устройство для вычитания оптических сигналов

Формула изобретения

Устройство для вычитания оптических сигналов, содержащее источник излучения, бистабильный элемент, отличающееся тем, что в устройство введены три оптических усилителя, входной оптический разветвитель, две группы по N 1 вычислительных транспарантов каждая, группа из N разветвляющихся на два оптических ответвлений, кольцевое оптическое ответвление, оптический компаратор и оптический разветвитель, содержащий три оптических ответвления, два из которых являются оптически связанной волноводной парой, вход уменьшаемого устройства является входом первого оптического усилителя, выход которого подключен к входу оптического разветвителя, N выходов которого через транспаранты оптически связаны с входами группы N разветвляющихся на два оптических ответвлений, с входом первого оптического ответвления группы - непосредственно, где второе оптическое разветвление каждого оптического ответвления данной группы объединено по выходу со следующим по порядку оптическим ответвлением до участка его разветвления, а выходы всех первых оптических разветвлений, в тракты которых, за исключением первого оптического разветвления последнего по порядку оптического ответвления, включены транспаранты второй группы, объединены по выходу в третье оптическое ответвление оптического разветвителя, в тракт которого включен третий оптический усилитель, а второй оптический усилитель, выход и вход которого оптически связаны кольцевым оптическим ответвлением, включен в тракт второго оптического разветвления последнего оптического ответвления, выход которого подключен к входу оптического компаратора, другой вход которого является входом вычитаемого устройства, где сам оптический компаратор содержит два входных информационных и два управляющих оптических разветвителя, каждый информационный оптический разветвитель, вход которого является одним из входов оптического компаратора, содержит группу оптически связанных между собой волноводных ответвлений, разветвляющихся на два таким образом, что каждое последующее оптическое ответвление данной группы является вторым разветвлением предыдущего, первые оптические ответвления обеих групп являются оптически связанными волноводами с соответствующими двумя оптическими разветвлениями первого управляющего оптического разветвителя, а оптические ответвления обоих информационных оптических разветвителей объединены по выходу, при этом выходные участки всех оптических ответвлений первого информационного оптического разветвителя являются оптически связанными волноводами с ответвлением второго управляющего оптического разветвителя, выход которого является выходом оптического компаратора, оптически связанным через первое оптическое ответвление оптического разветвителя с входом оптического бистабильного элемента, инверсный выход которого подключен к входу второго оптического ответвления оптического разветвителя, образующего оптически связанную волноводную пару с третьим оптическим ответвлением, выход которого является выходом устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при синтезе чисто оптических вычислительных машин.

Известны устройства для вычитания аналоговых сигналов, построенные на основе использования элементов электронной технологии (У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983). Недостатком данных устройств является их невысокое быстродействие, обусловленное переходными процессами в электронных цепях. Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является схема вычитания амплитуд двух когерентных, сдвинутых по фазе на , световых потоков, содержащая источник излучения и приемный транспарант (Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: Высшая школа, 1988, с. 32).

Недостатком такой схемы, использующей явление интерференции, является невозможность организации вычитания интенсивностей как когерентных, так и некогерентных оптических сигналов.

Изобретение направлено на решение задачи обеспечения возможности вычитания интенсивностей произвольных оптических сигналов. Подобная задача возникает при разработке чисто оптических вычислителей, обладающих потенциально возможным для оптических устройств быстродействием.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены три оптических усилителя (ОУ), входной оптический разветвитель, две группы по (N - 1) вычислительных транспарантов каждая, группа из N-разветвляющихся на два ответвления, кольцевое ответвление, оптический компаратор (ОК), оптический бистабильный элемент (ОБЭ) и разветвитель, содержащий три ответвления, два из которых являются оптически связанной волноводной парой, вход уменьшаемого устройства является входом первого ОУ, выход которого подключен к входу входного оптического разветвителя, N-выходов которого через транспаранты оптически связаны со входами групп N-разветвляющихся на два ответвления (со входом первого ответвления группы - непосредственно), где второе разветвление каждого ответвления данной группы объединено по выходу со следующим по порядку ответвлением до участка его разветвления, а выходы всех первых разветвлений, в тракты которых (за исключением первого разветвления последнего по порядку ответвления) включены транспаранты второй группы, объединены по выходу в третье ответвление разветвителя, в тракт которого включен третий ОУ, а второй ОУ, вход и выход которого оптически связаны кольцевым ответвлением, включен в тракт второго разветвления последнего ответвления, выход которого подключен ко входу ОК, другой вход которого является входом вычитаемого устройства, где сам ОК содержит два входных информационных и два управляющих разветвителя, каждый информационный разветвитель, вход которого является одним из входом компаратора, содержит группу оптически связанных между собой волноводных ответвлений, разветвляющихся на два таким образом, что каждое последующее ответвление данной группы является вторым разветвлением предыдущего, первые ответвления обеих групп являются оптически связанными волноводами с соответствующими двумя разветвлениями первого управляющего разветвителя, а одноименные ответвления обоих информационных разветвителей объединены по выходу, при этом выходные участки всех ответвлений первого информационного разветвителя являются оптически связанными волноводами с ответвлением второго управляющего разветвителя, выход которого является выходом компаратора, оптически связанным через первое ответвление разветвителя со входом ОБЭ, инверсный выход которого подключен ко выходу второго ответвления разветвителя, образующего оптически связанную волноводную пару с третьим ответвлением, выход которого является выходом устройства.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предложенного устройства; на фиг. 2 - функциональная схема оптического компаратора (ОК).

