Оптический логический элемент

 

Оптический логический элемент относится к вычислительной технике и может быть использован для создания различных устройств для обработки ннформации, представленной оптическими сигналами. Сущность изобретения: использование особенностей взаимодействия световых сигналов в световоде параметрического усилителя бегущей волны ПУБВ, при которых мощность излучения накачки, используемого в качестве питания, постепенно переходит вдоль световода в мощность сигнала. При этом накачка, передаваемая с выхода одного ПУБВ на вход другого через полосовой фильтр, пропускающий излучение только на частоте накачки, не вызывает усиления сигналов, подаваемых в другой ПУБВ, количество входных логических сигналов A, B, C и количество выходов равно количеству ПУБВ, выходные сигналы X, Y, Z,... соответствуют логическим функциям X=A, Y= AB, Z=ABC,... Элемент обладает функциональной полнотой. Логическая операция может выполняться одновременно не над одним комплектом входных сигналов, а над многими, отличающимися длинами волн. 5 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при создании исполнительных устройств оптических суперкомпьютеров.

Известно достаточно много типов полностью оптических логических элементов (ОЛЭ), в которых входные и выходные сигналы представлены световыми импульсами [1,2] При этом используются самые различные физические явления, однако во всех ОЛЭ должна присутствовать нелинейная оптическая среда, параметры которой зависят от распространяющегося по ней света.

Во многих применениях по одному оптическому каналу одновременно передается несколько оптических сигналов A(ω₁₁),A(ω₁₂),...,A(ω_1n), различающихся по длинам волн. При этом имеется необходимость одновременного выполнения логических операций над всеми операндами, поступающими по нескольким таким каналам. Например, если по 1-му и 2-му каналам поступают операнды A(ω₁₁),A(ω₁₂),...,A(ω_1n) и B(ω₁₁),B(ω₁₂),...,B(ω_1n), то в выходном канале ОЛЭ должны получиться результаты X(ω₁₁),X(ω₁₂),...,X(ω_1n), для которых справедливо соотношение X(ω_1i) = A(ω_1i) @ B(ω_1i) (i 1, 2 n), где значок @ oзначает некоторую логическую функцию от двух переменных.

Оптических логических элементов, обеспечивающих решение такой задачи, неизвестно. Объясняется это тем, что во всех известных ОЛЭ порядка изменение параметров оптической среды пропорционально общей интенсивности света. В рассматриваемом случае такое изменение пропорционально количеству присутствующих в данное время импульсов с paзличными длинами волн. Это обстоятельство ведет к взаимосвязи сигналов с различными длинами волн, так как взаимодействие сигналов, имеющих некоторую длину волны, определяется не только этими сигналами, изменяющими параметры нелинейной среды, в которой происходит взаимодействие, но и другими одновременно присутствующими сигналами с другими длинами волн, также изменяющими параметры нелинейной среды. Такая взаимосвязь отсутствует в рассматриваемых ОЛЭ.

В качестве прототипа используется ОЛЭ на основе явления вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в волоконных световодах (ВС) [3] В этом случае осуществляется взаимодействие сигнала накачки P_н с сигналом P_s на стоксовой частоте, отличающейся на несколько процентов от частоты накачки. Сходство предлагаемого ОЛЭ с прототипом в том, что в обоих случаях сигнал и накачка имеют разные частоты и накачка в присутствии сигнала уменьшается до нуля на выходе элемента. Однако в прототипе отсутствует возможность одновременной обработки нескольких сигналов с разными несущими, так как сдвиг стоксовой частоты относительно частоты накачки определяется параметрами используемого ВС и одинаков для накачек с различными несущими, которые используются в предлагаемом ОЛЭ. Это приводит к тому, что такие накачки возбуждают в ВС относительно низкочастотные колебания с одинаковыми частотами, которые взаимодействуют между собой. В конечном счете это приводит к тому, что стоксовы сигналы с различными несущими в присутствии нескольких накачек оказываются связанными между собой и, следовательно, имеет место влияние одного комплекта входных сигналов на другой.

