Оптический аналого-цифровой преобразователь

 

Использование: изобретение относится к специализированной вычислительной технике. Сущность: в устройстве выход источника когерентного излучения подключен ко входу входного оптического разветвителя, состоящего из двух ответвлений, выход первого из которых через оптический модулятор, управляющий вход которого является входом устройства и (N+1)-е ответвление первой группы ответвлений подключен ко входу оптического бистабильного элемента старшего разряда, выход элемента каждого разряда подключен ко входу соответствующей пары разветвляющихся ответвлений второй группы, выход первого из которых подключен к первому входу узла связанных оптических волноводов, второй вход которого соединен с выходом соответствующего ответвления, являющегося одним из разветвлений второго ответвления входного оптического разветвления, а выход узла подключен ко входу фазового модулятора, выход которого подключен ко входу пары разветвляющихся ответвлений третьей группы, одно из которых объединено по выходу со вторым ответвлением второй группы и подключено для каждого разряда ко входу ответвления четвертой группы, объединенного по выходу с соответствующим ответвлением первой группы, вход которого оптически связан с выходом элемента данного разряда по потоку, а выход подключен ко входу элемента следующего младшего разряда, за исключением первого ответвления первой группы, выход которого подключен к выходу для младшего разряда, выходы которого для остальных разрядов соединены с выходами первых ответвлений третьей группы соответствующего разряда преобразователя. 1 ил.

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

Известны аналого-цифровые преобразователи (АЦП), построенные на основе использования электрооптических модуляторов и волноводных элементов [Акаев А. А. Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. М. ВШ, 1985] Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является электрооптический АЦП на основе волноводных интерферометров, содержащий оптические волноводы, электрооптические модуляторы и оптоэлектронные элементы [Семенов А.С. Смирнов В.Л. Шмалько А.В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. М. Радио и связь, 1990 рис. 7,6, стр. 176] Недостатками данных АЦП являются сложность и низкое быстродействие, обусловленные использованием наряду с оптическими электронных элементов управления и коммутации.

Изобретение направлено на решение задачи синтеза чисто оптического АЦП, содержащего минимально необходимое количество только оптических функциональных элементов, управляемых оптическими сигналами и обеспечивающих быстродействие АЦП, близкое (равное) к быстродействию, потенциально возможному для чисто оптических схем.

Подобная задача возникает при обработке информации в системах управления и связи в случае необходимости преобразования аналоговых сигналов в стандартный двоичный код.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве выход источника когерентного излучения подключен ко входу входного оптического разветвления, состоящего из двух ответвлений, выход первого из которых через оптический модулятор, управляющий вход которого является входом устройства, и (N+1)-е ответвление первой группы ответвлений подключен ко входу оптического бистабильного элемента (ОБЭ) старшего разряда АЦП, выход ОБЭ каждого разряда подключен ко входу соответствующей пары разветвляющихся ответвлений второй группы, выход первого из которых подключен к первому входу узла связанных оптических волноводов (СОВ), второй вход которого соединен с выходом соответствующего ответвления, являющегося одним из разветвлений второго ответвления входного оптического разветвителя, а выход СООВ подключен ко входу фазового модулятора, выход которого подключен ко входу пары разветвляющихся ответвлений третьей группы, одно из которых объединено по выходу со вторым ответвлением второй группы и подключено для каждого разряда АЦП ко входу ответвления четвертой группы, объединенного по выходу с соответствующим ответвлением первой группы, вход которого оптически связан с выходом ОБЭ данного разряда по отраженному потоку, а выход подключен ко входу ОБЭ следующего младшего разряда за исключением первого ответвления первой группы, выход которого подключен к выходу АЦП для младшего разряда, выходы которого для остальных разрядов соединены с выходами первых ответвлений третьей группы соответствующего разряда АЦП.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного АЦП.

АЦП состоит из источника когерентного излучения 1, входного оптического разветвителя, содержащего ответвления 2₁ и 2₂, которое разветвляется на N ответвлений 2₂₁,2_2N; оптического модулятора 3, первой группы из (N+1) оптических ответвлений 3₁,3_N+1, группы из N оптических бистабильных элементов (ОБЭ) 4₁,4_N, второй группы из N пар разветвляющихся ответвлений (5₁₁, 5₁₂), (5_N1, 5_N2), N групп (узлов) связанных оптических волноводов 6₁,6_N, N фазовых модуляторов 7₁,7_N, третьей группы из N пар разветвляющихся ответвлений (8₁₁, 8₁₂), (8_N1, 8_N2), четвертой группы из N ответвления 9₁,9_N и (N+1) выходов АЦП 10₀,10_N.