Устройство для вычитания оптических сигналов содержит вход уменьшаемого 1 и вход вычитаемого 2, три оптических усилителя (ОУ) 3₁-3₃, входной оптический разветвитель 4, первую группу из (N - 1) транспарантов 5₁, ..., 5_N-1, группу из N ответвлений 6_i, разветвляющихся на два 6_i1, 6_i2,, вторую группу из (N-1) транспарантов 7₁, ..., 7_N-1, кольцевое ответвление 8, ОК 9, разветвитель, содержащий ответвление 10₁ и оптически связанную волноводную пару ответвлений 10₂, 10₃; оптический бистабильный элемент (ОБЭ) 11. Примеры исполнения ОБЭ и оптически связанных волноводов приведены в (Акаев А.А. , Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: Высшая школа, 1988; Семенов А.С., Смирнов В.Л., Шмалько А.В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М.: Радио и связь, 1990).

Вход уменьшаемого 1 устройства является входом ОУ 3₁, выход которого оптически связан со входом разветвителя 4. N выходов разветвителя 4 через транспаранты 5_i оптически связаны со входами ответвлений 6_i, (со входом ответвления 6₀ - непосредственно). Ответвление разветвляется на ответвление 6_i2, объединенное по выходу с ответвлением 6_i+1 до участка его разветвления, и ответвление 6_i1. Выходы всех ответвлений 6_i1, в тракты которых (за исключением 6_(N-1)1) включены транспаранты 7_N-i-1, , объединены по выходу в ответвление 10₃, в тракт которого включен ОУ 3₃. Выход ответвления 6_(N-1)2 через ОУ 3₂, вход и выход которого оптически связаны кольцевым ответвлением 8, подключен ко входу ОК 9, другой вход которого является входом вычитаемого 2, а выход с помощью ответвления 10₁ подключен ко входу ОБЭ 11. Выход ОБЭ 11 по отраженному потоку (инверсный выход) подключен к входу ответвления 10₂, оптически связанного на участке S с ответвлением 10₃, выход которого является выходом устройства.

Оптический компаратор, функциональная схема которого приведена на фиг. 2, устроен следующим образом.

Оптический компаратор содержит первый 12 и второй 13 входные информационные разветвители, и первый 14 и второй 15 управляющие разветвители. Входной разветвитель 12 (13), вход которого является входом компаратора, представляет собой N оптически связанных между собой волноводных ответвлений 12₁, . .., 12_N (13₁, ..., 13_N), разветвляющихся на два так, что (i+1)-е ответвление 12_i+1(13_i+1) является вторым разветвлением i-го 12_i (13_i), . Одноименные ответвления 12_i и 13_i объединены по выходу. Первый управляющий разветвитель 14 содержит два ответвления 14₁, 14₂, ответвление 14₁ представляет собой волновод, оптически связанный с ответвлением 12₁, ответвление 14₂ - волновод, оптически связанный с ответвлением 13₁. Второй управляющий разветвитель (ответвление) 15, выход которого является выходом компаратора, представляет собой волновод, оптически связанный с выходными участками ответвлений 12₁, . .., 12_N. Т.к. для обеспечения работы компаратора световой поток на выходе ответвления 12_i должен быть уменьшен в два раза, то в качестве одного из путей такого уменьшения на фиг. 2 пунктиром показаны дополнительные ответвления, делящие выходной поток на два.

Устройство работает следующим образом.

