Оптическая вычислительная машина

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации. Техническим результатом является повышение быстродействия. Устройство содержит оптический объединитель, оптический ответвитель, содержащий группу М входных оптических ответвлений, основное оптическое ответвление, два кодообразующих оптических ответвления и оптическое ответвление обратной связи, оптический усилитель и оптический бистабильный элемент. 1 ил.

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

Известны линейные последовательностные машины (ЛПМ), обеспечивающие формирование периодических кодовых последовательностей максимальной длины (т. н. М-последовательностей) по поступлении на их вход двоичного М-разрядного кода [Р. Г. Фараджев. Линейные последовательностные машины. - М. : Сов. радио, 1974] . Недостатком данных ЛПМ является низкое быстродействие, что при больших значениях М приводит к невозможности их использования.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический функциональный преобразователь, содержащий оптический объединитель [патент РФ N 2134900, 1999 г. , G 06 E 3/00] . Недостатком данного устройства является невозможность функционального преобразования М-разрядного двоичного кода в периодическую кодовую последовательность максимальной длины.

Заявленное устройство направлено на решение задачи формирования М-последовательностей при произвольных значениях М с быстродействием, потенциально возможным для оптических переключательных схем.

Поставленная задача возникает при разработке и создании чисто оптических вычислительных машин, обеспечивающих обработку информации в гигагерцовом диапазоне.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены оптический ответвитель, содержащий группу М входных оптических ответвлений, основное оптическое ответвление, два кодообразующих оптических ответвления и оптическое ответвление обратной связи; оптический усилитель и оптический бистабильный элемент, входы устройства объединены со входами группы входных оптических ответвлений оптического ответвителя, выходы которых подключены к его основному оптическому ответвлению на равном расстоянии друг от друга, вход первого кодообразующего оптического ответвления оптического ответвителя расположен на участке его основного оптического ответвления между входными оптическими ответвлениями, номера которых определяются максимальной длиной выходного кода устройства (М-последовательности), при этом на данном участке после входа первого кодообразующего оптического ответвления расположен также оптический усилитель, выход первого кодообразующего оптического ответвления оптического ответвителя подключен ко входу первого оптического ответвления оптического объединителя, вход второго оптического ответвления которого соединен с выходом второго кодообразующего оптического ответвления оптического ответвителя, вход которого соединен с основным оптическим ответвлением оптического ответвителя на его участке после последнего входного оптического ответвления оптического ответвителя, а выход оптического объединителя подключен ко входу оптического бистабильного элемента, прямой выход которого является поглощающим, а инверсный подключен ко входу оптического ответвления обратной связи оптического ответвителя, выход которого подключен ко входу основного оптического ответвления оптического ответвителя, выход которого является выходом устройства.

Формирование М-последовательности обеспечивается последовательным (на каждом шаге работы устройства) суммированием по модулю 2 последнего (М-го) кодового разряда и некоторого N-го, номер которого определяется из условия обеспечения максимальной длины выходной последовательности [Р. Г. Фараджев. Линейные последовательностные машины. - М. : Сов. радио, 1974] , с последующим сдвигом текущего кода и заменой первого кодового разряда на результат суммирования.

Сущность устройства поясняется чертежом, где представлена функциональная схема оптической линейной последовательностной машины (ОЛПМ). Устройство состоит из оптического ответвителя 1, содержащего группу М входных оптических ответвлений 1₁, основное оптическое ответвление 1₂, два кодообразующих оптических ответвления 1₃, 1₄, оптическое ответвление обратной связи (ОООС) 1₅; оптического усилителя (ОУ) 2, оптического объединителя 3 с оптическими ответвлениями 3₁, 3₂; оптического бистабильного элемента (ОБЭ) 4.

Далее под ОБЭ понимается оптическая схема, имеющая пороговую статическую характеристику, оптический вход и два оптических выхода - для прямого и "отраженного" световых потоков (т. н. инверсный выход - при интенсивности оптического сигнала меньше пороговой). Схема организации таких выходов зависит от типа ОБЭ - если это трансфазор, то инверсный выход формируется за счет выбора соответствующего угла падения входного потока к поверхности трансфазора [Акаев А. А. , Майоров С. А. Оптические методы обработки информации. - М. : ВШ, 1988 г. , с. 176, 181] ; если это гибридное бистабильное устройство безрезонаторного типа [Семенов А. С. и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М. : Радио и связь, 1990 г. , с. 189, рисунок 7.14] , то организация инверсного выхода осуществляется путем отвода большей части входного потока фотодетектора на инверсный выход и т. д.

Входы устройства объединены со входами группы М входных оптических ответвлений 1₁, выходы которых подключены к основному оптическому ответвлению 1₂ на одинаковом расстоянии друг от друга. На участке основного ответвления 1₂ между N-м и (N+1)-M входными оптическими ответвлениями группы 1₁ от основного оптического ответвления 1₂ ответвляется первое кодообразующее оптическое ответвление 1₃, выход которого подключен ко входу первого оптического ответвления 3₁ оптического объединителя 3. Участок основного ответвления 1₂ между оптическим ответвлением 1₃ и (N+1)-м входным оптическим ответвлением группы 1₁ содержит оптический усилительный тракт (например, в виде активного оптического волновода), представленный на чертеже, как ОУ 2. На выходном участке основного оптического ответвления 1₂ - после М-го входного оптического ответвления группы 1₁, от него ответвляется второе кодообразующее оптическое ответвление 1₄, выход которого подключен ко входу второго оптического ответвления 3₂ оптического объединителя 3. Выход оптического объединителя 3 подключен ко входу ОБЭ 4, прямой выход которого является поглощающим, а инверсный подключен ко входу ОООС 1₅, выход которого подключен ко входу основного оптического ответвления 1₂. Выход основного оптического ответвления 1₂ является выходом устройства.