На чертеже представлена также функциональная схема узла связанных оптических волноводов (СОВ) 6_i, выполненного в соответствии с изложенным в [Cеменов А.С. и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. М. Радио и связь, 1990. стр. 194; Акаев А.А. Майоров С.А. Оптические методы обработки информации, 1985. рис. 5.2, стр. 131] и состоящего из двух оптических связанных волноводов, входом первого из которых является выход ответвления 5_i1, входом второго выход ответвления 2_2i. Выход узла СОВ 6 является одновременно входом ответвления 8_i. Следует при этом отметить, что вместо узла СОВ в качестве элемента 6_i может быть использован ОБЭ с соответствующим порогом. Фазовый модулятор 7_i обеспечивает постоянный сдвиг фазы входного светового потока, равный π, и может быть выполнен, например, в виде оптической пластины постоянной толщины.

ОБЭ может быть выполнен, например, в виде трансфазора или какого-либо другого бистабильного элемента, имеющего два устойчивых состояния, в которых наблюдается или полное пропускание входного оптического сигнала (при интенсивности большей порога срабатывания) или его отражение [Cеменов А.С. и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. М. Радио и связь, 1990 г.

Выход источника излучения 1 подключен ко входу входного оптического разветвителя, выход первого ответвления 2₁ которого подключен к информационному входу оптического модулятора 3, управляющий вход которого объединен со входом устройства. Второе ответвление 2₂ разветвляется на N ответвлений 2₂₁, 2_2N, выходы которых подключены ко вторым входам соответствующих узлов СОВ 6₁,6_N. Выход модулятора 3 подключен ко входу ответвления 3_N+1, выход которого подключен ко входу ОБЭ 4_N. Вход каждого ОБЭ 4_i в качестве выхода ОБЭ по отраженному потоку подключен ко входу ответвления 3_i, выход которого подключен ко входу ОБЭ 4_i-1 за исключением выхода ответвления 3₁, подключенного к выходу АЦП 10₀. Выход ОБЭ 4_i подключен ко входу пары разветвляющихся ответвлений 5_i1, 5_i2. Выход ответвления 5_i1 подключен к первому входу узла СОВ 6_i, выход которого через ответвление 8_i подключен ко входу фазового модулятора 7_i. Выход фазового модулятора 7_i подключен ко входу пары разветвляющихся ответвлений 8_i1, 8_i2. Выход ответвления 8_i2 объединен с выходом ответвления 5_i2 и подключен ко входу ответвления 9_i, выход которого объединен с выходом ответвления 3_i, а выход ответвления 8_i1 подключен к выходу АЦП для i-го разряда 10_i. Выходы 10₀,10_N образуют (Т<1) - разрядный выход АЦП.

Работа АЦП организована следующим образом.

С выхода источника когерентного излучения 1 снимается световой поток интенсивностью 2 ^2N+3 условных единиц, который далее разветвляется на два в ответвлениях 2₁, 2₂ входного разветвителя. По ответвлению 2₂ световой поток интенсивностью 2_2N+2 усл. ед. поступает на входы ответвлений 2_2N, 2_2(N-1), 2₂₁, последовательно разветвляясь на 2 в ответвлениях 2_2i и ослабляясь по интенсивности в 2 раза на участках между ними (подобное уменьшение светового потока достигается или его дополнительным разветвлением на 2. На фиг. 1 такие возможные дополнительные ответвления показаны пунктиром или обеспечением соответствующего (=2) коэффициента затухания участка между ответвлениями 2_2i и 2_2(i-1)). При этом на входы ответвлений 2_2i (и далее на входы СОВ 6_i) поступают световые потоки с интенсивностями 2_2i+1 усл.ед. (амплитудами 2^i+0,5). Одновременно по ответвлению 2₁ световой поток поступает на информационный вход оптического амплитудного модулятора 3, на управляющий вход которого поступает аналоговый сигнал А, подлежащий кодированию. С выхода модулятора 3 на вход ОБЭ 4_N по ответвлению 3_N+1 поступает световой поток с амплитудой, пропорциональной А. Так как порог срабатывания ОБЭ 4_N по амплитуде равен 2^N, то данный входной световой поток пройдет через ОБЭ 4_N на вход ответвления 5_N2 при условии A≥2^N и, отразившись от ОБЭ 4_N, поступит на вход ответвления 3_N, если А<2. При поступлении оптического сигнала на вход ответвления 5_N2 световой поток поступает далее на вход ответвления 9_N и на вход ответвления 5_N1, образующего с ответвлением 2_2N узел СОВ 6_N. Конструктивные параметры (диаметр сечения, коэффициент отражения и пр.) ответвления 5_N1 выбираются таким образом, чтобы обеспечить ответвление n-й части потока А, минимально необходимой для гарантированного переключения потока из ответвления 2_2N на вход ответвления 8_N. При появлении сигнала в ответвлении 5_N1 световой поток амплитуды из ответвления 2_2N поступает на вход ответвления 8_N и далее на вход фазового модулятора 7_N, осуществляющего сдвиг фазы потока на π. Выходной поток фазового модулятора 7_N разветвляется в ответвлениях 8_N1, 8_N2 на два потока, имеющих амплитуды и поступающих на выход устройства для старшего (N-го) разряда 10_N и на вход ответвления 9_N.

