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 ответвлений, причем для суммирования с сигналом переноса из младшего разряда использована вторая ступень суммирования, идентичная оптической схеме суммирования разрядов слагаемых (первой ступени). 1 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 различными (электрооптический, акустооптический и т. д. ) [1]. Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству 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^-12с); 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 данного сумматора; использования при разработке конструкции сумматора только оптической технологии при минимальном числе функциональных единиц оптических элементов, что значительно упрощает устройство и повышает его технологичность; обеспечения возможности применения обычного двоичного кодирования слагаемых, что повышает помехозащищенность данного 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" соответствуют отсутствию или наличию 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 (ОБЭ), а оба входа ячейки суммирования, последовательное соединение которых образует данный сумматор, объединены первым ответвлением, разветвляющимся далее на два ответвления, выходы которых подключены к входам двух ОБЭ первой группы, выход первого из которых подключен к входу ответвления, оптически связанного по выходу с выходом сигнала переноса данной ячейки, подключенного, в свою очередь, к входу переноса ячейки старшего разряда, а входы обоих ОБЭ первой группы оптически связаны с входами ответвлений для передачи отраженных оптических сигналов, объединенных по выходу в ответвление, объединенное по выходу с ответвлением, вход которого является входом переноса сигнала из ячейки младшего разряда в ответвление, разветвляющееся далее на два ответвления, выходы которых подключены к входам двух ОБЭ второй группы, выход первого из которых подключен к входу ответвления, объединенного по выходу с ответвлением, выход которого является выходом переноса в старший разряд, а входы обоих ОБЭ оптически связаны с входами ответвлений для передачи отраженных оптических сигналов, объединенных по выходу в ответвление, выход которого является выходом данной ячейки (разряда) сумматора.

На чертеже представлена функциональная схема одного разряда (одной ячейки) оптического сумматора.

Ячейка оптического сумматора содержит четыре ОБЭ 1₁-1₄, группу неуправляемых направленных ответвлений 2₁-2₉ 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 [1,2] 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, разветвляющееся на два ответвления - 2₂, выход которого подключен к входу ОБЭ 1₁, и 2₃, выход которого подключен к входу ОБЭ 1₂. Выход ОБЭ 1₁ подключен к входу ответвления 2₇, выход которого является для данной ячейки выходом переноса единицы в следующий (старший) разряд сумматора Вых.П (при возникновении на обоих Вх.1,2 единичных сигналов). Входы ОБЭ 1₁,1₂ оптически связаны с входами ответвлений 2₄, 2₅ соответственно. Ответвления 2₄, 2₅ предназначены для передачи отраженных оптических сигналов от ОБЭ и объединены по выходу в ответвление 2₆. Ответвление 2₆ объединено далее по выходу в ответвление 2₈ с ответвлением, вход которого является Вх.П данного разряда сумматора. Ответвление 2₈ разветвляется по выходу на два ответвления, выходы которых подключены к входам ОБЭ 1₃, 1₄. Выход ОБЭ 1₃ подключен к входу ответвления 2₉, объединенного по выходу с ответвлением 2₇. Входы ОБЭ 1₃, 1₄ оптически связаны с входами ответвлений, предназначенных для передачи отраженных от ОБЭ оптических сигналов и объединенных по выходу в ответвление, выход которого является выходом данного разряда (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 обеспечивает технологически [1,2].

ОБЭ 1₁, 1₂ и ответвления 2₁-2₇ 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.

Работает сумматор следующим образом.

Одноименные разряды двух слагаемых, параллельные коды которых поданы на входы сумматора, поступают на оба входа (Вх.1, Вх.2) соответствующего разряда (ячейки) сумматора. Световые потоки, интенсивности которых несут информацию о соответствующем разряде слагаемых, суммируются в ответвлении 2₁, разделяясь в последующем на два в ответвлениях 2₂ и 2₃ и поступая на входы ОБЭ 1₁ и 1₂ соответственно. Так как уровень (порог) срабатывания ОБЭ принят за единицу, то в данной схеме на выходах ОБЭ 1₁, 1₂ формируется выходной поток только в одном случае, когда на Вх.1, Вх.2 одновременно поступают сигналы единичной интенсивности. В случае появления остальных комбинаций суммируемых разрядов ("0,0"; "0,1"; "1,0") интенсивности входных потоков ОБЭ 1₁, 1₂меньше пороговой, что ведет только к полному их отражению. Отраженные потоки поступают далее по ответвлениям 2₄, 2₅, суммируясь в ответвлении 2.

Таким образом, при суммировании разрядов "1+1" на выходе ОБЭ 1₁формируется единичный оптический сигнал, выступающий как сигнал переноса разряда при суммировании и поступающий по ответвлению 2₇ на Вых.П и далее в следующий старший разряд сумматора (единичный сигнал, формирующийся при этом на выходе ОБЭ 1₂, не поступает никуда - просто поглощается внешней средой).

При суммировании разрядов остальных комбинаций сигнал переноса не образуется, а в ответвлении 2₆ формируется оптический сигнал, равный соответствующей сумме разрядов (0+0=0, 1+0=1, 0+1=1). Этот сигнал поступает далее в ответвление 2₈, где суммируется с сигналом переноса, поступившим на Вх.П данной ячейки с Вых. П предыдущего младшего разряда сумматора. Световой поток, сформированный в ответвлении 2₈, поступает, разделяясь на два, на входы ОБЭ 1₃, 1₄, составляющие вторую ступень ячейки сумматора. Работа и принцип формирования суммы оптических сигналов второй ступени суммирования аналогичны изложенным, при этом на выходе ячейки сумматора "Вых." формируется окончательный результат суммирования ("0" или "1") и в случае поступления в ответвление 2₈ двух единичных сигналов на выходе ОБЭ 1₃ образуется сигнал переноса, поступающий по ответвлению 2₉ на Вых.П.

Основными преимуществами рассмотренного сумматора по сравнению с существующими [1,2] являются его простота и чисто оптическое исполнение, не требующее дополнительного применения схем электронного регулирования, снижающих быстродействие устройства и повышающих сложность его конструктивного исполнения.

Формула изобретения

ОПТИЧЕСКИЙ СУММАТОР, содержащий в каждом разряде оптические переключающие элементы, отличающийся тем, что 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 входам второго и третьего ответвлений, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго трансфазоров, которые по отраженному потоку соединены с входами соответственно четвертого и пятого ответвлений, выходы которых соединены с входом шестого ответвления, выход которого соединен с входом седьмого ответвления, соединенным также с входом переноса из предыдущего разряда сумматора, выход седьмого ответвления соединен с входами восьмого и девятого ответвлений, выходы которых соединены с входами соответственно третьего и четвертого трансфазоров, которые по отраженному потоку соединены с входами соответственно десятого и одиннадцатого ответвлений, выходы которых соединены с входами двенадцатого ответвления, выход которого соединен с выходом данного разряда сумматора, выходы первого и третьего трансфазоров соединены с входами соответственно тринадцатого и четырнадцатого ответвлений, выходы которых соединены с входом пятнадцатого ответвления, выход которого соединен с выходом переноса в следующий разряд сумматора.

РИСУНКИ

Рисунок 1