Оптический аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при создании вычислительных систем. Техническим результатом является повышение быстродействия устройства. Преобразователь содержит источник излучения, разветвители с разветвлениями, ответвители, оптические бистабильные элементы и оптический компаратор. 2 ил.

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании чисто оптических устройств обработки информации и вычислительной техники.

Известны различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), обеспечивающие преобразование аналогового сигнала в двоичный код, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983]. Недостатками данных АЦП являются низкое быстродействие, уменьшающееся с ростом разрядности АЦП, и большая сложность.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является АЦП на основе волноводных модуляторов типа Маха-Цендера [Семенов А. С. и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М. : Радио и связь, 1990. - 176 с., рис. 7, 6], содержащий источник опорного излучения, входной оптический разветвитель, оптические бистабильные элементы (волноводные модуляторы Маха-Цендера) и обеспечивающий преобразование электрического входного сигнала в код Грея. Недостатками данного АЦП являются: невозможность обеспечения аналого-цифрового преобразования оптических сигналов; невозможность преобразования входного аналогового сигнала в стандартный двоичный код, низкое общее быстродействие АЦП, обусловленное необходимостью использования в оконечном каскаде электронных элементов (фотодетектор, усилитель, компаратор) с суммарным временем срабатывания ≥10^-6 с.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи цифрового преобразования в стандартный двоичный код как электрических, так и оптических аналоговых сигналов, с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации.

Поставленная задача возникает при создании быстродействующих устройств обработки информации в системах управления и связи.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены три группы и два отдельных оптических бистабильных элемента, три группы и отдельные оптические разветвители, четыре группы оптических ответвлений, группа оптических линий задержки и оптический компаратор, содержащий два дефлектора света, коллимирующую линзу, прямоугольную призму и три выходных разветвителя, управляющие входы обоих дефлекторов являются входами компаратора, информационный вход первого дефлектора соединен с источником постоянного коллимированного одномерного светового потока, а выход оптически связан через нижнюю полуплоскость линзы и отражающую грань призмы с верхней полуплоскостью информационного входа второго дефлектора, оптический центр выхода которого оптически связан со входом второго выходного разветвителя, обе полуплоскости выхода - со входами первого и третьего, а выходы выходных разветвителей являются выходами оптического компаратора, выход источника излучения через разветвления входного оптического разветвителя подключен к входам первого и второго оптических бистабильных элементов, прямые выходы которых являются поглощающими, а инверсный выход первого бистабильного элемента подключен к входу оптического разветвителя, представляющего собой разветвление, последовательно попарно делящееся на разветвления, выходы которых подключены к входам бистабильных элементов первой группы, прямые выходы которых являются поглощающими, а инверсные через соответствующие ответвления первой группы подключены к входам бистабильных элементов второй группы, выходы которых через разветвления оптических разветвителей первой группы подключены непосредственно к входу соответствующего выходного ответвления, выход которого является выходом устройства для соответствующего разряда двоичного кода, и первому входу оптического компаратора, а через оптические линии задержки - к входам бистабильных элементов третьей группы (за исключением линии задержки канала нулевого разряда, выход которой через управляющие разветвления подключен к входам первого и второго бистабильных элементов устройства), при этом вход бистабильного элемента канала старшего разряда соединен с инверсным выходом второго бистабильного элемента устройства, прямой выход каждого бистабильного элемента третьей группы через ответвление второй группы подключен к входу бистабильного элемента канала следующего младшего разряда (кроме выхода бистабильного элемента канала первого разряда, подключенного через ответвление второй группы к входу разветвителя третьей группы в канале нулевого разряда), а инверсный выход подключен к входу разветвителя третьей группы этого же канала, выходы разветвлений которого подключены к входам двух бистабильных элементов четвертой группы данного канала, при этом выход первого бистабильного элемента подключен через первое ответвление четвертой группы к входу бистабильного элемента второй группы этого канала, а выход второго бистабильного элемента через второе ответвление - к входу бистабильного элемента первой группы, причем входы всех вторых бистабильных элементов пар четвертой группы соединены с выходами разветвлений второго разветвителя второй группы, вход которого соединен с третьим выходом оптического компаратора, а входы всех первых бистабильных элементов четвертой группы соединены с выходами разветвлений первого разветвителя второй группы, вход которого соединен с первым выходом оптического компаратора.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где показана функциональная схема АЦП, и фиг. 2, где приведен вариант исполнения функциональной схемы оптического компаратора.

