Оптический аналого-цифровой преобразователь

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность устройства заключается в формировании по входному оптическому сигналу Ф выходных оптических сигналов D₀,...,D_N, представляющих собой N-разрядный стандартный двоичный код {D₁,...,D_N}. Оптический АЦП содержит оптические объединители, оптический делитель, оптические линии задержки, оптически связанные волноводы, оптические Y-разветвители, оптический компаратор. Технический результат - изобретение направлено на решение задачи преобразования в позиционный двоичный код оптических аналоговых сигналов с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации. 1 ил.

 

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

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

Также известны АЦП, построенные 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], содержащие оптический бистабильный элемент и обеспечивающие преобразование электрического входного сигнала в код Грея. Недостатками данных 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.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналого-цифровой преобразователь, описанный в патенте РФ N 2177165, 2001 г. Время преобразования в данном АЦП прямо пропорционально его выходному коду и периоду следования импульсов. Недостатком данного АЦП является его низкое быстродействие.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи преобразования в позиционный двоичный код как электрических, так и оптических аналоговых сигналов на основе использования алгоритма весового кодирования 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 оптический аналого-цифровой преобразователь, содержащий оптический компаратор, оптический объединитель, оптические Y-разветвители, введены формирователь оптических импульсов, содержащий оптический объединитель, оптический делитель, оптическую линию задержки, оптически связанные волноводы, оптический Y-разветвитель, причем первый вход оптического объединителя является входом запуска цикла аналого-цифрового преобразования, выход оптического объединителя подключен к первому входу оптически связанных волноводов, второй вход и первый выход которых являются поглощающими, а второй выход подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого через последовательно соединенные оптическую линию задержки и оптический делитель подключен ко второму входу оптического объединителя, а второй выход оптического Y-разветвителя, являющийся выходом формирователя оптических импульсов, подключен к информационному входу оптического коммутатора импульсов, содержащего первый и второй оптические объединители, первые и вторые оптически связанные волноводы, при этом первый вход первого оптического объединителя является информационным входом, а выход его подключен к первому входу первых оптически связанных волноводов, первый вход второго оптического объединителя является управляющим входом, второй вход - входом постоянного оптического сигнала, а выход подключен к первому входу вторых оптически связанных волноводов, причем вторые входы и вторые выходы первых и вторых оптически связанных волноводов являются поглощающими, выход вторых оптически связанных волноводов подключен ко второму входу первого оптического объединителя, а первый выход первых оптически связанных волноводов является выходом оптического коммутатора импульсов, который подключен к информационному входу оптического управляемого интегратора, содержащего первый и второй оптические объединители, оптическую линию задержки, оптический Y-разветвитель, оптически связанные волноводы, информационным входом оптического управляемого интегратора является первый вход первого оптического объединителя, выход которого подключен через оптическую линию задержки ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого является выходом оптического управляемого интегратора, а второй выход подключен к первому входу второго оптического объединителя, второй вход которого является входом сброса, а выход подключен к первому входу оптически связанных волноводов, второй вход и второй выход которых являются поглощающими, а первый выход оптически связанных волноводов подключен ко второму входу первого оптического объединителя, при этом выходы формирователя оптических импульсов и оптического управляемого интегратора через оптический объединитель подключены к второму входу оптического компаратора, первый вход которого является входом устройства - входом преобразуемого аналогового сигнала, а выход через оптический Y-разветвитель подключен одновременно к управляющему входу оптического коммутатора импульсов и ко входу оптического преобразователя кодов, содержащего (N-1) последовательно соединенных по второму входу через оптическую линию задержки оптических Y-разветвителей, при этом входом оптического преобразователя кодов является вход первого оптического Y-разветвителя, первые выходы всех оптических Y-разветвителей являются выходами устройства для соответствующих разрядов параллельного двоичного кода, а второй выход последней оптической задержки является выходом устройства для последнего разряда параллельного двоичного кода.

Сущность АЦП поясняется чертежом, где приведена схема устройства.

Формирователь оптических импульсов содержит оптический объединитель 1₁, оптический делитель 2₁, оптическую линию задержки 3₁, оптически связанные волноводы 4₁, оптический Y-разветвитель 5₁.

Под оптически связанными волноводами (ОСВ) понимаются два оптических волновода, имеющих общую зону связи [Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: ВШ, 1988 г., с.176, 181]. Коэффициент связи между оптическими волноводами имеет пороговую статическую характеристику и определяется интенсивностью оптического сигнала в первом оптическом волноводе. Если интенсивность оптического сигнала на входе первого оптического волновода больше порогового значения, то сигнал с входа первого оптического волновода ответвляется во второй оптический волновод и передается на его выход.

