Оптический аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации. Техническим результатом является повышение быстродействия. Преобразователь содержит оптический бистабильный элемент, оптический генератор тактовых импульсов, оптический объединитель, два оптических волновода, группу оптических Y-разветвителей, оптический двоичный счетчик, оптический усилитель, оптический цифроаналоговый преобразователь, оптический компаратор, оптический Y-разветвитель обратной связи и оптический элемент задержки. 1 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 оптический бистабильный элемент 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 позиционный двоичный код, низкое общее быстродействие АЦП, обусловленное необходимостью использования в оконечном каскаде электронных элементов (фотодетектора, усилителя, компаратора) с суммарным временем срабатывания ≥10^-6 с.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи цифрового преобразования в позиционный 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 оптический генератор тактовых импульсов, оптический объединитель, два оптических волновода, группа оптических Y-разветвителей, оптический двоичный счетчик, оптический усилитель, оптический цифроаналоговый преобразователь, оптический компаратор, оптический Y-разветвитель обратной связи и оптический элемент задержки, выход оптического генератора тактовых импульсов подключен ко входу первого оптического ответвления оптического объединителя, выход которого подключен ко входу оптического бистабильного элемента, прямой выход которого является поглощающим, а инверсный выход подключен ко входу первого оптического волновода, выход которого подключен к счетному входу оптического двоичного счетчика, выход каждого разряда которого подключен ко входу соответствующего оптического Y-разветвителя группы оптических Y-разветвителей, выходы первых оптических разветвлений которых являются информационными выходами АЦП, а выходы вторых оптических разветвлений подключены к соответствующим входам оптического усилителя, выходы оптического усилителя подключены к соответствующим входам оптического аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу оптического компаратора, второй вход которого объединен со входом устройства, а выход подключен ко входу оптического Y-разветвителя обратной связи, выход второго оптического разветвления которого подключен ко входу второго оптического ответвления оптического объединителя, а выход первого - ко входу оптического элемента задержки, выход которого подключен ко входу второго оптического волновода, выход которого подключен ко входу сброса оптического двоичного счетчика.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана функциональная схема АЦП.

АЦП содержит оптический генератор тактовых импульсов (ОГИ) 1, оптический объединитель 2 с оптическими ответвлениями 2₁, 2₂, оптический бистабильный элемент (ОБЭ) 3, оптические волноводы 4₁, 4₂, оптический двоичный счетчик (ОДС) 5, группу N оптических Y-разветвителей 6, N- канальный оптический усилитель (ОУ) 7, оптический цифроаналоговый преобразователь 8 (ОЦАП), оптический компаратор (ОКм) 9, оптический Y-разветвитель обратной связи 10, оптический элемент задержки (ОЭЗ) 11.

В качестве ОГИ 1 может быть использован, например, ОГИ, выполненный аналогично устройству, описанному в патенте РФ N 2082212, 1997 г.

В качестве ОБЭ 3 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 информации. - М. Радио и связь, 1990. - рис. 7.14, стр. 189], имеющее пороговую 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.).

ОДС 5 может быть выполнен аналогично устройству, описанному в заявке N 961 04894, БИ N 17, 1998 г., с. 95, G 06 E 3/00.

ОУ 7 представляет собой N независимых параллельных оптических усилителей.

Оптический цифроаналоговый преобразователь 8 может быть выполнен аналогично устройству, описанному в патенте РФ N 2020550, 1994 г.

ОКм 9 может быть выполнен аналогично устройству, описанному в патенте РФ N 2020551, 1994 г., при аналого-цифровом преобразовании оптического сигнала, или же аналогично устройству, описанному в патенте РФ N 2106063, 1998 г., при аналого-цифровом преобразовании электрического сигнала.

ОЭЗ 11 может быть выполнен в виде оптического волновода постоянной длины L=С •τ_ОЭЗ, где С - скорость света, τ_ОЭЗ - требуемое время задержки.

Выход ОГИ 1 подключен ко входу первого оптического ответвления 2₁ оптического объединителя 2, выход которого подключен ко входу ОБЭ 3. При этом прямой выход ОБЭ 3 является поглощающим, а его инверсный выход подключен ко входу первого оптического волновода 4₁, выход которого подключен к счетному входу ОДС 5. Выход каждого из N разрядов ОДС 5 подключен ко входу соответствующего оптического Y-разветвителя группы N оптических Y-разветвителей 6, выходы первых оптических разветвлений которых являются информационными выходами АЦП, а выходы вторых оптических разветвлений подключены к соответствующим входам N- разрядного ОУ 7. N выходов ОУ 7 подключены к соответствующим N входам ОАЦП 8, выход которого (выход его последнего разветвления, остальные выходы являются поглощающими) подключен к первому входу ОКм 9, второй вход которого объединен со входом устройства. Выход ОКм 9 подключен ко входу оптического Y-разветвителя обратной связи 10, выход первого оптического разветвления которого подключен ко входу ОЭЗ 11, выход второго - ко входу второго оптического ответвления 2₂ оптического объединителя 2. Выход ОЭЗ 11 подключен ко входу второго оптического волновода 4₂, выход которого подключен ко входу сброса ОДС 5.