Прототипом селектора оптических сигналов по длинам волн является перестраиваемый по частоте при изменении напряжения смещения полупроводниковый одночастотный лазер с распределенными брегговскими отражателями, работающий в недовозбужденном режиме как регенеративный усилитель [4] Недостатками такого селектора, устраняемыми в предлагаемом селекторе, являются аналоговое управление селектируемой длиной волны и невозможность одновременной селекции нескольких сигналов с различными длинами волн.

Техническая задача изобретения обеспечить независимую обработку различных комплектов входных сигналов, отличающихся по длинам волн. Как побочный эффект предлагаемый ОЛЭ позволяет по сравнению с прототипом значительно уменьшить мощность взаимодействующих импульсов, резко сократить длину используемых световодов, так чтобы они могли изготавливаться интегрально-оптическими методами, существенно уменьшить минимально возможную длительность обрабатываемых импульсов.

Сущность изобретения состоит в следующем. Используются особенности взаимодействия между накачкой и сигналом в световодном интегрально-оптическом параметрическом усилителе бегущей волны (ПУБВ), работающем в режиме преобразования частоты вниз. В результате такого взаимодействия мощность сигнала усиливается, а мощность накачки ослабевает независимо от фазы вводимого сигнала. При выполнении условий фазового синхронизма, то есть при сохранении требуемых фазовых соотношений между сигналом, накачкой и возникающим при этом сигналом на разностной частоте при совместном распространении их по световоду, мощность накачки на некоторой длине практически полностью перейдет в мощности сигналов на основной и разностной частотах.

Если сигнал на входе ПУБВ отсутствует, то такое взаимодействие также отсутствует и на выходе световода, мощность накачки отлична от нуля. Таким образом, предлагаемый ПУБВ по отношению к мощности накачки, так же как и прототип, выполняет функции инвертора.

Для выполнения условий фазового синхронизма в ПУБВ предлагается использовать известный метод квазисогласования, разработанный для генераторов второй гармоники (ГВГ) [5-7] Использование этого метода предоставляет уникальную возможность путем выбора соответствующей частоты накачки обеспечить взаимодействие сигналов только с определенной несущей. Сигналы с другими несущими при этом не взаимодействуют между собой. Чтобы одновременно получить взаимодействие сигналов с некоторой другой несущей (несущими), необходимо одновременно подать накачку с соответствующей другой несущей (несущими). Таким образом, подавая накачки с соответствующими несущими, можно обеспечить взаимодействие заданных комплектов сигналов.

На фиг. 1 показана общая схема предлагаемого ОЛЭ, состоящего из канального световода 1 в электрооптическом материале и направленных ответвителей (НО) 2, имеющих нулевой перекрестный коэффициент передачи на частоте накачки ω₃ и единичный на частотах ω₁ и ω₂ = ω₃ - ω₁. Эти НО, которые одновременно выступают в виде фильтров низких частот, предназначены для ввода и вывода сигналов в/из ПУБВ. Брегговские отражатели 3 выполняют функции заграждающих фильтров. Они не пропускают через себя сигналы с несущими ω₁ и ω₂. ПУБВ 4, 5, 6 образованы отрезками световода 1. Входные логические сигналы с несущей ω₁ поступают на входы A, B, C, выходные сигналы с несущими ω₁ и ω₂ снимаются с выходов X, Y.

На фиг. 2 показан 2-й вариант реализации предлагаемого ОЛЭ. Ввод и вывод сигналов в/из световода 1 осуществляется с помощью Y-ответвителей с брегговскими отражателями, обладающими требуемыми частотоизбирательными свойствами, на месте соединения световодов На фиг. 3 показан 3-й вариант реализации предлагаемого ОЛЭ. Световод 1 имеет форму ломанной линии. При этом на изгибах излучение с низкой частотой не удерживается в световоде и излучается в световоды 2.