АЦП содержит источник постоянного излучения 1, входной оптический разветвитель с разветвлениями 1₁, 1₂, первый оптический бистабильный элемент (ОБЭ)2, оптический разветвитель 3 с разветвлениями 3₀,...,3_N, три группы ОБЭ по (N + 1) и N элементов в каждой: 4_i0,...4_iN, i = 1, 2, 4₃₁,...,4_3N; первую группу из (N + 1) оптических ответвлений 5₀,...5_N, первую группу из (N + 1) оптических разветвителей 6₀,...,6_N с двумя разветвлениями 6_1i, 6_2i; выходные ответвления 7₀,...,7_N, группу из (N + 1) оптических линий задержки (ОЛЗ) 8₀, . . . , 8_N; оптический компаратор 9, вторую группу оптических разветвителей, состоящую из двух оптических разветвителей 9₁₀, 9₂₀ с (N + 1) разветвлениями в каждом, второй ОБЭ 10, управляющее парное разветвление 11, третью группу из (N + 1) оптических разветвителей 12₀,...,12_N с двумя разветвлениями 12_1i, 12_2i; вторую группу из N оптических ответвлений 13₁,...13_N; четвертую группу из (N + 1) пар ОБЭ 14_i1, 14_i2, третью группу из (N + 1) пар оптических ответвлений 15_1i, 15_2i, .

В качестве ОБЭ может быть использован, например, трансфазор [Акаев А.А., Майоров С. А. Оптические методы обработки информации. - М: ВШ, 1988] или другое оптическое бистабильное устройство [Семенов А.С., Смирнов В.Л., Шмалько А. В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М.: Радио и связь, 1990. - рис. 7.14, стр. 189], имеющее пороговую или гистерезисную характеристику (там же, стр. 188). При этом под инверсным выходом ОБЭ понимается выход, на котором появляется сигнал при значении уровня входного сигнала меньше порогового, в трансфазоре это выход для отраженного потока, в связанных волноводах - выход входного волновода и т.д. В предложенном устройстве ОБЭ 4_ij имеют гистерезисную характеристику, ОБЭ 2, 10 и 14_ij ( j = 1, 2) - пороговую.

ОЛЗ 8_i может быть выполнена в виде оптического волокна постоянной длины L=C·τ_олз, где C - скорость света, τ_олз- требуемое время задержки.

Вариант исполнения функциональной схемы оптического компаратора (ОК) 9 приведен на фиг. 2. ОК содержит первый дефлектор 9₁, коллимирующую линзу 9₂, прямоугольную призму 9₃, второй дефлектор 9₄, три выходных разветвителя 9₅ - 9₇, выходы которых являются выходами ОК.

Дефлекторы могут быть выполнены на основе нелинейно-оптических кристаллов (в этом случае сравниваемые сигналы U, U₁ являются оптическими), использования акусто- или электрооптических эффектов и т.д. На фиг. 2 в качестве варианта исполнения дефлекторов приведена реализация дефлекторов 9₁, 9₄ в виде отражающих дефлекторов, управляемых электрическими сигналами [А.И. Ванюрихин, В.П. Герчановская. Оптико-электронные поляризационные устройства. - Киев: Техника, 1984. - рис. 36, стр. 76].

Управляющие входы дефлекторов 9₁, 9₄ являются входами ОК для сравниваемых сигналов U₁, U. Информационный вход дефлектора 9₁ соединен с источником коллимированного одномерного (точечного) светового потока I₀, а выход через нижнюю полуплоскость коллимирующей линзы 9₂ и оптически связанную с ней отражающую грань прямоугольной призмы 9₃ связан с верхней полуплоскостью информационного входа дефлектора 9₄. Верхняя полуплоскость выхода дефлектора 9₄ оптически связана с первым выходным разветвителем 9₅, центральная часть выхода - со вторым 9₆, нижняя полуплоскость выхода - с третьим 9₇.

