ОПТИЧЕСКИЙ УМНОЖИТЕЛЬ Российский патент 2023 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 оптические умножители, позволяющие осуществлять перемножение оптических кодовых сигналов, например, остаточный умножитель на базе сумматора, выполненного на волноводных переключателях, содержащий оптические разветвители, волноводные переключатели и электронные схемы управления коммутацией [Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. М.: Высшая школа, 1988, с. 203, рис. 7.19].

Недостатками данных умножителей являются низкое быстродействие, обусловленное использованием электронных схем управления переключением, и сложность конструкции.

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.

Заявленное устройство направлено на решение задачи умножения 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 N М-выходных оптических разветвителей, М N-выходных оптических разветвителей, М*N-входной оптический объединитель, источник напряжения, M*N оптических логических элементов «И», каждый из которых содержит резистор, фотодиод, вход которого объединяет информационные входы оптического логического элемента «И», и светодиод, катод фотодиода подключен к катоду светодиода, а анод фотодиода подключен к отрицательному электроду входа питания оптического логического элемента «И», соединенного с выходом источника напряжения, резистор соединен параллельно со светодиодом, анод которого подключен к положительному электроду входа питания оптического логического элемента «И», а выход светодиода является выходом оптического логического элемента «И», входами первого сомножителя являются входы М-выходных оптических разветвителей, входами второго сомножителя - входы N-выходных оптических разветвителей, j-й выход i-го М-выходного оптического разветвителя (i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M) оптически связан со входом фотодиода ij-го оптического логического элемента «И», с которым также оптически связан i-й выход j-го N-выходного оптического разветвителя, входы питания оптических логических элементов «И» соединены с выходом источника напряжения 4, а выходы оптических логических элементов «И» подключены к соответствующим входам M*N-входного оптического объединителя, выход которого является выходом устройства.

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

Устройство содержит N М-выходных оптических разветвителей 1_1i, i=1, 2, …, N, М N-выходных оптических разветвителей 1₂j, j=1, 2, …, M, M*N оптических логических элементов «И» 2_2j, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M, M*N-входной оптический объединитель 3, источник напряжения 4.

Входами первого сомножителя "a₁","a₂",…,"a_N" являются входы N М-выходных оптических разветвителей 1_1i, i=1, 2, …, N. Входами второго сомножителя "b₁","b₂",…,"b_M" являются входы М N-выходных оптических разветвителей l₂j, j=1, 2, …, M.

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

1-й выход j-го N-выходного оптического разветвителя l₂i также оптически связан со входом фотодиода 2_ij оптического логического элемента «И» 2_ij, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M.

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

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

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

Оптический логический элемент «И» 2_ij содержит фотодиод 2_ij1 светодиод 2_ij2 и резистор 2_ij3.

Вход фотодиода 2_ij1 представляет собой (объединяет) информационные входы оптического логического элемента «И» 2_ij.

Катод фотодиода 2_ij1 подключен к катоду светодиода 2_ij2, а анод фотодиода 2_ij1 подключен к отрицательному электроду входа питания оптического логического элемента «И» 2_ij, соединенного с выходом источника напряжения 4 (т.к. фотодиод в режиме фотоприема работает в инверсном режиме).

Резистор 2_ij3 соединен параллельно со светодиодом 2_ij2, анод которого подключен к положительному электроду входа питания оптического логического элемента «И» 2_ij. Выход светодиода 2_ij2 является выходом оптического логического элемента «И» 2_ij, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, М. Устройство работает следующим образом.

На входы первого сомножителя "a₁","a₂",…,"a_N" (входы М - выходных оптических разветвителей 1_ij, i=1, 2, …, N) поступает оптический унитарный код (код с числом единиц, соответствующим значению кодируемого числа) с интенсивностью информационного единичного сигнала («1»), равной М усл(овных).ед(иниц)., соответствующий первому сомножителю А. На входы второго сомножителя "b₁", "b₂",…,"b_M" (входы N - выходных оптических разветвителей l₂j, j=1, 2, …, M) поступает оптический унитарный код с интенсивностью информационного единичного сигнала («1»), равной N усл. ед., соответствующий второму сомножителю В.