Представленный оптический АЦП обеспечивает преобразование входного аналогового сигнала Φ в N-разрядный стандартный позиционный двоичный код {p₁,... , p_N} следующим образом. Тактовые импульсы ОГИ 1 для возможности управления процессом счета по волноводному тракту: "вход первого оптического ответвления 2₁ оптического объединителя 2, вход - инверсный выход ОБЭ 3 (играющего в данном случае роль волноводного переключателя), первый оптический волновод 4₁'', поступают на счетный вход ОДС 5. Формирование двоичного кода, соответствующего числу тактовых импульсов, происходит в ОДС 5 аналогично описанному в заявке N 961 04894, БИ N 17, 1998 г., с. 95, G 06 E 3/00. Непрерывно изменяющийся код поступает с выходов N разрядов ОДС 5 по оптическим разветвлениям оптических Y- разветвлений 6₁,...,6_N непосредственно на выход АЦП и на N входов ОУ 7 для усиления оптических сигналов на входе ОЦДП 8, необходимого для правильного функционирования ОЦАП 8 (работа ОЦАП 8 описана в патенте РФ N 2020550, 1994 г.). ОЦАП 8 обеспечивает на выходе формирование значения аналогового сигнала, соответствующего входному двоичному коду. Выходной сигнал ОЦАП 8 S - {p₁,...,p_N} поступает на первый вход ОКм 9, на второй вход которого подается преобразуемый сигнал Φ. В данном случае в ОКм 9 задействуется только выход, на котором формируется сигнал сравнения, соответствующий случаю S ≥ Φ, поэтому пока идет накопление счетных импульсов в ОДС 5 и S < Φ, сигнал на выходе ОКм 9 отсутствует. По достижении уровня S ≥ Φ (точность соответствия S и Φ определяется ценой младшего разряда ОДС 5) с выхода ОКм 9 снимается сигнал, который поступает на вход оптического Y-разветвителя обратной связи 10 и далее - на вход ОЭЗ 11, а также на вход второго оптического ответвления 2₂ оптического объединителя 2 и на вход ОБЭ 3. При поступлении данного сигнала на вход ОБЭ 3 происходит его срабатывание и тактовые импульсы проходят уже не на инверсный выход ОБЭ 3, первый оптический волновод 4₁ и вход ОДС 5, а на прямой выход ОБЭ 3, где поглощаются - накопление импульсов в ОДС 5 прекращается. На выходе ОДС 5 и, следовательно, АЦП формируется позиционный двоичный код {p₁,...,p_N}, являющийся двоичным аналогом преобразуемого сигнала Φ. Через некоторое время τ_ОЭЗ, определяемое параметрами ОЭЗ 11, выбираемыми из условий необходимого времени сохранения кода на выходе АЦП и суммарного времени срабатывания ОБЭ 3 и ОДС 5, сигнал, поступающий с выхода ОКм 9 на вход сброса ОДС 5, обнуляет выход его и АЦП - сигнал на выходе ОКм 9 исчезает, процесс преобразования возобновляется аналогично вышеизложенному.

Так как время срабатывания существующих ОБЭ равно ~10^-11 - 10^-12 с, а частота тактовых импульсов ОГИ 1 находится в гигагерцовом диапазоне, то с учетом быстродействия всех элементов АЦП (из которых ОДС 5 обладает наименьшим быстродействием) можно сделать вывод о реальности аналого-цифрового преобразования в данном случае, например, для N = 16 с частотой не ниже 1 МГц, что существенно превосходит возможности существующих электронных и оптоэлектронных аналогов.

Формула изобретения

Оптический аналого-цифровой преобразователь, содержащий оптический бистабильный элемент, отличающийся тем, что в оптический аналого-цифровой преобразователь введены оптический генератор тактовых импульсов, оптический объединитель, два оптических волновода, группа оптических Y-разветвителей, оптический двоичный счетчик, оптический усилитель, оптический цифроаналоговый преобразователь, оптический компаратор, оптический Y-разветвитель обратной связи и оптический элемент задержки, выход оптического генератора тактовых импульсов подключен ко входу первого оптического ответвления оптического объединителя, выход которого подключен ко входу оптического бистабильного элемента, прямой выход которого является поглощающим, а инверсный выход подключен ко входу первого оптического волновода, выход которого подключен к счетному входу оптического двоичного счетчика, выход каждого разряда которого подключен ко входу соответствующего оптического Y-разветвителя группы оптических Y-разветвителей, выходы первых оптических разветвлений которых являются информационными выходами оптического аналого-цифрового преобразователя, а выходы вторых оптических разветвлений подключены к соответствующим входам оптического усилителя, выходы оптического усилителя подключены к соответствующим входам оптического аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу оптического компаратора, второй вход которого объединен со входом оптического аналого-цифрового преобразователя, а выход подключен ко входу оптического Y-разветвителя обратной связи, выход второго оптического разветвления которого подключен ко входу второго оптического ответвления оптического объединителя, а выход первого - ко входу оптического элемента задержки, выход которого подключен ко входу второго оптического волновода, выход которого подключен ко входу сброса оптического двоичного счетчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1