Выход источника излучения 1 с помощью разветвлений 1₁, 1₂ входного разветвителя подключен к входам ОБЭ 10 и 2, прямые выходы которых являются поглощающими, а инверсный выход ОБЭ 2 подключен к входу оптического разветвителя 3, представляющего собой оптическое разветвление, последовательно попарно делящееся на (N + 1) разветвлений: 3₀,...,3_N. Выход разветвления 3_i подключен к входу ОБЭ первой группы 4_1i, прямой выход которого является поглощающим, а инверсный подключен к входу ответвления 5_i, выход которого подключен к входу ОБЭ второй группы 4_2i . Выход ОБЭ 4_2i подключен к входу оптического разветвителя первой группы 6_i, первое разветвление которого 6_1i объединено по выходу с первыми разветвителями 6_1j остальных разветвителей 6_j в разветвление 6, выход которого подключен к первому входу ОК 9. Выход второго разветвления 6_2i через ОЛЗ 8_i подключен к входу ОБЭ 4_3i, прямой выход которого через разветвление 13_i подключен к входу ОБЭ 4_3(i-1) (вход ОБЭ 4_3N соединен с инверсным выходом ОБЭ 10), а инверсный - к входу разветвителя 12_i (вход разветвителя 12₀ соединен непосредственно с выходом ответвления 13₁). Выходы его первого 12_1i и второго 12_2i разветвлений подключены к входам, соответственно, ОБЭ 14_i1 и 14_i2. Входы всех ОБЭ 14_ij соединены также с выходами соответствующих разветвлений разветвителей 9_i0, j = 1, 2, входы которых соединены с выходами ОК 9, второй вход которого является входом устройства U. Прямой выход ОБЭ 14_i1 через ответвление 15_1i подключен к входу ОБЭ 4_2i, а выход ОБЭ 14_i2 через ответвление 15_2i к входу ОБЭ 4_1i. Выход ОЛЗ 8₀ через управляющее разветвление 11 подключен к входам ОБЭ 2, 10. Выходы ответвлений 7₀, . ..,7_N, входы которых соединены с выходами соответствующих разветвлений 6₁₀,...,6_1N, являются выходами предложенного устройства.

Устройство, в основу функционирования которого положен принцип поразрядного кодирования аналогового сигнала, работает следующим образом. С выхода источника излучения 1 снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью I, пропорциональной: I = 2^N+1 + K усл(овных) ед(иниц), K - известная константа, который разветвляется на оптические сигналы интенсивности K усл. ед. и 2^N+1 усл. ед., поступающие по разветвлениям 1₁, 1₂ на входы, соответственно, ОБЭ 10 (порог срабатывания которого равен K + E) и ОБЭ 2, порог срабатывания A которого пропорционален: A = 2^N+1 + E, где E - известная величина. Т. к. I<A, то сигнал с выхода источника излучения 1 проходит на инверсный выход ОБЭ 2 (а входной сигнал ОБЭ 10, соответственно, на его инверсный выход) и далее - на вход разветвителя 3. В разветвлениях 3_j разветвителя 3 происходит последовательное попарное деление светового потока I так, что на выходе каждого разветвления 3_j формируется оптический сигнал с интенсивностью 2^j усл. ед., который поступает на вход ОБЭ 4_1j. Величина порога срабатывания ОБЭ 4_1j выбирается равной 2^j + E, E<<2, поэтому входной поток интенсивности 2^j усл. ед. проходит на инверсный выход ОБЭ 4_1j и по ответвлению 5_j - на вход ОБЭ 4^2j, порог срабатывания которого равен порогу ОБЭ 4_1j (т.е. без появления дополнительного сигнала с выхода ОБЭ 14_j1 сигнал на прямом выходе ОБЭ 4_2j отсутствует). Таким образом на выходах ОБЭ 4_2j, в исходном состоянии сформированы нулевые сигналы, которые, суммируясь в разветвлении 6, формируют на первом входе ОК 9 нулевой сигнал U₁. Следовательно, при появлении любого ненулевого сигнала U на втором входе ОК 9, на его первом выходе формируется сигнал-признак "Больше". ОК 9 функционирует при этом следующим образом.