На фиг. 4 показано соотношение частот ω_1i,ω_2i,ω_3i,, удовлетворяющее условию фазового синхронизма в одном и том же световоде.

На фиг. 5 показан управляемый комплектом оптических сигналов IIУПРII c различными несущими ω₁₁, ω₁₂,..., ω_1n селектор сигналов в канале IIВХII, содержащем сигналы с такими же несущими. Селектор состоит из 4-х предлагаемых OЛЭ. На выходах селектора комплект выходных сигналов IIВХII с разными несущими разделен на 2 канала. В верхнем канале оказываются сигналы с несущими, которые есть в комплекте управляющих сигналов IIУПРII, в нижнем канале оказываются сигналы со всеми остальными несущими.

Работа ОЛЭ при накачке с одной несущей происходит следующим образом. В результате взаимодействия распространяющегося в ПУБВ 4 сигнала накачки с несущей ω₃ и входного логического сигнала A с несущей ω₁ происходит усиление последнего и ослабление первого. Сигнал A вводится в световод 1 через частотоизбирательный НО 2, имеющий коэффициент перекрестной передачи, равный 100% для излучения с несущей ω₁ и равный О для излучения с несущей ω₃. На некотором расстоянии от входа, где мощность накачки значительно ослабла, через фильтр верхних частот 3 сигнал накачки передается в ПУБВ 5, где происходит его взаимодействие с другим входным логическим сигналом B также с несущей ω₁. Сигнал Y с несущей ω₁ с выхода ПУБВ 5 является выходным, а ОЛЭ выполняет в этом случае логическую функцию . Известно, что логические элементы, выполняющие такую функцию, булевски полны, то есть любая логическая схема может быть реализована на основе таких элементов.

Количество входных сигналов у предлагаемого ОЛЭ может быть увеличено. Для этого достаточно к выходу ПУБВ 5 подсоединить аналогичным образом через аналогичный фильтр ПУБВ 6, на вход которого подается 3-й логический сигнал C с несущей ω₁. На выходе ПУБВ 6 будем иметь логический сигнал Z, выполняющий логическую функцию . Этот процесс может быть продолжен до тех пор, пока потери мощности накачки при отсутствии сигналов A, B, имеют приемлемый уровень.

Таким образом, в общем случае предлагаемый ОЛЭ состоит из N ПУБВ, имеет N входов для логических сигналов A, B, C, N выходов X, Y, Z, и выполняет логические функции X=A, , .

Период следования входных логических сигналов определяется широкополосностью ПУБВ. Если, например, ширина полосы ПУБВ составляет 1% от несущей, то для входных импульсов видимого диапазона предельная частота их следования измеряется террагерцами.

Контрастность выходных сигналов равна произведению коэффициента усиления ПУБВ на коэффициент ослабления сигнала с несущей ω₁ при отсутствии накачки и может быть получена более 20 дБ. Действительно в том случае, когда под действием сигнала A в ПУБВ 4 произошло его усиление и истощение накачки, сигнал B в ПУБВ 5 проходит на выход ОЛЭ без усиления, ослабляясь при этом из-за диссипативных потерь в световоде, которые составляют 1-2 дБ. В том же случае, когда сигнал A отсутствует и в ПУБВ 5 поступает накачка, усиление сигнала B может составлять более 20 дБ.

Требуемую мощность импульсов накачки можно оценить из сравнения с уже экспериментально проверенными световодными параметрическими приборами, в которых используются те же методы организации взаимодействия волн с различными несущими. Вырожденный ПУБВ, в котором ω₁ = ω₂ = ω₃/2, является частным случаем рассматриваемого. Если фазу накачки в вырожденном ПУБВ изменить на π, то передача энергии происходит в обратном направлении. В этом случае ПУБВ становится ГВГ. Подобного типа ГВГ в настоящее время получили широкое распространение в связи с потребностью иметь когерентное оптическое излучение в видимом диапазоне спектра от полупроводниковых лазеров. Для этих целей используются ГВГ с квазисогласованием фаз [5-7] работающие от полупроводниковых GaAs/AlGaAs-лазеров мощностью в несколько десятков милливатт. Приблизительно такая же мощность накачки требуется и для предлагаемого ОЛЭ.