Разветвляясь в соответствующих оптических разветвителях, оптические сигналы с интенсивностью «1» усл. ед. (или «О») поступают: с выходов М - выходного оптического разветвителя 1 и на входы М оптических логических элементов «И» 2_ij, j=1, 2, …, M, а с выходов N - выходного оптического разветвителя l₂j на входы N оптических логических элементов «И» 2_ij, i=1, 2, …, N.

Если на вход оптического логического элемента «И» 2_ij, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M, поступит оптический сигнал с интенсивностью «1» усл. ед., которая меньше порога срабатывания фотодиода 2_ij1, то фотодиод 2_ij будет закрыт - падение напряжения источника питания 4 на светодиоде 2_ij2 будет ниже его порога срабатывания. Оптический сигнал на выходе светодиода 2_ij, а также на выходе оптического логического элемента «И» 2_ij, будет равен нулю.

Если на вход оптического логического элемента «И» 2_ij, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M, поступят два оптических сигнала с интенсивностью «1» усл. ед., суммарная интенсивность которых больше порога срабатывания фотодиода 2_ij1, то фотодиод 2_ij1 будет открыт и падение напряжения источника питания 4 на светодиоде 2_ij1 будет выше его порога срабатывания. На выходе светодиода 2_ij2, а, следовательно, на выходе оптического логического элемента «И» 2_ij, в этом случае формируется оптический сигнал с интенсивностью «1» усл.ед., поступающий далее на соответствующий вход M*N - входного оптического объединителя 3.

Таким образом, наличие «1» в соответствующем разряде оптического унитарного кода одного из сомножителей обеспечивает прохождение всех разрядов оптического унитарного кода другого сомножителя на соответствующие входы M*N - входного оптического объединителя 3.

Т.к. оптические сигналы, поступающие на вход M*N - входного оптического объединителя 3, суммируются на его выходе, то на выход устройства поступает оптический сигнал с интенсивностью А*В усл. ед.

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

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

Изобретение относится к вычислительной технике, к оптическим устройствам обработки информации. Заявленное устройство направлено на решение задачи умножения когерентных и некогерентных, оптических кодовых сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, и задачи упрощения устройства. Оптический умножитель содержит N М-выходных оптических разветвителей, М N-выходных оптических разветвителей, M*N оптических логических элементов «И», М*N-входной оптический объединитель, источник напряжения. Входами первого сомножителя являются входы N М-выходных оптических разветвителей, входами второго сомножителя являются входы М N-выходных оптических разветвителей. J-й выход i-го М-выходного оптического разветвителя (i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M) оптически связан со входом фотодиода ij-го оптического логического элемента «И», с которым также оптически связан i-й выход j-го N-выходного оптического разветвителя. Входы питания оптических логических элементов «И» соединены с выходом источника напряжения, а выходы оптических логических элементов «И» подключены к соответствующим входам M*N-входного оптического объединителя, выход которого является выходом устройства. 2 ил.

Оптический умножитель включает N М-выходных оптических разветвителей, М N-выходных оптических разветвителей, М*N-входной оптический объединитель, источник напряжения, M*N оптических логических элементов «И», каждый из которых содержит резистор, фотодиод, вход которого объединяет информационные входы оптического логического элемента «И», и светодиод, катод фотодиода подключен к катоду светодиода, а анод фотодиода подключен к отрицательному электроду входа питания оптического логического элемента «И», соединенного с выходом источника напряжения, резистор соединен параллельно со светодиодом, анод которого подключен к положительному электроду входа питания оптического логического элемента «И», а выход светодиода является выходом оптического логического элемента «И», входами первого сомножителя являются входы М-выходных оптических разветвителей, входами второго сомножителя - входы N-выходных оптических разветвителей, j-й выход i-го М-выходного оптического разветвителя (i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M) оптически связан со входом фотодиода ij-го оптического логического элемента «И», с которым также оптически связан i-й выход j-го N-выходного оптического разветвителя, входы питания оптических логических элементов «И» соединены с выходом источника напряжения 4, а выходы оптических логических элементов «И» подключены к соответствующим входам M*N-входного оптического объединителя, выход которого является выходом устройства.