Сравниваемые по амплитуде сигналы U₁, U поступают на управляющие входы дефлекторов 9₁, 9₄. Коллимированный световой пучок I₀, поступающий на информационный вход дефлектора 9₁, отклоняется на его выходе на угол, пропорциональный величине U₁, и поступает далее в нижнюю полуплоскость линзы 9₂. Расстояние светового потока на выходе линзы 9₂ от ее фокусной оси оказывается в этом случае пропорциональным углу отклонения потока на входе линзы 9₂ и, следовательно, U₁. Выходной поток линзы 9₂, параллельный ее фокусной оси, поступает на отражающую грань призмы 9₃ и далее - на информационный вход дефлектора 9₄. Ориентация призмы 9₃ относительно входа дефлектора 9₄ обеспечивает поступление светового потока с нижней точки линзы 9₂ (т.е. при максимально возможном значении U₁) на верхнюю точку плоскости информационного входа дефлектора 9₄, с центра линзы 9₂ (при U₁ = 0) - на среднюю точку входа дефлектора 9₄. При идентичности характеристик дефлекторов 9₁ и 9₄ (на фиг. 2 они условно показаны в разном масштабе для наглядности иллюстрации принципа действия устройства) поступление выходных сигналов дефлектора 9₁ в верхнюю полуплоскость входа дефлектора 9₄ определяет следующие положения световых потоков на выходе дефлектора 9₄: при U₁>U - в нижней полуплоскости выхода (отклонение луча за счет сигнала U оказывается меньше отклонения за счет U₁), при U₁ = U - в центре выхода (отклонение скомпенсировано), при U>U₁ - в верхней полуплоскости выхода. Оптические сигналы с выхода дефлектора 9₄ поступают на входы разветвлений следующих выходных разветвителей: с верхней полуплоскости выхода - на входы разветвителя 9₅, с центра - на вход 9₆, с нижней полуплоскости - на входы 9₇. Таким образом, оптические сигналы - признаки сравнения снимаются: при U>U₁ - с выхода разветвителя 9₅, при U = U₁ - с выхода 9₆, при U<U - с выхода 9₇.