Таким образом, появление оптического сигнала на входе ответвления 5_N2 приводит к появлению сигнала на выходе N-го разряда АЦП и появлению в ответвлении 9_N двух световых потоков с амплитудами , сдвинутых по фазе друг относительно друга на π. Подобный сдвиг фазы обеспечивает при интерференции данных потоков на входе следующего ОБЭ 4<N-1> амплитуду результирующего потока, равную Для обеспечения точного формирования последующих младших разрядов выходного кода АЦП должно выполняться равенство k=1, которого можно добиться или подбором параметров узла СОВ 6_N, обеспечивающих условие , или использованием в качестве ответвления 5_N2 активного волокна, обеспечивающего усиление амплитуды потока в раз. (В случае необходимости обеспечения на выходах АЦП равной интенсивности кодовых сигналов достаточно обеспечить соответствующие коэффициенты затухания ответвлений 8_N1,8₁₁). Сигнал с выхода ответвления 9_N поступает в ответвление 3_N, формируя далее на входе ОБЭ 4_N-1 (порог срабатывания которого по амплитуде равен 2_N-1) световой поток с амплитудой, пропорциональной (А-2_N.

Работа устройства для данного, (N-1)-го и остальных младших разрядов АЦП аналогична вышеизложенной для N-го разряда, что позволяет сформировать двоичный код числа А на выходе АЦП (выходах ответвлений 8_N1-8₁₁) в соответствии с принципом двоичного кодирования аналоговых сигналов. Т.к. в соответствии с данным принципом на входе младшего (нулевого) разряда т.е. на выходе ответвления 3₁, может быть сформирован только нулевой или единичный сигнал, являющийся одновременно значением последнего кодового разряда, то световой поток с выхода ответвления 3₁ поступает непосредственно на выход 10₀ нулевой разряд выхода АЦП. Появление оптического сигнала на выходе 10₀ завершает процесс формирования искомого кода числа А, время которого по существу определяется временем прохождении светового потока с выхода ответвления 3_N+1 до выхода 10₀ и очень мало даже для большого числа разрядов АЦП.

Формула изобретения

Оптический аналого-цифровой преобразователь, содержащий оптические волноводы, источник когерентного излучения, модуляторы, установленные в каждом разряде, за исключением младшего разряда преобразователя, и оптически связанные с источником посредством волноводов, отличающийся тем, что преобразователь содержит входной оптический разветвитель, состоящий из двух ответвлений, и оптический модулятор, при этом в каждом разряде, за исключением младшего разряда преобразователя, установлены оптический бистабильный элемент, узел связанных оптических волноводов и размещены оптические разветвители первой, второй и четвертой групп, а модуляторы, установленные в разрядах, представляют собой фазовые модуляторы, при этом выход источники когерентного излучения подключен к входу входного оптического разветвителя, состоящего из двух ответвлений, выход первого ответвления входного оптического разветвителя через оптический модулятор, управляющий вход которого является входом устройства, и (N + 1)-е ответвление первой группы ответвлений подключен к входу оптического бистабильного элемента старшего разряда преобразователя, выход оптического бистабильного элемента каждого разряда подключен к входу соответствующей пары разветвляющих ответвлений второй группы, выход первого из которых подключен к первому входу узла связанных оптических волноводов, второй вход узла соединен с выходом соответствующего ответвления, являющегося одним из разветвлений второго ответвления входного оптического разветвителя, а выход узла связанных оптических волноводов подключен к входу фазового модулятора, выход которого подключен к входу пары разветвляющихся ответвлений третьей группы, одно из которых объединено по выходу с вторым ответвлением второй группы и подключено для каждого разряда преобразователя к входу ответвления четвертой группы, объединенного по выходу с соответствующим ответвлением первой группы, вход которого оптически связан с выходом оптического бистабильного элемента данного разряда по отраженному потоку, а выход подключен к входу оптического бистабильного элемента следующего разряда, за исключением первого ответвления первой группы, выход которого подключен к выходу преобразователя для младшего разряда, а выходы преобразователя для остальных разрядов соединены с выходами первых ответвлений третьей группы соответствующего разряда преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1