Указанный уровень мощности, полученный из сравнения с аналогичными приборами, полностью согласуется с теоретическими оценками. Действительно коэффициент n₁, определяющий зависимость изменения показателя преломления Dn от напряженности электрического поля E в выражении Δn = n₁E, например, у LiNbO₃ равен около 10^-8 см/В. Длина ПУБВ L, на которой происходит истощение мощности накачки, определяется выражением , где Δn/n коэффициент модуляции показателя преломления под действием накачки. Если принять L=1cм, λ = 0,5 мкм, то Δn/n = 5·10^-5. Такой коэффициент модуляции создается электрическим полем напряженностью 5·10³ В/см, что соответствует интенсивности волны около 10⁵ Вт/см². Если принять эффективную площадь сечения световода равной 20 мкм², то указанная интенсивность имеет место в волне мощностью 20 мВт.

Что касается фильтров низких частот 2, через которые входные и выходные сигналы вводятся и выводятся в/из световода 1, то их коэффициент перекрестной передачи на частоте накачки ω₃ должен быть близок к 0, а на частотах ω₁, ω₂ близок к 1. Такие фильтры могут быть реализованы стандартными средствами [8, стр. 263-271] например, путем использования частотоизбирательных направленных ответвителей, обеспечивающих коэффициент передачи, близкий к 100% Кроме того, они могут быть реализованы на основе пересекающихся световодов с распределенными брегговскими отражателями на пересечениях [9, стр. 204, pиc.7.21.г] Схема ОЛЭ для этого случая показана на фиг. 2.

Ввод и вывод сигналов с несущей ω₁ может быть также обеспечен с помощью частотоизбирательного направленного ответвителя, показанного на фиг. 3. Здесь излучение с более низкими несущими ω₁, ω₂ не удерживается световодом 1 на его изгибах и через антенны 2 поступает в выходные световоды. В силу принципа взаимности такая же ситуация имеет место и для световодов, через которые вводятся сигналы A, B, C. Изгибы световода 1 не влияют на распространение излучения с несущей ω₃. Как и прежде, брегговские отражатели 3 препятствуют прохождению излучений с несущими ω₁ и ω₂ по всему световоду 1.

Для квазисогласования фаз световод 1 для ПУБВ изготавливается с переменным по знаку коэффициентом n₁. Периодичность этого изменения такова, что на тех участках световода, где фазовое рассогласование достигло такой величины, при которой направление передачи энергии должно измениться на противоположное, коэффициент n₁ изменяет свой знак, и направление передачи энергии восстанавливается. Период Λ изменения вдоль световода знака коэффициента n₁ определяется выражением где λ₃, λ₁, λ₂ длины волн в световоде, соответствующие частоте накачки ω₃, частоте сигнала ω₁ и холостой частоте ω₂ = ω₃ - ω₁.

Рассмотрим случай, когда накачка имеет несколько несущих. Из-за малых коэффициентов модуляции показателя преломления с частотой накачки результирующий эффект при распространении по световоду нескольких накачек с разными длинами волн равен сумме эффектов от распространения каждой накачки по отдельности. Таким образом, характер модуляции показателя преломления на одной частоте никак не зависит от того, имеет ли при этом место модуляция показателя преломления на другой частоте (частотах). Входной сигнал с несущей ω₁ взаимодействует только с той накачкой, с которой у него выполняются условия фазового согласования. Характер этого взаимодействие не зависит от того, имеются ли в это время другие сигналы с другими несущими или нет.

Рассмотрим вопрос о возможности обеспечения условия (1) квазисогласования фаз между сигналами и накачками одновременно на нескольких длинах волн. Перепишем условие (1) в виде где n(ω₁), n(ω₂), n(ω₃) показатели преломления соответственно на частотах ω₁, ω₂, ω₃, с скорость света.

