЭ второй группы, прямой выход которого является поглощающим, при этом входом каждого разряда, кроме нулевого, является вход ОБЭ первой группы, а выходом – первый выход выходного оптического Y-разветвителя, выход источника когерентного излучения подключен ко входу N-го входного оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора, управляющий вход которого является входом устройства, а второй выход N-го входного оптического Y-разветвителя подключен ко входу оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу последовательного соединения (N-1) входных оптических Y-разветвителей, при этом первый выход (i-1)-го (i=2...N) входного оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу выходного оптического Y-объединителя i-го разряда ОАЦП, второй - ко входу (i-2)-го входного оптического Y-разветвителя, а второй выход первого входного оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу выходного оптического Y-объединителя 1-го разряда ОАЦП, выход электрооптического амплитудного модулятора подключен ко входу N-го разряда ОАЦП, при этом в каждом i-м разряде ОАЦП инверсный выход ОБЭ первой группы подключен к первому входу входного оптического Y-объединителя, а прямой выход - ко входу оптического усилителя, выход которого подключен ко входу выходного оптического Y-разветвителя, первый выход которого является выходом данного i-го разряда ОАЦП, а второй подключен к первому входу выходного оптического Y-объединителя, выход которого подключен ко входу ОБЭ второй группы, инверсный выход которого подключен ко второму входу входного оптического Y-объединителя, выход которого подключен ко входу следующего меньшего - (i-1)-го, разряда ОАЦП, при этом выход входного оптического Y-объединителя первого разряда ОАЦП является выходом 0-го разряда ОАЦП, а выходы всех N разрядов ОАЦП являются выходами устройства.

Функциональная схема оптического АЦП (ОАЦП) показана на фиг.1.

(N+1)-разрядный ОАЦП содержит источник когерентного излучения 1, N последовательно соединенных входных оптических Y-разветвителей 2_i, оптический фазовый модулятор 3, обеспечивающий пространственный сдвиг фазы оптического сигнала на , электрооптический амплитудный модулятор 4, N входных оптических Y-объединителей 5_i, N оптических бистабильных элементов (ОБЭ) 6_i первой группы, N оптических усилителей (ОУ) 7_i, N выходных оптических Y-разветвителей 8_i, N выходных оптических Y-объединителей 9_i, N ОБЭ 10_i второй группы (i=1...N).

Оптические бистабильные элементы (ОБЭ) (например, трансфазоры) осуществляют передачу оптического сигнала со входа на первый – прямой, выход, если амплитуда входного оптического сигнала больше или равна заданному пороговому значению. В противном случае передача оптического сигнала осуществляется на второй – инверсный, выход.

Порог ОБЭ 6_i, 10_i равен 2ⁱ усл(овных).ед(иниц). (i=1...N), при этом прямые выходы ОБЭ второй группы 10_i являются поглощающими.

I-е входные оптические Y-объединители 5_i, ОБЭ 6_i первой группы, ОУ 7_i, выходные оптические Y-разветвители 8_i, выходные оптические Y-объединители 9_i, ОБЭ 10_i второй группы условно объединены в i -й разряд ОАЦП (i=1...N), входом которого является вход ОБЭ 6_i первой группы, а выходом – первый выход выходного оптического Y-разветвителя 8_i.

Входом устройства А является управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора 4.

Выход источника когерентного излучения 1 подключен ко входу N-го входного оптического Y-разветвителя 2_N, первый выход которого подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора 4, а второй – ко входу оптического фазового модулятора 3. Выход оптического фазового модулятора 3 подключен ко входу последовательного соединения входных оптических Y-разветвителей 2_i (i=1...N-1), при этом первый выход (i-1)-го входного оптического Y-разветвителя 2_i-1 подключен ко второму входу выходного оптического Y-объединителя i-го разряда ОАЦП 9_i, второй - ко входу (i-2)-го входного оптического Y-разветвителя 2_i-2, а второй выход входного оптического Y-разветвителя 2₁ подключен ко второму входу выходного оптического Y-объединителя 1-го разряда ОАЦП 9₁. Выход электрооптического амплитудного модулятора 4 подключен ко входу N-го разряда ОАЦП – входу ОБЭ 6_N первой группы. В i-м разряде ОАЦП инверсный выход ОБЭ 6_i первой группы подключен к первому входу входного оптического Y-объединителя 5_i, а прямой выход - ко входу ОУ 7_i, выход которого подключен ко входу выходного оптического Y-разветвителя 8_i (i=1...N). Первый выход выходного оптического Y-разветвителя 8_i является выходом i-го разряда ОАЦП, а второй подключен к первому входу выходного оптического Y-объединителя 9_i, выход которого подключен ко входу ОБЭ 10_i второй группы. Прямой выход ОБЭ второй группы 10_i является поглощающим, а инверсный подключен ко второму входу входного оптического Y-объединителя 5_i, выход которого подключен ко входу (i-1)-го разряда ОАЦП. Выход входного оптического Y-объединителя 5₁ является выходом 0-го разряда ОАЦП.