На вход уменьшаемого 1 поступает оптический импульс, интенсивность которого равна значению уменьшаемого I_y. Этот световой поток, проходя через ОУ 3₁, усиливается по интенсивности в 2^N раз, после чего разветвляется во входном разветвителе 4 на N потоков, формируя на входах транспарантов 5₁-5_N-1 оптические сигналы с интенсивностью . Транспарант 5_i обеспечивает уменьшение интенсивности входного потока в 2_i раз (вместо транспарантов для этой цели можно использовать ответвления 6_i с соответствующим коэффициентом затухания), следовательно, на входах ответвлений 6_i формируются оптические импульсы с интенсивностями N^-1I_y2^N-i, . Из ответвления 6_i оптический импульс поступает по ответвлениям 6_i2, 6_(i+1)2,...,6_(j-1)2 (последовательно уменьшается по интенсивности вдвое в каждом разветвлении) в ответвление 6_i. При этом длины ответвлений 6_k, 6_k2 выбираются из условия обеспечения формирования в ответвлении 6_j (точнее, на входе ответвления 6_j1) последовательности импульсов с требуемыми временными характеристиками, образованной за счет последовательного поступления импульсов из ответвлений 6_j-1, 6_j-2,..., 6₀. Таким образом, после поступления оптического импульса с выхода ОУ 3₁, в ответвлении 6_j1 формируется последовательность из (j+1) импульсов с интенсивностью , . Для нормировки интенсивностей данных последовательностей (приведения к значению N^-1I_y), в тракт ответвления 6_j1 введен транспарант 7_N-j-1 с функцией пропускания, обеспечивающей уменьшение интенсивности светового потока в 2^(N-j-1) раз (вместо введения транспарантов можно использовать выбор соответствующего коэффициента затухания в ответвлениях 6_j1).

Т. к. на выходах ответвлений 6₀₁, ..., 6_(N-1)1 синхронно (за счет подбора длины ответвлений) формируется N последовательностей импульсов, состоящих, соответственно, из 1, 2..., N импульсов, то за счет объединения ответвлений 6_j1, , в ответвление 10₃, обеспечивающего суммирование оптических сигналов, на выходе ответвления 10₃ формируется последовательность импульсов с убывающей суммарной интенсивностью: .

Одновременно последовательность из N импульсов с интенсивностью I_y/N поступает с выхода ответвления 6_(N-1)2 через ОУ 3₂, обеспечивающий усиление интенсивности в 2 раза (с целью компенсации уменьшения интенсивности потока на выходе ОУ 3₂ за счет разветвления), в кольцевое ответвление 8. За счет многократного прохождения по ответвлению 8 импульсов из ответвления 6_(N-1)2 (и их накопления) на входе ОК 9 формируются оптические сигналы с последовательно возрастающей интенсивностью . В ОК 9 (работа которого описана ниже) происходит сравнение интенсивности данных сигналов с интенсивностью I_в оптического сигнала, поступающего на вход вычитаемого 2. Если , то с выхода ОК 9 снимается сигнал U, который поступает далее по ответвлению 10₁ на вход ОБЭ 11. Интенсивность сигнала U выбирается меньше пороговой - входной поток ОБЭ 11 с интенсивностью U оказывается полностью отраженным и поступает на вход ответвления 10₂. При этом интенсивность U выбирается таким образом, что прохождение отраженного потока по ответвлению 10₂, оптически связанному с ответвлением 10₃ на участке S, приводит к переключению излучения из 10₃ в 10₂ - на выходе ответвления 10₃ (выходе устройства) сигнал в этом случае отсутствует. Для обеспечения требуемого уровня интенсивности светового потока в ответвлении 10₃, гарантирующего эффект переброса излучения при наличии сигнала U, в тракте 10₃ используется ОУ 3₃ с требуемым коэффициентом усиления. При этом сигнал на выходе ответвления 10₃ получается промасштабированным соответствующим образом и, следовательно, в тех случаях, когда масштабирование разности является нежелательным, необходимо или использовать на выходе устройства транспарант с требуемым коэффициентом релаксации, или соответствующим образом выбирать коэффициент затухания выходного участка ответвления 10₃.

Если же , то с выхода ОК 9 снимается сигнал интенсивности больше пороговой для ОБЭ 11 - тогда весь входной поток проходит на вход ОБЭ 11, отраженный сигнал на входе ответвления 10₂ отсутствует, переключения излучения из 10₃ не происходит и на выходе устройства формируется сигнал с интенсивностью, пропорциональной , т. е. разности интенсивностей уменьшаемого и вычитаемого. Точность работы данного устройства зависит при этом как от числа N-разбиений светового потока уменьшаемого на входе устройства, определяемого числом ответвлений 6_i, так и от величины порога сравнения ОК 9, определяемой числом оптически связанных ответвлений в его схеме. Это позволяет добиваться требуемой точности вычислений путем соответствующего увеличения числа ответвлений в данном устройстве.

