ОПТИЧЕСКИЙ КОМПАРАТОР КОДОВ Российский патент 2021 года по МПК G02F3/00 

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемопередающих устройств.

Известны компараторы кодов на основе электронных устройств [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника 12-е изд. Том I: Пер. С нем. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 832 с.: ил. с. 732]. Недостатками данных компараторов является их низкое быстродействие, обусловленное использованием электронных схем управления переключением, и сложность конструкции.

Известен оптический компаратор [Патент оптический компаратор RU 2311671 С1 Соколов С.В., Каменский В.В.] недостатком данного оптического компаратора является невозможность осуществлять сравнение кодов.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический умножитель, содержащий группу оптических ответвлений [Патент №2022328, Россия, 1994. Оптический умножитель / Соколов С.В.].

Недостатком данного устройства является сложность конструкции и невозможность осуществлять сравнение кодов.

Заявленное устройство направлено на решение задачи сравнения кодов как когерентных, так и некогерентных, оптических кодовых сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, и задачи упрощения устройства.

Поставленная задача возникает при разработке и создании оптических вычислительных машин или приемо-передающих устройств, обеспечивающих обработку информации в гигагерцовом диапазоне. Технический результат достигается тем, что в устройство введены первая группа N N-выходных оптических разветвителей, вторая группа N N-выходных оптических разветвителей, 2*N*N-входной оптический объединитель, источник напряжения, N*N оптических логических элементов исключающее «ИЛИ», каждый из которых содержит первый и второй резисторы, первый и второй фотодиоды, входы которых представляют собой информационные входы оптического логического элемента исключающее «ИЛИ», и первый и второй светодиоды, катод первого фотодиода подключен к катоду первого светодиода, катод второго фотодиода подключен к катоду второго светодиода, а аноды первого и второго фотодиодов подключены к отрицательному электроду входа питания оптического логического элемента исключающее «ИЛИ», соединенного с выходом источника напряжения, катод первого светодиода подключен к аноду второго светодиода, а катод второго светодиода подключен к аноду первого светодиода, первый резистор соединен с катодом первого фотодиода и подключен к положительному электроду входа питания оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» соединенного с выходом источника напряжения, а второй резистор соединен с катодом второго фотодиода и подключен к положительному электроду входа питания оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» соединенного с выходом источника напряжения, выходы первого и второго светодиодов являются выходами оптического логического элемента исключающее «ИЛИ», входами первого кода являются входы первой группы N-выходных оптических разветвителей, входами второго кода - входы второй группы N-выходных оптических разветвителей, j-й выход i-го N-выходного оптического разветвителя первой группы оптически связан со входом первого фотодиода ij-го оптического логического элемента исключающее «ИЛИ», i-й выход j-го N-выходного оптического разветвителя второй группы оптически связан со входом второго фотодиода ij-го оптического логического элемента исключающее «ИЛИ», входы питания оптических логических элементов исключающее «ИЛИ» соединены с выходом источника напряжения, а выходы оптических логических элементов исключающее «ИЛИ» подключены к соответствующим входам 2*N*N-входного оптического объединителя, выход которого является выходом устройства.

На фиг. 1 представлена функциональная схема оптического компаратора кодов (далее - устройство).

Устройство содержит первую группу N N-выходных оптических разветвителей 1_1i, i=1,2,…,N, вторую группу N N-выходных оптических разветвителей 1_2j, j=1,2,…,N, N*N оптических логических элементов исключающее «ИЛИ» 2_ij, i=1,2,…,N, j=1,2,…,N, 2*N*N - входной оптический объединитель 3, источник напряжения 4.

Входами первого кода "a₁","a₂",…,"a_N" являются входы первой группы N N-выходных оптических разветвителей 1_1i, i=1,2,…,N. Входами второго кода "b₁","b₂",…,"b_N" являются входы второй группы N N-выходных оптических разветвителей 1_2j, j=1,2,…,N.

J-й выход i-го N-выходного оптического разветвителя 1_1i оптически связан со входом первого фотодиода 2_ij11 оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, i=1,2,…,N, j=1,2,…,N.

I-й выход j-го N-выходного оптического разветвителя 1_2i оптически связан со входом второго фотодиода 2_ij12 оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, i=1,2,…,N, j=1,2,…,N.

Входы питания оптических логических элементов исключающее «ИЛИ» 2_ij, i=1,2,…,N, j=1,2,…,N, соединены с выходом источника напряжения 4.