Оптические Y-разветвители обладают свойством усиления (интенсивность сигнала на каждом выходе равна интенсивности сигнала на входе).

Первый вход оптического объединителя 1₁ является входом запуска цикла аналого-цифрового преобразования. Выход оптического объединителя 1₁ подключен к первому входу оптически связанных волноводов 4₁, второй вход и первый выход которых являются поглощающими, а второй выход подключен к входу оптического Y-разветвителя 5₁, первый выход которого через последовательно соединенные оптическую линию задержки 3₁ и оптический делитель 1₁ подключен к второму входу оптического объединителя 1₁, а второй выход оптического Y-разветвителя 5₁, являющийся выходом формирователя оптических импульсов, через оптический Y-разветвитель 5₂ подключен к информационному входу оптического коммутатора импульсов.

Оптический коммутатор импульсов содержит первый и второй оптические объединители 1₃ и 1₂, первые и вторые оптически связанные волноводы 4₃ и 4₂, при этом первый вход первого оптического объединителя 1₃ является информационным входом, а его выход подключен к первому входу первых оптически связанных волноводов 4₃, первый вход второго оптического объединителя 1₂ является управляющим входом, второй вход - входом постоянного оптического сигнала "I", а выход подключен к первому входу вторых оптически связанных волноводов 4₂, причем вторые входы и вторые выходы первых и вторых оптически связанных волноводов являются поглощающими. Первый выход вторых оптически связанных волноводов 4₂ подключен ко второму входу первого оптического объединителя 1₃, а первый выход первых оптически связанных волноводов 4₃ является выходом оптического коммутатора импульсов, который подключен к информационному входу оптического управляемого интегратора.

Оптический управляемый интегратор содержит первый и второй оптические объединители 1₄ и 1₅, оптическую линию задержки 3₂, оптический Y-разветвитель 5₃, оптически связанные волноводы 4₄. Информационным входом оптического управляемого интегратора является первый вход первого оптического объединителя 1₄, выход которого подключен через оптическую линию задержки 3₂ к входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого является выходом оптического управляемого интегратора, а второй выход подключен к первому входу второго оптического объединителя 1₅, второй вход которого является входом сброса, а выход подключен к первому входу оптически связанных волноводов 4₄, второй вход и второй выход которых являются поглощающими, а первый выход оптически связанных волноводов подключен ко второму входу первого оптического объединителя 1₄, при этом выходы формирователя оптических импульсов 7 и оптического управляемого интегратора 9 через оптический Y-разветвитель 5₂ и оптический объединитель 1₆ подключены к второму входу оптического компаратора 6, первый вход которого является входом устройства - входом преобразуемого аналогового сигнала, а выход через оптический Y-разветвитель 5₄ подключен одновременно к управляющему входу оптического коммутатора импульсов 8 и к входу оптического преобразователя кодов 10.

Оптический преобразователь кодов 10 содержит последовательно соединенные по второму входу, через оптические линии задержки 3₃...3_k (где k=2+N-1), оптические Y-разветвители 5₅...5_k, при этом входом оптического преобразователя кодов является вход первого оптического Y-разветвителя 5₅, первые выходы всех оптических Y-разветвителей являются выходами устройства для соответствующих разрядов параллельного двоичного кода, а выход последней линии задержки является выходом устройства для последнего N-1 го разряда параллельного двоичного кода.

Формирователь оптических импульсов обеспечивает формирование оптических импульсов, количество которых равно количеству разрядов АЦП. Интенсивность и длительность первого импульса равна интенсивности и длительности импульса поданного на вход, а интенсивность каждого последующего импульса составляет в два раза меньше интенсивности предыдущего.

Импульс, поступающий на вход ФОИ, беспрепятственно проходит через ОСВ 4₁ на выход, так как порог срабатывания ОСВ 4₁ равен 1. Пройдя по кольцу, через линию задержки 3₁ и оптический делитель 2₁, входной импульс, уменьшившись в два раза, через время t поступит на выход ФОИ. Последним через ОСВ 4₁ пройдет импульс интенсивностью 1 у.е. Интенсивность всех последующих импульсов будет менее порогового значения и они будут поступать на первый поглощающий выход ОСВ 4₁. В результате на выходе ФОИ формируется N импульсов интенсивностью 2^N-2...2⁰.

