Оптическое вычислительное устройство Советский патент 1993 года по МПК G06E3/00 

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано в оптических вычислительных машинах для решения систем лин

эйных дифференциальных уравнений.

Цель изобретения - повышение точно- ги работы устройства за счет отказа от средств пространственно-частотной фильт- рэции, а также расширение его функциональных возможностей за счет формирования решения в реальном масш- времени.

Поставленная цель достигается за счет Б зедения кольцевой схемы оптического раз- вгтвителя, содержащей управляемый i неуправляемый оптические транспаранты и позволяющей осуществлять решение системы линейных дифференциальных уравнений в реальном масштабе времени путем итеративной мультипликации инфинитези- мальной переходной матрицы системы. В основу работы устройства положена возможность представления решения линейной системы

-X, + f,, Х(0)-Х0.(1)

где ft - известная вектор-функция,

Ат - известная матрица коэффициентов системы,

Xt - вектор переменных состояния, с требуемой точностью следующим рекуррентным соотношением: . ХКЕ+А(Ы)Д t -At) -Хы+ fi-f At, (2) где i - номер очередного временного шага решений,

00

со

XJ СА) CJ

At -- интервал дискретизации решения во времени, выбираемый из условия обеспечения требуемой точности решения,

Е - единичная матрица заданной размерности,

При. последующем анализе принципа действия и структуры устройства вместо (2) используется эквивалентное ему представление решения системы (1):

XiT Xi-iT (Е+АТ(Ы)Д At) -At.

ХТ(0)Х0Т.

На чертеже представлена функциональная схема вычислительного устройства.

Для удобства последующего описания принципа работы устройства на чертеже введена условная система координат OXYZ.

Устройство содержит источник некогерентного излучения 1, оптический разветви- тель 2, состоящий из шести разветвляющихся световодных участков (именуемых-далее ответвлениями) 21-2е, неуправляемый оптический транспарант 3,управляемый оптический транспарант 4, группу оптических усилителей 5.

Оптический разветвитель 2 может быть выполнен в виде набора разветвляющихся оптических волокон (неуправляемых направленных ответеителей), схема разветвления которых приведена на фиг.1, Транспарант 3 может быть выполнен в виде фотопластины или фотопленки с известной функцией пропускания, неизменной в течение работы устройства.

Управляемый транспарант 4 представляет собой пространственный модулятор матричного типа, управляемый электрическими сигналами и выполненный по схеме, описанной в. Если система (1) является стационарной, то транспарант 4 выполняется неуправляемым аналогично транспаранту 3. Оптические усилители группы 5, число которых равно числу волокон, образующих рэзветеитель 2, могут быть выполнены в виде инжекционных или волоконных квантовых усилителей согласно, а также в виде трансфазора, используемого на линейном участке выходной характеристики, или в виде оптрона, работающего в режиме усилите- ля света. Вход источника излучения является входом устройства, а выход через первый участок 21 оптического разветвите- ля (волокно, разветвляющееся на N волокон, где N - размерность вектора решения системы (1) оптически связан со входом транспаранта 3.

Функция пропускания транспаранта 3, изменяющаяся по оси OY, представляет собой N участков с различной оптической

плотностью, пропорциональной соответствующим компонентам Х|0 вектора начальных условий Х0 (точнее, , т.к. при прохождении светового потока через транспарант на функцию пропускания умножается амплитуда потока, а не интенсивность). Выход транспаранта 3 через ответвление 22, каждое из волокон которого разветвляется вдоль оси ОХ на N волокон, оптически связан со входом транспаранта 4. Выходы транспаранта 4 по оси OY (соответствующего столбца матрицы, записанной на транспарант 4) оптически связаны со входами N волокон, объединенных далее в соответствующее волокно из N волокон, входящих в ответвление 2з разветвителя 2. Выходы волокон ответвления 2з подключены ко входам соответствующих оптических усилителей группы 5, выходы которых с помощью оптических волокон объединены с соответствующими волокнами ответвления 24 в волокна ответвления 2s. Волокна ответвления 2s объединены с соответствующими волокнами ответвления 22 и с помощью волокон ответвления 2е оптически связаны с выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