ОК 9 работает следующим образом.

Сравниваемые оптические сигналы с интенсивностями, соответственно, I₁ и I₂ поступают на входы оптических разветвителей 12 и 13, где происходит их разветвление в ответвлениях 12_i и 13_i последовательно на 2 - т.е. интенсивность потока в i-м ответвлении обоих разветвителей меньше входной в 2ⁱ раз. На вход разветвителя 14 в течение всего времени работы устройства подан световой поток постоянной интенсивности I (I>>I_i), формирующий в ответвлениях 14₁, 14₂ потоки с требуемой интенсивностью, обеспечивающей возможность переброса излучения в связанный с данным оптический волновод. Т.к. оптически связанным с ответвлением 14₁ является ответвление (волновод) 12₁, а с 14₂, соответственно, - 13₁, то при появлении в ответвлениях 12₁, 13₁ сигналов с интенсивностями I₁/2, I₂/2, достаточными для обеспечения переключения светового потока из 14₁ и/или 14₂, происходит переброс излучения в ответвления 12₁ и/или 13₁. Аналогично происходит переброс излучения и далее - из ответвления 12₁ в оптически связанное с ним ответвление 12₂ (из 13₁, соответственно, в 13₂), если для этого оказывается достаточно величины интенсивности I₁/4(I₂/4). В итоге осуществляется переключение излучения из ответвления 14₁(14₂) в ответвление 12_i(13_i), где i,j - номер последнего ответвления, на вход которого поступает оптический сигнал с интенсивностью I₁/2ⁱ (I₂/2j), еще достаточной для осуществления процесса переключения (т.к. интенсивность I₁2^-(j+1)) уже этого не обеспечивает). Т.к. выходы одноименных ответвлений объединены, то в случае появления в одноименных ответвлениях 12_К, 13_К излучения, "переброшенного" из ответвлений 14₁, 14₂, на выходе ответвления 12_К появляется сигнал интенсивности I. Формирование такого сигнала на выходе любого из ответвлений 12_К означает равенство сигналов I₁ и I₂, в силу того, что составляющие I₁₍₂₎2^-К обеспечивают уровень интенсивности переключения, а I₁₍₂₎2^-(K+1) - уже нет. В остальных случаях - когда I₁/2^KI₂/2^K и переключение излучения из ответвлений 14₁, 14₂ осуществляется в разноименные волокна 12_i, 13_j, ij, выходные сигналы интенсивности - I/2 появляются на выходах двух ответвлений 12_i и 12_j. Далее световой поток, сформированный на выходе волокна 12_m, проходя по волокну, ослабляется в два раза (например, за счет дополнительного разветвления - на фиг. 2 показано пунктиром, или выбора соответствующего коэффициента затухания выходного участка ответвления и т.п. ). Тем самым, на выходе одного из волноводных ответвлений 12_m будет сформирован световой поток с интенсивносью I/2 (обеспечивающей возможность дальнейшего оптического переключения) лишь в случае I₁=I₂. В противном случае на выходах каких-либо двух ответвлений 12_i, 12_j формируются потоки с интенсивностями I/4. Т.к. на вход ответвления 15 в течение всего времени работы устройства подан постоянный оптический сигнал интенсивности U<<I, обеспечивающий в случае появления в одном из оптически связанных с ответвлением 15 ответвлений 12_m оптического сигнала с интенсивностью I/2 переключение сигнала из 12_m в ответвление 15, то при выполнении равенства I₁=I₂ на выходе ответвления 15 (выходе компаратора) позволяется оптический сигнал интенсивности I/2 + U I/2. Если I₁I₂, то максимально возможная интенсивность оптического сигнала на выходах ответвлений 12_К- I/4 и переключения излучения в ответвление 15 не происходит - единичный сигнал (уровня I/2) на выходе компаратора отсутствует (уровень интенсивности U в данном случае соответствует нулевому уровню). Следует отметить, что вместо ответвления 15, оптически связанного с ответвлениями 12₁-12_N, можно использовать на их выходах оптические бистабильные элементы с порогом срабатывания I/2 - логика работы компаратора остается при этом прежней.