Выходы оптических логических элементов исключающее «ИЛИ» 2_ij, i=1,2,…,N, j=1,2,…,N, подключены к соответствующим входам 2*N*N-входного оптического объединителя 3. Выход 2*N*N-входного оптического объединителя 3 является выходом устройства.

Функциональная схема оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, i=1,2,…,N, j=1,2,…,N, показана на фиг. 2.

Оптический логический элемент исключающее «ИЛИ» 2_ij содержит первый и второй фотодиоды 2_ij11 и 2_ij12, первый и второй светодиоды 2_ij21 и 2_ij22, и первый и второй резисторы 2_ij31 и 2_ij32.

Входы первого и второго фотодиодов 2_ij11 и 2_ij12 представляют собой информационные входы оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij.

Катод первого фотодиода 2_ij11 подключен к катоду первого светодиода 2_ij21, катод второго фотодиода 2_ij12 подключен к катоду второго светодиода 2_ij22, а аноды первого и второго фотодиодов 2_ij11 и 2_ij12 подключены к отрицательному электроду входа питания оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, соединенного с выходом источника напряжения 4 (т.к. фотодиод в режиме фотоприема работает в инверсном режиме). Катод первого светодиода 2_ij21 подключен к аноду второго светодиода 2_ij22, а катод второго светодиода 2_ij22 подключен к аноду первого светодиода 2_ij21.

Первый резистор 2_ij31 соединен с катодом первого фотодиода 2_ij11, и подключен к положительному электроду входа питания оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, соединенного с выходом источника напряжения 4, а второй резистор 2_ij32 соединен с катодом второго фотодиода 2_ij12, и подключен к положительному электроду входа питания оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, соединенного с выходом источника напряжения 4.

Выходы первого и второго светодиодов 2_ij21 и 2_ij22 являются выходами оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, i=1,2,…,N, j=1,2,…,N.

Устройство работает следующим образом.

На входы первого кода "a₁","a₂",…,"a_N" (входы первой группы N-выходных оптических разветвителей 1_1i, i=1,2,…,N) поступает оптический код с интенсивностью информационного единичного сигнала («1»), равной N усл(овных).ед(иниц)., соответствующий первому коду А. На входы второго кода "b₁","b₂",…,"b_M" (входы второй группы N - выходных оптических разветвителей 1_2j, j=1,2,…,N) поступает оптический код с интенсивностью информационного единичного сигнала («1»), равной N усл. ед., соответствующий второму коду В.

Разветвляясь в соответствующих оптических разветвителях, оптические сигналы с интенсивностью «1» усл. ед. (или «0») поступают: с выходов N - выходного оптического разветвителя 1_1i на входы N оптических логических элементов исключающее «ИЛИ» 2_ij, j=1,2,…,N, а с выходов N - выходного оптического разветвителя 1_2j на входы N оптических логических элементов исключающее «ИЛИ» 2_ij, i=1,2,…,N.

Если на входы оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, i=1,2,…,N, j=1,2,…,N, поступят одинаковые оптические сигналы с интенсивностью «0» усл. ед., то первый и второй фотодиоды 2_ij11 и 2_ij12 будут закрыты (напряжение на катодах фотодиодов 2_ij11 и 2_ij12 будет высоким) - напряжение на первом и втором светодиодах 2_ij21 и 2_ij22 будет ниже их порога срабатывания. Оптические сигналы на выходах первого и второго светодиодов 2_ij21 и 2_ij22, а также на выходах оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, будут равны нулю.

Если на входы оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, i=1,2,…,N, j=1,2,…,N, поступят одинаковые оптические сигналы с интенсивностью «1» усл. ед., то первый и второй фотодиоды 2_ij11 и 2_ij12 будут открыты (напряжение на катодах первого и второго фотодиодов 2_ij11 и 2_ij12 будет низким) - напряжение на первом и втором светодиодах 2_ij21 и 2_ij22 будет ниже их порога срабатывания. Оптические сигналы на выходах первого и второго светодиодов 2_ij21 и 2_ij22, а также на выходах оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, будут равны нулю.