Устройство обеспечивает формирование кодовой М-последовательности по заданному входному коду и работает следующим образом. М-разрядный параллельный начальный двоичный код со входа устройства поступает в виде оптических импульсов интенсивности 2 усл. ед. на М входных оптических ответвлений 1₁ оптического ответвителя 1, откуда далее попадает в основное оптическое ответвление 1₂. В оптическом ответвлении 1₂ оптическая кодовая последовательность перемещается к выходу устройства - то есть осуществляется ее последовательный непрерывный сдвиг вправо. При прохождении первого кодообразующего оптического ответвления 1₃ очередным кодовым импульсом, соответствующим N-му разряду находящегося в основном оптическом ответвлении 1₂ кода, происходит разветвление оптического потока - оптические импульсы интенсивности 1 усл. ед. поступают на вход ОУ 2 и через оптическое ответвление 1₃ - на вход первого оптического ответвления 3₁ оптического объединителя 3. ОУ 2 обеспечивает восстановление интенсивности оптических импульсов, поступающих по основному оптическому ответвлению 1₂ на выход устройства, до 2 усл. ед.

На выходе устройства вновь происходит разветвление оптического потока - кодовые импульсы интенсивности 1 усл. ед. поступают на выход устройства, формируя требуемую М-последовательность, и по второму кодообразующему оптическому ответвлению 1₄ - на вход второго оптического ответвления 3₂ оптического объединителя 3. С выхода оптического объединителя 3 оптический сигнал поступает на вход ОБЭ 4. В ОБЭ 4 осуществляется суммирование кодовых разрядов (N-го и последнего) по модулю 2: при наличии оптических импульсов интенсивности 1 усл. ед. в оптических ответвлениях 3₁ и 3₂ на входе ОБЭ 4 формируется оптический сигнал интенсивности 2 усл. ед. , превышающей его порог срабатывания. В этом случае ОБЭ 4 срабатывает - появляется сигнал на его прямом выходе, где поглощается (на используемом далее инверсном выходе - нулевой сигнал, то есть 1+1= 0). При отсутствии импульсов в обоих оптических ответвлениях (нулевой сигнал на входе ОБЭ 4) или одном из них (единичный сигнал на входе ОБЭ 4), интенсивность входного сигнала оказывается меньше порога срабатывания ОБЭ - данный сигнал проходит на инверсный выход ОБЭ 4 (т. е. 0+0 = 0, 0+1 = 1, 1+0 = 1). Т. е. на входе ОООС 1₅ формируется в соответствии с известным алгоритмом [Р. Г. Фараджев. Линейные последовательностные машины. - М. : Сов. радио, 1974] очередной кодовый оптический импульс М-последовательности, который по ОООС 1₅ поступает на вход основного оптического ответвления 1₂ и далее - на выход ОЛПМ.

Таким образом, на выходе устройства формируется искомый код М-последовательности с быстродействием, определяемым лишь временем срабатывания ОБЭ 4 (10^-10-10^-12 с), т. е. , по существу, потенциально возможным для оптических переключательных схем.

Дополнительным преимуществом рассмотренного устройства является простота конструкции, позволяющая реализовать его в виде интегральной волноводно-оптической схемы и решить, тем самым, задачу микроминиатюризации.

Формула изобретения

Оптическая вычислительная машина, содержащая оптический объединитель, отличающаяся тем, что в устройство введены оптический ответвитель, содержащий группу М входных оптических ответвлений, основное оптическое ответвление, два кодообразующих оптических ответвления и оптическое ответвление обратной связи, оптический усилитель и оптический бистабильный элемент, входы устройства объединены со входами группы входных оптических ответвлений оптического ответвителя, выходы которых подключены к его основному оптическому ответвлению на равном расстоянии друг от друга, вход первого кодообразующего оптического ответвления оптического ответвителя расположен на участке его основного оптического ответвления между N-м и (N+1)-м входными оптическими ответвлениями, где значение N определяется из условия обеспечения максимальной длины выходной последовательности, при этом на данном участке после входа первого кодообразующего оптического ответвления расположен также оптический усилитель, выход первого кодообразующего оптического ответвления оптического ответвителя подключен ко входу первого оптического ответвления оптического объединителя, вход второго оптического ответвления которого соединен с выходом второго кодообразующего оптического ответвления оптического ответвителя, вход которого соединен с основным оптическим ответвлением оптического ответвителя на его участке после последнего входного оптического ответвления оптического ответвителя, а выход оптического объединителя подключен ко входу оптического бистабильного элемента, прямой выход которого является поглощающим, а инверсный подключен ко входу оптического ответвления обратной связи оптического ответвителя, выход которого подключен ко входу основного оптического ответвления оптического ответвителя, выход которого является выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1