Оптический логический элемент Советский патент 1980 года по МПК G02F3/00 

(54) ОПТИЧЕСКИЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

1

Изобретение отьгосится к обпастк вы-числительной техники, в частности, к - оптическим логическим элементам, и может найти широкое применение, нри создании и конструировании оптических вычислительных машин .

Известны логические элементы, выпоп няющие различные функции булевой ал гефы и использующие разнообразные е схемные решения,

Известен оитический логический элемент, в схеме которого использовано явление изменения плоскости поляризаций светового луча при прохождении через электрически управляемый кристалл f 1}

Известен также элемент , в котором обработка информации в ввде оптических картин .осуществляется при ромощи электрооптического преобразователя и оптической системы для проецирования транспарантов 2.

Логические элементы, основанные на прохождении световых пучков через кристаллы и оптические системы для проеци роьатш картин, не могут быть реализованы в виде ппанарных интегральных

схем- оптйчеСКогоДиапазона, Такие схемы представляют собой сугубо- объемные конструкции, обладают большими габаритами, низкой устойчивостью относительно внёш них механических воздействий, высоким уровнем 6Вешних npKtex и, следовательно, низкой надежностью. Быстродействие элемента, использующего тление изменения плоскости поляризации проходящего через кристалл светового пучка, ограничено временем переключения управляющих потенциалов. Элементы логики с использованием опТронов позволяют выполнять эти узлы в виде интегральных схем. Однако, такие схемы осуществляют обработку информации, передаваемой на частотах не оптического диапазона. Кроме того, надежность таких схем не может быть высокой, поскольку в них применяются элементы с малой , надежностью.

Известен такЖе бптический логический элемент, основан й на явлении взаимен

ействия двух когерентных световых пучов, содержащий источник монохромати-еского света, коллиматор, устройства ормирования световых пучков и устройтво для анализа результата взаимодейтвия сформированных когерентных свеовых пучков. Элемент содержит одно олупрозрачное зеркало, после которого Ьтановлены одна пластина с изображением исходной информации и отражающее зеркало и другая пластина с изображением информации, отражающее и попупрозрачное заркала и приемник результирующего изображения информации. Между коллиматором и одним полупрозрачным зеркалом установлен линейньй поля ризатор, а между другим отражающим зеркалом и пластиной с изображением исходной информации установлена управляемая плоскоцараллельная пластина. Исходный пучок квазимонозфоматическогб света псюле коллиматора и поляризатора при помощи полупрозрачного зеркала расщепляется на два световых пучка. Пластина с Исходной информацией располагается в одном из пучков, В другом цучк помещены гшоскопарайлельйай шхастййа, осущёствпйющай уйравлениё поляризацией, и пластина с изображением информации ГЗЗ,

При помощи системы зеркал - отражающих и полупрозрачных - световые пучки складываются в один , на выходе к61ч}|1бго и установлен результирующего изображения информации картинного типа, В тех точках результирук щёго пучка, где происходит взаимодействие двух линейно -поЛяризованньк пучков с разностью фаз, равной 18О , имеет нулевая интенсивнсяль (О - на результирукадей картине), В тех точках, где на исходной картине был записан О, такого взаимодействия не происходит и на результирующего изображения информации попадает вспомогательный элементарный пучок света (1 - на результирующей картине). При другой разности фаз, которая определяется управляемой плоскопараллепьной пластиной в рдном из лучей, на выходе результирующего луча будет иная картина распределения интенсивности, Это обстоятельство обуславливает выполнение нескольких логических операций данным лошческим элементом (ИЛИ, НЕ, Сложение по т032 ), В схемном плане известный логический элемент представляет собой иитерферометр, в одном из плеч которого включен управляемый элемент.

Недостатком известного логического элемента является сравнительно низкое быстродействие, ограничиваемое временем срабатывания ( управляющей пластины для изменения фазы.

Кроме того, функциональные возможности этого элемента ограничиваются выполнением всего лишь трех логических операций: ИЛИ, НЕ и Сложение по mod 2 , что также является его недостатком.

Цель предлагаемого изобретения повышение быстродействия и расширение функциональных возможностей.