Оптический коммутатор импульсов состоит из двух оптических объединителей 1₂ и 1₃, двух ОСВ 4₂ и 4₃ с порогами 2^N-1+2 и 2^N-1+1 у.е. и источника сигнала "I" интенсивностью 2^N-1+1 у.е.

Оптический коммутатор импульсов пропускает оптические импульсы с первого входа на выход только при наличии на втором входе сигнала интенсивностью 1 у.е., в остальных случаях на выходе будет присутствовать сигнал интенсивностью 0 у.е.

Оптический импульс, поступающий на вход ОКИ, поступает на вход ОСВ 4₃. При наличии на втором входе ОКИ сигнала интенсивностью 0 у.е. сигнал на входе ОСВ 4₂ составит 2^N-1+1 у.е. Так как интенсивность сигнала меньше порога срабатывания ОСВ 4₂ (2^N-1+2 у.е), то через объединитель 1₃ сигнал поступит на ОСВ 4₃. Так как интенсивность сигнала равна порогу срабатывания, то оптический импульс отклонится во второй волновод и интенсивность сигнала на выходе ОКИ будет равна 0 у.е. Если на втором входе ОКИ будет присутствовать импульс, равный 1 у.е., то интенсивность сигнала на входе ОСВ 4₂ будет равна 2^N-1+1 у.е., что достаточно для отклонения светового потока во второй (поглощающий) волновод. Поэтому интенсивность сигнала на входе ОСВ 4₃ будет определяться только импульсом, поступившим на первый вход ОКИ, которая заведомо меньше порога срабатывания. Значит, импульс с входа ОКИ беспрепятственно пройдет на его выход.

Оптический управляемый интегратор осуществляет суммирование интенсивности импульса, поданного на вход с интенсивностью предыдущего импульса. В интеграторе предусмотрена возможность установки в начальное состояние (вход "R"). Оптический управляемый интегратор сохраняет импульс интенсивностью от 1 до 2^N-1 у.е., поданный на его вход в течение времени не менее (N+1)·t. При поступлении сигнала сброса на вход "R" в ОУИ записывается импульс интенсивностью 0 у.е. Импульс, приходящий на вход ОУИ, через оптический объединитель 1₄, оптическую линию задержки 3₂, оптический Y-разветвитель 5₃ и оптический объединитель 1₅, поступает на вход ОСВ 4₄, так как интенсивность всех сигналов, вырабатываемых ФОИ, меньше порога срабатывания ОСВ 4₄ (равен 2^N-1+1 у.е.), то входной импульс с первого выхода ОСВ 4₄ поступит на второй вход оптического объединителя 14. В результате импульс, поступивший на вход ОУИ, будет курсировать по кольцу до поступления импульса сброса. Импульс сброса подается длительностью не менее 2·t и интенсивностью 2^N-1+1 у.е. Импульс сброса через второй вход оптического объединителя 1₅ поступает на вход ОСВ 4₄. Так как интенсивность импульса больше порога срабатывания ОСВ 4₄, то импульс, курсирующий в кольце, вместе с импульсом сброса поступят во второй поглощающий волновод ОСВ 4₄. Через время 2·t интенсивность импульса в кольце ОУИ будет составлять 0 у.е.

Оптический преобразователь кода осуществляет преобразование N последовательных импульсов в параллельный N-разрядный код.

ОКм 6 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.

На выходе АЦП формируется позиционный двоичный код {D₁,...,D_N}, являющийся двоичным аналогом преобразуемого сигнала Ф.

Рассмотрим работу предложенного оптического АЦП на примере АЦП формирующего трехразрядный оптический код. Максимальная интенсивность входного сигнала в этом случае будет составлять 7 у.е. Пусть на вход оптического АЦП подан сигнал интенсивностью 5 у.е.

На вход "S" ("запуск") подается оптический импульс интенсивностью 4 у.е. Он беспрепятственно проходит на выход ФОИ. С выхода ФОИ сигнал поступает на вход оптического объединителя и вход оптического коммутатора импульсов.

Интенсивность сигналов на выходе ОУИ и ФОИ будет составлять 0 и 4 у.е. соответственно. Суммарный сигнал будет меньше входного (5 у.е.), в результате на выходе компаратора появится сигнал интенсивностью 1 у.е., который поступит на второй вход ОКИ, в результате импульс поступит на вход ОУИ.

