Оптический сумматор

 

Изобретение относится к оптической цифровой технике и может быть использовано при синтезе оптических вычислительных машин. Сущность изобретения состоит в том, что для организации двоичного суммирования одноименных разрядов кодов слагаемых использованы оптические бистабильные элементы, порог срабатывания которых равен уровню логической "1", а связь между ними осуществляется с помощью волноводных ответвителей, причем для суммирования с сигналом переноса из младшего разряда использована вторая ступень суммирования, идентичная оптической схеме суммирования разрядов слагаемых (первой ступени). 2 ил.

Изобретение относится к оптической цифровой технике и может быть использовано при синтезе оптических вычислительных машин.

Известны оптические сумматоры, построенные на основе использования волноводных переключателей, управляемых электрически, или управляемых транспарантов, способы управления которыми могут быть различны (электрооптический, акустооптический и т. д. ) [1]. Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному является оптический сумматор, содержащий в каждом разряде оптические переключающие элементы [2].

Недостатками данных сумматоров являются невысокое быстродействие (≥ 0,1 мкс), обусловленное необходимостью использования электронных схем управления переключением волноводов, управляемых транспарантов, схем организации переноса и т.д., что исключает возможность достижения быстродействия, характерного для чисто оптических переключающих устройств (потенциально равного 10^-12 с); сложность конструкции, порожденная применением смешанной - оптико-электронной технологии, реализацией операции суммирования на базе представления логическими функциями, способами кодирования переменных (фазовый, амплитудно-пространственный, поляризационный и т. д.) и пр.; низкая помехозащищенность, обусловленная реализуемыми способами кодирования информации (из-за неизбежных фазовых искажений при передаче сигналов, из-за ограничений динамического диапазона транспарантов, из-за невозможности выполнения разных логических операций при одинаковых условиях и т.д.).

Изобретение направлено на решение следующих задач: обеспечения управления процессом суммирования только за счет оптических сигналов, что существенно повышает быстродействие сумматора; использования при разработке конструкции сумматора только оптической технологии при минимальном числе функциональных единиц оптических элементов, что значительно упрощает сумматор и повышает его технологичность; обеспечения возможности применения обычного двоичного кодирования слагаемых, что повышает помехозащищенность сумматора.

Подобные задачи в настоящее время особенно остро стоят в связи с разработкой чисто оптических ЦВМ, обладающих потенциально возможным для оптических устройств быстродействием.

В основе построения предложенного сумматора лежат следующие принципы: кодирование слагаемых - двоичное: "0" и "1" соответствует отсутствие или наличие оптического сигнала заданной интенсивности; слагаемые поступают на вход сумматора в параллельном коде; разрядность сумматора определяется количеством одинаковых ячеек (разрядов) суммирования.

Сущность изобретения состоит в том, что в сумматор, содержащий группу волноводных ответвлений, введены оптические бистабильные элементы, а оба входа ячейки суммирования, параллельное соединение которых образует данный сумматор, объединены первым ответвлением, выход которого подключен к входу первого оптического бистабильного элемента, выход которого подключен к входу второго ответвления, а вход оптически связан по отраженному потоку с входом третьего ответвления, объединенного по выходу с пятым ответвлением, вход которого является входом переноса сигнала переполнения из младшего разряда в четвертое ответвление, выход которого подключен к входу второго ОБЭ, выход которого через седьмое ответвление, объединенное по выходу с вторым ответвлением, подключен к входу оптического транспаранта, выход которого является выходом переноса сигнала переполнения в старший разряд, а вход второго ОБЭ оптически связан по отраженному потоку с входом шестого ответвления, выход которого является выходом данной ячейки сумматора.

На фиг. 1 приведена функциональная схема ячейки (одного разряда) оптического сумматора; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1.

Ячейка содержит оптические бистабильные элементы (ОБЭ) 1₁, 1₂, неуправляемые направленные ответвители 2_i, i = (направления распространения потоков показаны стрелками), оптический транспарант 3 и три входа: Вх.1, Вх. 2 для соответствующих разрядов кодов обоих слагаемых, Вх.П для сигнала переноса из младшего разряда. ОБЭ может быть выполнен, например, в виде трансфазора [1] 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 [2]. Оптические входы Вх.1, Вх.2 объединены в ответвление 2₁, выход которого подключен к входу ОБЭ 1₁. Выход ОБЭ 1₁ оптически связан с входом транспаранта 3 (обеспечивающего уменьшение интенсивности входного потока в 2 раза), а вход - с входом ответвления 2₃, объединенного по выходу с ответвлением 2₅, вход которого является Вх.П данной ячейки и предназначенного для передачи отраженного потока в ответвление 2₄, выход которого подключен к входу ОБЭ 1₂. Выход ОБЭ 1₂ через ответвление 2₇подключен к входу транспаранта 3, выход которого является Вых.П данной ячейки, а вход ОБЭ 1₂ оптически связан с входом передающего отраженный поток ответвления 2₆, выход которого является выходом ячейки сумматора.