Быстродействие данного ОК определяется, по существу, быстродействием одного дефлектора и при использовании, например, в качестве дефлекторов нелинейно-оптических кристаллов может достигать 10^-12 с. При поступлении с ОК 9 сигнала - признака "Больше", подаваемого по разветвлениям разветвителя 9₁₀ одновременно на входы всех ОБЭ 14_i1, и наличии на выходе ОБЭ 4_2N нулевого сигнала (в исходном состоянии) происходит следующее. На вход ОБЭ 4_3N поступает только постоянный сигнал с инверсного выхода ОБЭ 10, интенсивность которого меньше пороговой интенсивности ОБЭ 4_3N, но достаточна для поддержания существования выходного сигнала ОБЭ после его срабатывания за счет гистерезисного эффекта. Так как интенсивность входного сигнала ОБЭ 4_3N оказывается меньше пороговой, то выходной сигнал появляется на инверсном выходе ОБЭ 4_3N, поступая по разветвлениям 12_1N, 12_2N на входы ОБЭ 14_N1, 14_N2. Интенсивность сигналов на выходе данных разветвлений также меньше пороговой, поэтому срабатывает только ОБЭ 14_N1, на вход которого поступает еще и сигнал с выхода ОК 9. На выходе ОБЭ 14_N1 появляется оптический сигнал, поступающий по ответвлению 15_1N на вход ОБЭ 4_2N и приводящий к срабатыванию последнего. С выхода ОБЭ 4_2N световой поток проступает на вход разветвителя 6_N, где разветвляется следующим образом: световой поток с интенсивностью, пропорциональной 2^N усл. ед. поступает по разветвлению 6_1N на вход ОК 9, а поток с интенсивностью, обеспечивающей срабатывание (совместно с потоком с выхода ОБЭ 10) ОБЭ 4_3N, поступает на вход последнего по разветвлению 6_2N через ОЛЗ 8_N. Время задержки в ОЛЗ 8_i выбирается большим временем срабатывания ОК 9 для обеспечения возможности сравнения сигналов в ОК и выработки результирующих управляющих сигналов на выходах ОБЭ 14_i1, 14_i2 до момента переключения на следующий, (i - 1)-й, канал АЦП. В результате сравнения сигнала U с сигналом интенсивности 2^N усл. ед. на одном из выходов ОК 9 формируется сигнал-признак ">" или "<" - если U больше, то на входе разветвителя 9₁₀, если меньше, то на входе 9₂₀. При этом появление сигнала на входе ОБЭ 14_N1 не изменяет выходного сигнала ОБЭ 4_2N, а появление сигнала на входе ОБЭ 14_N2 (когда U<2) приводит к появлению сигнала на его выходе и далее к срабатыванию ОБЭ 4_1N. Тем самым исчезает сигнал на инверсном выходе ОБЭ 4_1N и, следовательно, на выходе ОБЭ 4_2N - сигнал с интенсивностью 2^N усл. ед. исключается из дальнейшего сравнения. Далее задержанный в ОЛЗ 8_N сигнал с выхода ОБЭ 4_2N приводит к срабатыванию ОБЭ 4_3N (сигнал на его инверсном выходе исчезает) - происходит переключение на (N - 1)-й канал АЦП путем подачи постоянного сигнала на вход ОБЭ 4_3(N-1) с выхода ОБЭ 4_3N (существование данного сигнала обеспечивается в течение всего последующего времени преобразования сигналом с выхода ОБЭ 10 и за счет гистерезисного эффекта) и обнуление выходов ОБЭ 14_N1, 14_N2 (дальнейшее существование выходных сигналов ОБЭ 4_1N или 4_2N (в зависимости от исхода сравнения) в течение всего времени преобразования также обеспечивается за счет гистерезисного эффекта). С момента поступления оптического сигнала на вход ОБЭ 4_3(N-1) начинается работа (N-1)-го канала АЦП аналогично изложенному выше для N-го канала (и т.д. до последнего, нулевого, канала, отличие которого от остальных состоит в отсутствии ОБЭ третьей группы в силу того, что данный канал является последним и его переключение совпадает с началом нового цикла работы АЦП). В результате работы j-го канала АЦП на выходе ответвления 6_1j формируется или нулевой сигнал, или сигнал с интенсивностью, пропорциональной 2^j усл. ед. (в зависимости от результата сравнения в ОК 9 суммы сигналов с выходов ответвлений 6_1N,...,6_1j со входным сигналом U). Тем самым окончание работы нулевого канала - формирование соответствующего сигнала на выходе ответвления 6₁₀ определяет завершение искомого преобразования аналогового сигнала U в двоичный код, который, в свою очередь, появляется на выходах ответвлений 7₀,...,7_N. (Приведение интенсивности выходного сигнала ответвления 7_j к некоторой заданной константе (например, 10^-2 усл. ед. ) легко обеспечивается выбором соответствующего коэффициента разветвления при конструктивном исполнении ответвления 7_j). По завершении работы нулевого канала на выходе ОЛЗ 8₀ появляется оптический сигнал, который по разветвлениям разветвителя 11 поступает на входы ОБЭ 2 и 10, приводя к их срабатыванию. При этом исчезают сигналы на инверсных выходах данных ОБЭ - все ОБЭ 4_ij, 14_ij переводятся в нулевое (исходное) состояние, сигнал на выходе ОЛЗ 8₀ исчезает - АЦП переходит в исходное состояние и начинает новый цикл преобразования аналогично вышеизложенному. Общее время одного цикла преобразования - (N+1)τ, где τ- время работы одного канала АЦП, верхнюю границу τ_s которого можно оценить как τ_s (τ_ОЛЗ+2τ_ОБЭ), τ_ОБЭ- время задержки ОБЭ. В свою очередь, устойчивая работа каждого канала АЦП обеспечивается при τ_ОЛЗ≥2τ_ОК+τ_ОБЭ (τ_ОК- время задержки ОК 9), следовательно τ_s=2τ_ОК+3τ_ОБЭ=2τ_ОК (т. к. время срабатывания ОК при использовании в его схеме нелинейно-оптических кристаллов - 10^-9 с, в то время как τ_ОБЭ=10^-10-10^-11c). Таким образом, общее время преобразования -2(N+1)τ_ОК= 2·10^-9(N+1), где (N + 1) - разрядность АЦП. Подобное быстродействие предложенного АЦП позволит производить обработку аналоговых сигналов в гигагерцовом диапазоне, являющимся перспективным для современных средств обработки информации.