Выходы всех N разрядов ОАЦП являются выходами устройства.

Устройство работает следующим образом.

Оптический сигнал с амплитудой 2^N+2 усл.ед. с выхода источника когерентного излучения 1 поступает на вход входного оптического Y-разветвителя 2_N , с первого выхода которого поступает на информационный вход электрооптического амплитудного модулятора 4, а со второго – на вход оптического фазового модулятора 3, где происходит пространственный сдвиг его фазы на . При разветвлении в оптическом Y-разветвителе 2_N амплитуда оптического сигнала уменьшается в 2 раза: оптический сигнал с амплитудой 2^N+1 усл.ед. поступает на информационный вход электрооптического амплитудного модулятора 4, а оптический сигнал с амплитудой 2^N+1 усл.ед. и фазой, сдвинутой на , через оптический фазовый модулятор 3 поступает на вход входного оптического Y-разветвителя 2_N-1. На управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора 4 со входа устройства поступает входной электрический сигнал, а с его выхода снимается оптический сигнал с амплитудой А, подлежащей цифровому преобразованию. Данный оптический сигнал поступает на вход N-го разряда ОАЦП - на вход ОБЭ 6_N, порог срабатывания которого равен 2^N. Если А2^N, то оптический сигнал проходит на прямой выход ОБЭ 6_N и поступает на вход ОУ 7_N, где происходит его усиление в 2 раза. Если А2^N, то оптический сигнал проходит на инверсный выход ОБЭ 6_N и поступает на первый вход входного оптического Y-объединителя 5_N и далее – на вход (N-1)-го разряда ОАЦП (на вход ОБЭ 6_N-1). С выхода ОУ 7_N оптический сигнал с амплитудой 2А усл.ед. поступает на вход выходного оптического Y-разветвителя 8_N, с первого выхода которого проходит на выход N–го разряда устройства, формируя "1" в N–м разряде. Со второго выхода выходного оптического Y-разветвителя 8_N оптический сигнал с амплитудой А усл.ед. поступает на первый вход выходного оптического Y-объединителя 9_N, на второй вход которого проходит оптический сигнал с амплитудой 2^N усл.ед. с первого выхода входного оптического Y-разветвителя 2_N-1. Т.к. при сложении двух когерентных противофазных оптических сигналов происходит вычитание их амплитуд, то на выходе выходного оптического Y-объединителя 9_N амплитуда сигнала будет равна: А-2^N. Т.к. порог срабатывания ОБЭ 10_N равен 2^N, то оптический сигнал с амплитудой (А-2^N) проходит на инверсный выход ОБЭ 10_N и поступает на второй вход входного оптического Y-объединителя 5_N и далее – на вход (N-1)-го разряда ОАЦП (на вход ОБЭ 6_N-1). (При отсутствии оптического сигнала на выходе ОБЭ 6_N, т.е. когда А2^N и на выходе N–го разряда устройства формируется "0", оптический сигнал с амплитудой 2^N усл.ед. с первого выхода входного оптического Y-разветвителя 2_N-1 проходит на прямой выход ОБЭ 10_N и поглощается - т.е. блокируется ОБЭ 10_N и не проходит на вход (N-1)-го разряда ОАЦП (на вход ОБЭ 6_N-1)). Т.о. на входе (N-1)-го разряда ОАЦП - на входе ОБЭ 6_N-1, присутствует или оптический сигнал с амплитудой А с инверсного выхода ОБЭ 6_N (когда А2^N), или оптический сигнал с амплитудой (А-2^N) с инверсного выхода ОБЭ 10_N (когда А2^N). Дальнейшая работа всех функциональных элементов (N-1)-го и остальных разрядов ОАЦП аналогична описанной выше работе функциональных элементов N-го разряда, при этом на второй вход выходного оптического Y-объединителя 9_i с первого выхода входного оптического Y-разветвителя 2_i-1 проходит оптический сигнал с амплитудой 2ⁱ усл.ед., полученный в результате последовательного разветвления в оптических Y-разветвителях 2_N-1, 2_N-2, 2_i-1. Прохождение сигнала отличается только в 0-м разряде ОАЦП - оптические сигналы с инверсных выходов ОБЭ 6₁ и 10₁ поступают на входы оптического Y-объединителя 5₁ и далее – на выход 0-го разряда ОАЦП, что обеспечивает формирование "1" в данном разряде при амплитуде оптического сигнала на входе ОБЭ 6₁ , равной 3 усл.ед. или 1 усл.ед.