Интенсивность второго импульса, сформированного ФОИ, будет составлять 2 у.е. Суммарная интенсивность сигналов на входе оптического компаратора составит 2+4=6 у.е., что превышает значение входного сигнала. Поэтому сигнал на выходе ОК будет равен 0. В результате на выходе ОКИ будет сигнал, равный 0 у.е, и увеличение амплитуды сигнала в ОУИ на этом шаге осуществляться не будет.

Третий импульс на выходе ФОИ будет последним, его амплитуда будет составлять 1 у.е. Интенсивность сигнала на выходе ОУИ составит 4 у.е. Интенсивность сигнала на входе оптического компаратора составит 4+1=5 у.е., что равно значению входного сигнала. Поэтому сигнал на выходе ОК будет равен 1, который поступит на второй вход оптического компаратора и импульс с выхода ФОИ, через ОКИ поступит на вход ОУИ. Существующий оптический импульс в ОУИ интенсивностью 4 у.е. будет суммирован с импульсом на выходе ОКИ 1 у.е. В результате интенсивность сигнала на выходе ОСВ составит 5 у.е.

На выходе компаратора последовательно появлялись сигналы с интенсивностями 1, 0, 1, после преобразования в ОПК эти сигналы поступят на выходы оптического АЦП, которые будут соответствовать разрядам D₂, D₁ и D₀.

Наименьшим быстродействием из всех устройств, входящих в АЦП, обладает ОБЭ, время срабатывания которого равно ˜10^-11. Быстродействие всего АЦП определяется количеством разрядов N и для N=24 не будет превышать 0,2 нс, что существенно превосходит возможности существующих электронных и оптоэлектронных аналогов.

Оптический аналого-цифровой преобразователь, содержащий оптический компаратор, оптический объединитель, оптические Y-разветвители, отличающийся тем, что в устройство введены формирователь оптических импульсов, содержащий оптический объединитель, оптический делитель, оптическую линию задержки, оптически связанные волноводы, оптический Y-разветвитель, причем первый вход оптического объединителя является входом запуска цикла аналого-цифрового преобразования, выход оптического объединителя подключен к первому входу оптически связанных волноводов, второй вход и первый выход которых являются поглощающими, а второй выход подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого через последовательно соединенные оптическую линию задержки и оптический делитель подключен ко второму входу оптического объединителя, а второй выход оптического Y-разветвителя, являющийся выходом формирователя оптических импульсов, подключен к информационному входу оптического коммутатора импульсов, содержащего первый и второй оптические объединители, первые и вторые оптически связанные волноводы, при этом первый вход первого оптического объединителя является информационным входом, а выход его подключен к первому входу первых оптически связанных волноводов, первый вход второго оптического объединителя является управляющим входом, второй вход - входом постоянного оптического сигнала, а выход подключен к первому входу вторых оптически связанных волноводов, причем вторые входы и вторые выходы первых и вторых оптически связанных волноводов являются поглощающими, выход вторых оптически связанных волноводов подключен ко второму входу первого оптического объединителя, а первый выход первых оптически связанных волноводов является выходом оптического коммутатора импульсов, который подключен к информационному входу оптического управляемого интегратора, содержащего первый и второй оптические объединители, оптическую линию задержки, оптический Y-разветвитель, оптически связанные волноводы, информационным входом оптического управляемого интегратора является первый вход первого оптического объединителя, выход которого подключен через оптическую линию задержки ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого является выходом оптического управляемого интегратора, а второй выход подключен к первому входу второго оптического объединителя, второй вход которого является входом сброса, а выход подключен к первому входу оптически связанных волноводов, второй вход и второй выход которых являются поглощающими, а первый выход оптически связанных волноводов подключен ко второму входу первого оптического объединителя, при этом выходы формирователя оптических импульсов и оптического управляемого интегратора через оптический объединитель подключены к второму входу оптического компаратора, первый вход которого является входом устройства - входом преобразуемого аналогового сигнала, а выход через оптический Y-разветвитель подключен одновременно к управляющему входу оптического коммутатора импульсов и ко входу оптического преобразователя кодов, содержащего (N-1) последовательно соединенных по второму входу, через оптическую линию задержки, оптических Y-разветвителей, при этом входом оптического преобразователя кодов является вход первого оптического Y-разветвителя, первые выходы всех оптических Y-разветвителей являются выходами устройства для соответствующих разрядов параллельного двоичного кода, а второй выход последней оптической линии задержки является выходом устройства для последнего разряда параллельного двоичного кода.