На вход источника излучения 1 поступает управляющий импульс включения Вкл., что приводит к появлению на входе ответвления 2i светового импульса интенсивностью N2 усл.ед. Данный световой поток, разветвляясь на N потоков и проходя через

транспарант 3. создает на его выходе световой поток с интенсивностью вдоль оси OY, пропорциональной N Х0. Сформированный таким образом световой поток по волокнам ответвления 22 поступает на вход транспаранта 4, где разветвляется на выходе каждого волокна ответвления 22 на N потоков по соответствующей строке матрицы-транспаранта 4 (по оси ОХ), На входы управления транспаранта 4 подаются в текущий момент

времени ti-i(i-1)A t соответствующие сигналы управления, обеспечивающие для момента ti-i функцию пропускания каждого элемента матрицы-транспаранта 4 пропорциональной корню квадратному из знзче

ния аналогичного элемента матрицы

(E + A(ti-i) At)T.

В случае решения системы стационарных линейных уравнений транспарант 4 мо- жет быть выполнен неуправляемым, ввиду неизменности матрицы ( A t)r в течение всего времени работы устройства. После прохождения светового потока через транспарант 4 с последующим суммировзнием потоков в объединенных волокнах ответвления 2з на входах группы оптических усилителей 5 формируется световой поток с интенсивностью вдоль оси ОХ, пропорциональной значениям компонентов вектора Л t (нумерация компонентов возрастает в направлении оси ОХ). Т.к. выходной поток усилителей в дальнейшем разветвляется на два - в ответвлениях 2з, 2е, и далее (в ответвлении 1i) - на N потоков, а также с учетом затухания интенсивности светового потока в цепи выходоптического усилителя - вход транспаранта 4 в Е раз, коэффициенты усиления усилителей группы 5 выбираются равными 2NE. Выходной по- ток группы усилителей 5 суммируется со световым потоком заданной интенсивности 2NE At f (ti-i). поступающим в момент tn со входов ответвления 24, и через ответвпе- ния 2s и 2е поступает, соответственно, на вход транспаранта 4 и на выход устройства. На выходе устройства формируется световой поток с распределением интенсивности, пропорциональным значениям компонентов вектора 2NE Xi (известный коэффициент 2NE легко учитывается при последующей регистрации светового потока, например, выбором соответствующего коэффициента затухания волокон ответвления 2е). на входах транспаранта 4 - с рас- пределением интенсивности вдоль оси OY, пропорциональным значениям компонентов вектора Xi. Далее работа устройства повторяется аналогично вышеизложенному - на выходе устройства в реальном масшта- бе времени формируется световой поток с интенсивностью, пропорциональной значениям компонентов пектора г- . :;- мы (1) Xi.

Формула изобретения Оптическое вычислительное устройство, содержащее источник излучения, вход управления которого является входом устройства, а выходы через N оптических разветвителей первой группы оптически связаны с входами соответствующих столбцов матричного оптического преобразователя, выходы строк которого объединены через N оптических разветвителей второй группы, от л ичающеес ятем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей за счет формирования решения в реальном масштабе времени, в него введены вычислительный транспарант, N оптических усилителей и N оптических разветвителей третьей группы, управляющие входы матричного оптического преобразователя соединены с входами задания первой группы значений компонентов вектора устройства, выходы N оптических разветвителей второй группы через N оптических усилителей соединены с первыми входами N оптических разветвителей третьей группы, вторые входы которых являются входами задания второй группы значений компонентов вектора устройства, первые выходы N оптических разветвителей третьей группы являются выходами устройства, а вторые выходы соединены с соответствующими входами N оптических разветвителей первой группы, между нхода- ми которых и выходами источника излучения расположен вычислительный транспарант.