Таким образом, при подаче на вход устройства электрических аналоговых сигналов на выходе устройства формируются соответствующие позиционные двоичные коды. Быстродействие данного ОАЦП определяется в основном временем срабатывания электрооптического амплитудного модулятора (5-10 нс), что позволяет производить преобразование сигналов в гигагерцовом диапазоне.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники. Оптический аналого-цифровой преобразователь содержит источник когерентного излучения, N последовательно соединенных входных оптических Y-разветвителей, оптический фазовый модулятор, обеспечивающий пространственный сдвиг фазы оптического сигнала на , электрооптический амплитудный модулятор, N входных оптических Y-объединителей, N оптических бистабильных элементов (ОБЭ) первой группы, N оптических усилителей, N выходных оптических Y-разветвителей, N выходных оптических Y-объединителей, N ОБЭ второй группы. Изобретение обеспечивает повышение быстродействия преобразования в позиционный двоичный код электрических аналоговых сигналов. 1 ил.

Оптический аналого-цифровой преобразователь (ОАЦП), включающий источник когерентного излучения, N последовательно соединенных входных оптических Y-разветвителей, оптический фазовый модулятор, электрооптический амплитудный модулятор, N разрядов ОАЦП, каждый из которых, кроме нулевого, включает входной оптический Y-объединитель, оптический бистабильный элемент (ОБЭ) первой группы, оптический усилитель, выходной оптический Y-разветвитель, выходной оптический Y-объединитель, ОБЭ второй группы, прямой выход которого является поглощающим, при этом входом каждого разряда, кроме нулевого, является вход ОБЭ первой группы, а выходом – первый выход выходного оптического Y-разветвителя, выход источника когерентного излучения подключен к входу N-го входного оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора, управляющий вход которого является входом устройства, а второй выход N-го входного оптического Y-разветвителя подключен к входу оптического фазового модулятора, выход которого подключен к входу последовательного соединения (N-1) входных оптических Y-разветвителей, при этом первый выход (i-1)-го (i=2...N) входного оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу выходного оптического Y-объединителя i-го разряда ОАЦП, второй - к входу (i-2)-го входного оптического Y-разветвителя, а второй выход первого входного оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу выходного оптического Y-объединителя 1-го разряда ОАЦП, выход электрооптического амплитудного модулятора подключен к входу N-го разряда ОАЦП, при этом в каждом i-м разряде ОАЦП инверсный выход ОБЭ первой группы подключен к первому входу входного оптического Y-объединителя, а прямой выход - к входу оптического усилителя, выход которого подключен к входу выходного оптического Y-разветвителя, первый выход которого является выходом данного i-го разряда ОАЦП, а второй подключен к первому входу выходного оптического Y-объединителя, выход которого подключен к входу ОБЭ второй группы, инверсный выход которого подключен ко второму входу входного оптического Y-объединителя, выход которого подключен к входу следующего меньшего, (i-1)-го, разряда ОАЦП, при этом выход входного оптического Y-объединителя первого разряда ОАЦП является выходом 0-го разряда ОАЦП, а выходы всех N разрядов ОАЦП являются выходами устройства.