Если на входы оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, i=1,2,…,N, j=1,2,…,N, поступят разные оптические сигналы с интенсивностью «1» усл. ед. и «0» усл. ед., (для определенности условимся, что оптический сигнал с интенсивностью «1» усл. ед. поступает на первый фотодиод 2_ij11), то первый фотодиод 2_ij11 будет открыт, а второй фотодиод 2_ij12 будет закрыт (напряжение на катоде первого фотодиода 2_ij11 будет низким, а на втором фотодиоде 2_ij12 высоким) - напряжение на первом светодиоде 2_ij21 будет выше его порога срабатывания.

На выходе светодиода 2_ij21, а, следовательно, на выходе оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» 2_ij, в этом случае формируется оптический сигнал с интенсивностью «1» усл. ед., поступающий далее на соответствующий вход 2*N*N-входного оптического объединителя 3.

Таким образом, при совпадении кодов поданных на входы первого кода "a₁","a₂",…,"a_N" и на входы второго кода "b₁","b₂",…,"b_M" на выходе устройства будет оптический сигнал с интенсивностью «0» усл. ед, а при не совпадении кодов оптический сигнал с интенсивностью «0» усл. ед. на выходе устройства присутствовать не будет.

Время переходного процесса определяется быстродействием оптических логических элементов исключающее «ИЛИ» 2_ij, i=1,2,…,N, j=1,2,…,N, и составляет ≈10^-10 с, что обеспечивает возможность обработки информации в гигагерцовом диапазоне.

Простота данного оптического компаратора кодов и высокое быстродействие делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемо-передающих устройств.

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации. Оптический компаратор кодов содержит первую группу N N-выходных оптических разветвителей, вторую группу N N-выходных оптических разветвителей, 2*N*N-входной оптический объединитель, источник напряжения, N*N оптических логических элементов исключающее «ИЛИ». Входами первого кода являются входы первой группы N-выходных оптических разветвителей, входами второго кода - входы второй группы N-выходных оптических разветвителей. J-й выход i-го N-выходного оптического разветвителя первой группы оптически связан со входом первого фотодиода ij-го оптического логического элемента исключающее «ИЛИ», i-й выход j-го N-выходного оптического разветвителя второй группы оптически связан со входом второго фотодиода ij-го оптического логического элемента исключающее «ИЛИ». Входы питания оптических логических элементов исключающее «ИЛИ» соединены с выходом источника напряжения, а выходы оптических логических элементов исключающее «ИЛИ» подключены к соответствующим входам 2*N*N-входного оптического объединителя, выход которого является выходом устройства. Устройство обеспечивает сравнение кодов как когерентных, так и некогерентных оптических кодовых сигналов с повышенным быстродействием. 2 ил.

Оптический компаратор кодов, отличающийся тем, что в него введены первая группа N N-выходных оптических разветвителей, вторая группа N N-выходных оптических разветвителей, 2*N*N-входной оптический объединитель, источник напряжения, N*N оптических логических элементов исключающее «ИЛИ», каждый из которых содержит первый и второй резисторы, первый и второй фотодиоды, входы которых представляют собой информационные входы оптического логического элемента исключающее «ИЛИ», и первый и второй светодиоды, катод первого фотодиода подключен к катоду первого светодиода, катод второго фотодиода подключен к катоду второго светодиода, а аноды первого и второго фотодиодов подключены к отрицательному электроду входа питания оптического логического элемента исключающее «ИЛИ», соединенного с выходом источника напряжения, катод первого светодиода подключен к аноду второго светодиода, а катод второго светодиода подключен к аноду первого светодиода, первый резистор соединен с катодом первого фотодиода и подключен к положительному электроду входа питания оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» соединенного с выходом источника напряжения, а второй резистор соединен с катодом второго фотодиода и подключен к положительному электроду входа питания оптического логического элемента исключающее «ИЛИ» соединенного с выходом источника напряжения, выходы первого и второго светодиодов являются выходами оптического логического элемента исключающее «ИЛИ», входами первого кода являются входы первой группы N-выходных оптических разветвителей, входами второго кода - входы второй группы N-выходных оптических разветвителей, j-й выход i-го N-выходного оптического разветвителя первой группы оптически связан со входом первого фотодиода ij-го оптического логического элемента исключающее «ИЛИ», i-й выход j-го N-выходного оптического разветвителя второй группы оптически связан со входом второго фотодиода ij-го оптического логического элемента исключающее «ИЛИ», входы питания оптических логических элементов исключающее «ИЛИ» соединены с выходом источника напряжения, а выходы оптических логических элементов исключающее «ИЛИ» подключены к соответствующим входам 2*N*N-входного оптического объединителя, выход которого является выходом устройства.