Формула изобретения

Оптический аналого-цифровой преобразователь, содержащий источник излучения, входной оптический разветвитель, группу оптических бистабильных элементов, отличающийся тем, что в устройство введены три группы и два отдельных оптических бистабильных элементов, три группы и отдельные оптические разветвители, четыре группы оптических ответвлений, группа оптических линий задержки и оптический компаратор, содержащий два дефлектора света, коллимирующую линзу, прямоугольную призму и три выходных разветвителя оптического компаратора, управляющие входы обоих дефлекторов являются входами оптического компаратора, информационный вход первого дефлектора соединен с источником постоянного коллимированного одномерного светового потока, а выход оптически связан через нижнюю полуплоскость линзы и отражающую грань призмы с верхней полуплоскостью информационного входа второго дефлектора, оптический центр выхода которого оптически связан со входом второго выходного разветвителя оптического компаратора, обе полуплоскости выхода - со входами первого и третьего, а выходы выходных разветвителей оптического компаратора являются выходами оптического компаратора, выход источника излучения через разветвления входного оптического разветвителя подключен ко входам первого и второго оптических бистабильных элементов, прямые выходы которых являются поглощающими, а инверсный выход первого оптического бистабильного элемента подключен ко входу оптического разветвителя, представляющего собой оптическое разветвление, последовательно попарно делящееся на оптические разветвления, выходы которых подключены ко входам оптических бистабильных элементов первой группы, прямые выходы которых являются поглощающими, а инверсные через соответствующие оптические ответвления первой группы оптических ответвлений подключены ко входам оптических бистабильных элементов второй группы, выходы которых через оптические разветвления первой группы оптических разветвителей подключены непосредственно ко входу соответствующего выходного оптического ответвления, выход которого является выходом устройства для соответствующего разряда двоичного кода, и первому входу оптического компаратора, а через оптические линии задержки - ко входам оптических бистабильных элементов третьей группы, за исключением первой оптической линии задержки, выход которой через управляющий разветвитель подключен ко входам первого и второго оптических бистабильных элементов устройства, при этом вход оптического бистабильного элемента третьей группы соединен с инверсным выходом второго оптического бистабильного элемента устройства, прямой выход каждого i-го оптического бистабильного элемента третьей группы через оптическое ответвление второй группы оптических ответвлений подключен ко входу (i - 1)-го оптического бистабильного элемента третьей группы, кроме выхода первого оптического бистабильного элемента третьей группы, подключенного через оптическое ответвление второй группы ко входу первого оптического разветвителя третьей группы, а инверсный выход подключен ко входу одноименного оптического разветвителя третьей группы, выходы обоих оптических разветвлений которого подключены ко входу пары оптических бистабильных элементов, входящих в четвертую группу оптических бистабильных элементов, при этом выход первого оптического бистабильного элемента данной пары подключен через первое оптическое ответвление пары оптических ответвлений третьей группы ко входу оптического бистабильного элемента второй группы, а выход второго оптического бистабильного элемента этой же пары через второе оптическое ответвление пары оптических ответвлений третьей группы - ко входу оптического бистабильного элемента первой группы, причем входы всех вторых оптических бистабильных элементов каждой пары четвертой группы соединены с выходами оптических разветвлений второго оптического разветвителя второй группы, вход которого соединен с выходом оптического компаратора для сигнала-признака сравнения "Меньше", а входы всех оптических бистабильных элементов каждой пары четвертой группы соединены с выходами оптических разветвлений первого оптического разветвителя второй группы, вход которого соединен с выходом оптического компаратора для сигнала-признака сравнения "Больше".

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2