Для этого в оптическом логическом элементе, содержащем источник монохроматического света, устройства формирования световых пучков и устройство для анализа результата взаимодейстия сформированных когерентных световых пучков, последнее выполнено в виде дифракционной решетки и связанного с ней по дифракционному полю световода, а устройства формирования световых пучков ориентированы таким образом, что углы падения пучков на рещетку удовлетворяют соотношению:

n-eesinoc

tg

ы. 1,

П

(n-9esinc)

е

где

Р - период рещетки} длина волны; .,

оС - угол падения светового пучка} Л - номер гармоники; оЛц- yrort, под которым гармоника с индексомп покидает рещетку.

Параметры световода (показатель преломления и поперечные размеры) выбраны из условия

V с ,.-.; ,

w n-aesm A

где V™,- файовая Скорость волны, распространяющейся в световоде (определяется показателем преломления, длиной волны и поперечными размерами световода Но известным дисперсионным зависимостям); - С - скорость света. На фиг, 1 изображена схема предлагаемого элемента; на фиг. 2 представлено поведение уровня на выходе 7 при различных наборах значений Х и Хр 5 при реализации логической операдии дизъюнкция. ПредлагавмЬ1й оптический логичебкий элемент содержит ясточвик 1 моно фоматического света, связанный с устройствами 2 и 3 формирования световых пучков 4 и 5, например, световодами, и устройство для анализа результата взаимодействия сформированных когерен ных световых пучков. Это устройство в полнеко в виде дифракционной решетки и связанного с ней при помощи электро магнитного (дифракционного) поля световода 7. На образованную этими эле ментами электродинамическую систему падают два когерентных световых пучка 4 и 5, сформированных устройствами 2 и 3. Эти пучки являются входами KI и К 2. элемента. Углы падения пучков 4 и 5 относительно плоскости дифракционной решетки 6 при определенных ха характеристиках счетовода 7,. длине вол и периоде структуры находятся из выра жений, полученных из решения задачи о дифракции однородных плоских воли на периодических структурах. Действие, предлагаемого логй4)еского элемента происходит следующим обра зом. Энергия волн источника 1 монажрома тического света разветвляется на Дёа канала, поступает в устройства 2 н 3, формирующие волновые свето&ые пучки 4 и 5, и далее распространяется в свободном пространстве. Световод 7 раеположен в непосредственной близости к плоскости решетки 6 так что его ось составляет прямой угол со штрихами периодической структуры. Световые йуч ки 4 и 5, ориентированные отнсюителЪ но решетки 6 под различными углами, дифрагируют на ее элементах. Рассеянное (дифрагировааное) поие состоит из двух качественно различных частей: спектра однородных плос|шх вол уходяших от решетки 6 в свободное вро CT-jpaHCTBO, и неоднородных плоских волн локализованных вблизи решетки 6. Известно, что связь величин угла. падения пучка света, угла о,, при котбром гармоника с номером п уходит от решетки 6, периода1 решетки Q и дпавы волны падакацего поля X определяетсй следующим соотношением n-aesin. п ae -Cn-aesinc) 37 ар - безразмерный параметр Л решетки. При определенных условиях (se /Д, . :)) чисто мнимая величина. Соответствующая гармоника в этом случае является неоднородной плоской волной, экспоненциально убывающей с удалением от плоскости решетки. Фазовая скорость Vtp в направлении, перпендикулярном линиям штрихов, у такой волны меньше скорости света и определяется соотношением: . , у - г П - ае sin о. где С - скорость света, В предлагаемом логическом оптическом элементе, основанном на явлении дн«фракции световых пучков на периодических структурах, используется то, что любой волновод поверхностных волн (в рассматриваемом случае СБето1Вод 7), будучи электродинамически связанным с периошческой структурой, при определенных условиях возбуждается резонансным обра- . зом. При выбранных значенижс показателя преломления материала .световода 7, размеров его.