Для исключения дополнительного рассеивания отраженного от ОБЭ светового потока за счет попадания в ответвления, передающие прямой (входной) оптический сигнал, место контактного соединения таких ответвлений выполняется полупрозрачным, что характерно для большинства видов соединений волноводов и легко обеспечивается технологически [1, 2], ОБЭ 1₁ и ответвления 2₁ - 2₃ являются, по существу, первой ступенью ячейки сумматора, предназначенной для суммирования соответствующих одноименных разрядов обоих слагаемых, остальные элементы схемы - второй ступенью, предназначенной для суммирования с сигналом переноса из младшего разряда.

Последовательное включение N рассмотренных ячеек образует N-разрядный параллельный оптический сумматор.

Оптический сумматор работает следующим образом.

На входы ячейки сумматора Вх.1, 2 поступают оптические коды одноименных разрядов обоих слагаемых, интенсивности световых потоков которых суммируются далее в ответвлении 2₁. Если на оба входа поступили единичные оптические сигналы ("1 + 1"), то интенсивность светового потока в ответвлении 2₁ оказывается выше пороговой (в данном случае полагают уровень U срабатывания ОБЭ выше 1 усл. ед.: U > 1), ОБЭ 1₁срабатывает и на входе ответвления 2₂ формируется световой поток интенсивности 2 усл.ед. Данный световой поток поступает на Вых.П сумматора в качестве сигнала переноса "1" в старший разряд для обеспечения интенсивности данного оптического сигнала, равной 1 усл. ед. , на выходе ответвления 2₂ установлен оптический транспарант 3, уменьшающий интенсивность потока в 2 раза (подобного ослабления можно добиться и за счет выбора соответствующего материала и длины ответвления 2₂).

При суммировании остальных комбинаций разрядов ("0+0", "0+1", "1+0") интенсивность потока на выходе ответвления 2₁ оказывается меньше пороговой - происходит полное отражение данного светового потока от поверхности ОБЭ 1₁, поступающего далее по ответвлению 2₃ на вход ОБЭ 1₂. В ответвлении 2₄ происходит суммирование с оптическим сигналом переноса из младшего (по отношению к данному) разряда, поступающим по ответвлению 2₅ с входа Вх.П. ОБЭ 1₂ совместно с ответвлениями 2₄-2₇ играет роль второй ступени суммирования, где осуществляется сложение с сигналом переноса из младшего разряда - работа элементов схемы при этом аналогична вышеизложенной. Возникающий сигнал переноса поступает по ответвлению 2₇ на Вых.П, а на выходе ячейки сумматора Вых. формируется оптический сигнал, равный соответствующему разряду суммы входных кодов.

Следует отметить, что наряду с таким достоинством рассмотренной оптической схемы, как отсутствие электронного управления, приводящее к повышению помехоустойчивости, быстродействия и точности, существенным является простота ее исполнения, обусловленная как минимальным количеством составных элементов, так и простотой их связей, что позволяет обеспечить высокую технологичность предложенной схемы сумматора при практической реализации.

Формула изобретения

ОПТИЧЕСКИЙ СУММАТОР, содержащий в каждом разряде оптические переключающие элементы, отличающийся тем, что в него введен оптический транспарант, оптические переключающие элементы выполнены в виде трансфазоров, а оптические связи - в виде волоконно-оптических ответвлений, причем в каждом разряде сумматора входы первого и второго операндов объединены первым ответвлением, выход которого подключен к входу первого трансфазора, который по отраженному потоку соединен с входом второго ответвления, объединенного по выходу с третьим ответвлением и соединенного с входом четвертого ответвления, выход которого подключен к входу второго трансфазора, который по отраженному потоку соединен с входом пятого ответвления, выход которого соединен с выходом суммы данного разряда сумматора, вход переноса из предыдущего разряда сумматора подключен к входу третьего ответвления, выходы первого и второго трансфазоров подключены к входам соответственно шестого и седьмого ответвлений, выходы которых объединены и подключены к входу оптического транспаранта, выход которого соединен с выходом переноса в следующий разряд сумматора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2