поперечного сечения, длины волнь1 и периода решетки 6 согласно выражениям (1), (2) можно определить резонансный угол падения, т,е. угол при котором наведанная в световоде 7. энергия будет максимальной. При угле падения, отличающемся от резонансного, уровень наведенной в волноводе Мопшости снижается на несколько порядков. В случае резонанса нулю и единице на вхоце Х элемента, т.е. в , например 4, Syoyt соответствовать такие же значения на выходе элемента, т.е. j выходе У световода 7. Если второй световой пучок 5 (вход Хд) ориентироадн относительно решетки о так, что резонансное возбуждение световода 7 осуществляется на другой пространственной гармонике, то возникновение сигналов На выходе у, соответствующих 1 и О, дет определяться, кроме характеристшс решетки 6 и световода 7, еще и разностью фаз двух дифрагирующих на решетке 6 волн световых 5 (входы X и Х соответстпучков 4 и венно). Известно, что элемент реализует данную логическую функцию только лишь в том случае, если появление нулей н единиц на входах в выходе соответствует этой функции. Рассмотрим логическую функцию дизъюнкция ИЛИ логическое сложение (ИЛИ), 771 Поведение нулей и единиц на выходе Пог1Йеск6г6 ёлемента, выполняющего данную функциЮ| определяется следующей таблицей. Обратцмся к рассмотренной схеме (фиг. 1), работающей в таком режиме, .что разность фаз каналов Х и Хл : обусл(авливает синфазное сложэние мощ вестей да выходе элемента У , На Вхо дах X t, Х и выходеV примем за О и 1 любые два уровня сигналов, которые уверенно мЪгут бытй различимы регистп рирующим устройством. На фаг, 2 представлено поведение уровня на выходе V рассмотренной схемы njja различных наборах значений Х и Хлв Сравнение поведения уровней на выходе У| представленных на фиг, 2 и в таблице, свидетельствует о их то ждестаенностй. Зтб йо азьюает, что райсмотренная электродинамическая система {дифрй®п:йонная решетка ё иЪвязан вый с нею световод 7) реализует функцию ,логйческогб сложения (ИЛИ), Эта же схема без изменения ее стру TyjMSji мсй1Йт рЪаЯИзо&ать логическую опе радию иекяюченное если разность фаз йо каналам Xj и Xg, обуславливает . вТйчйТаниё сигналов повторение; Ш;сиг1 1рез д грезЬ ,«. (ноль) а тшскё операцию константа оС, кй резонансйые. Предлагаемый логический элемент обладает высоким быстродействием (в Hei г WcytCTByByr инерционные элементы) и более широкими функциональными возш ж110стямн, так как может реали ойа№ пять логически операций (дизъю кция ИЛИ, исключенное ИЛИ , повторе константа - У-х,, v x Предлагаемый оптический логический элемевт обеспечивает возмджность выПОЛН0ВИЯ его в виде интегральной схем оптического диапазона, Нрн этом габариты элемента становятся ми гамальнымн, увеличивается его устойчивость от7носительно внешних механических воздействий и помех оптического диапазона. Элемент прост По конструкции и имеет высокую надежность, Фо. рмула изобретения Оптический логический элемент, содержащий источник монохроматического света, устройства формирования световых пучков и устройство для анализа, результата взаимодействия сформированных когерентных световьрс пучков, 0т л и ч а ю щ к и с -я тем, что, с целью повышения быстродействия и расширения функциональных возможностей, устройство, анализа результата взаимодейсти.я сформированных когерентных световых пучков выполнено в ввде дифракционной решетки и связанного с ней по дифракцибнному полю световода, а устройства формирования световых пучков ориентированы таким образом, что углы падения на решетку удовлетворяют соотношению . h-aesint . зеМп-аезшсл) Р -: . где ае т .- безразмерный параметр решетки .,. . -период решетки; - длина волны; -угол падения светового пучка; , -HOiviep гармоники; -угол, под которым гармоника с индексом «я- покидает решетку, а параметры световода (псжазатель прё- лЬмления и поперечные размеры) выбраны из условия: f.§e, п-эе&шсх. VQJ - фазовая скорость волны в световоде; С скорость света. . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР N9 251220, кл. Q 02 Р 1/00, 1968. 2.Авторское свидетельство СССР N 263207, кл. q 02 В 3/00, 1968. ,. 3.Авторское свидетельство СССР NS. 395984, кл. Н 03 К 19/14, 1971.

ff

Ipiffi

1

/2

I