Известно, что из-за материальной и волноводной дисперсии n(ω) является возрастающей функцией ω, причем n(ω) увеличивается на несколько процентов при увеличении ω в 2 раза.

Рассмотрим, каким образом изменяется сумма D(x) первых двух слагаемых в выражении (2) при увеличении разности x = ω₂ - ω₁ = ω₃ - 2ω₁. Поскольку ω₁ + ω₂ = ω₃, то ω₁ =(ω₃ - x)/2, ω₂ =(ω₃ + x)/2. Тогда D(x) = [n(ω₁) + n(ω₂)]ω₃/2 + [n(ω₂) - n(ω₁)]x/2}.

Первое слагаемое не зависит от х, если n является линейной функцией ω, что близко к действительности [10] Второе слагаемое является положительной функцией х, так как n(ω) является возрастающей функцией ω.

Таким образом, при увеличении разности w₂ - ω₁ сумма первых двух слагаемых увеличивается. Это обстоятельство может быть с успехом использовано для точного обеспечения выполнения условия фазового синхронизма (1).

Если же частоту накачки ω₃ несколько увеличить, то правая часть выражения (1) увеличивается больше, чем левая, так как n(ω) является возрастающей функцией ω. Это рассогласование может быть устранено рассмотренным выше способом путем увеличения разности w₂ - ω₁.

Приведенный способ восстановления фазового синхронизма позволяет использовать рассматриваемый ОЛЭ в режиме, когда на него одновременно подаются несколько световых импульсов накачки с различными несущими и комплекты входных оптических сигналов с соответствующими несущими, соотношение между которыми показано на фиг. 4. Такой ОЛЭ одновременно выполняет логические операции со всеми комплектами входных сигналов. На его выходах оказываются соответствующие результаты логических операций, представленные оптическими импульсами с различными несущими. Результат выполнения операции над одним комплектом входных сигналов совершенно не зависит от значения логических сигналов в других комплектах.

Рассмотренный ОЛЭ представляет уникальную возможность одновременного выполнения логических операций над многими комплектами логических входных сигналов, находящихся в одном оптическом канале и отличающихся по длинам волн. Обычно такая задача решается путем пространственного разделения сигналов с различными длинами волн по разным каналам, преобразования каждого сигнала в электрическую форму, выполнения логической операции над электрическими сигналами, преобразования электрических сигналов в оптические с определенной длиной волны и, наконец, объединения полученных оптических сигналов в одном канале.

На фиг. 5 показана реализация управляемого набором оптических сигналов IIУПРII с различными несущими ω₁₁, ω₁₂,..., ω_1n селектора оптических сигналов из набора IIВХII, состоящего из N сигналов с такими же несущими. Селектор разделяет набор входных сигналов IIВХII на 2 канала. В верхнем канале оказываются входные сигналы с несущими, для которых есть сигналы в наборе IIУПРII. В нижнем наборе оказываются сигналы с остальными несущими.

Работа селектора происходит следующим образом. Комплект управляющих сигналов поступает на ОЛЭ 1 и 2. На вход ОЛЭ 1 постоянно подаются сигналы с несущими ω₁₁, ω₁₂,..., ω_1n, которые обозначаются II1II. Поскольку выходной сигнал Y соответствует логической функции , то на выходе Y будем иметь инвертированный набор сигналов УПР (сигнал с несущей ω_1i на выходе Y отсутствует, если он присутствует на входе A, и наоборот). ОЛЭ 2 передает на выход X поступающие на вход A логические сигналы без изменения (усиливая их по мощности). Этот ОЛЭ введен только для получения одинаковых задержек в выходных каналах. На выходе Y ОЛЭ 3 результирующий выходной сигнал определяется выражением IIУПРIIIIВХII то есть входной сигнал с несущей ω_1i проходит на этот выход, если в комплекте IIУПРII логический сигнал с соответствующей несущей равен логической "1". На выходе Y ОЛЭ 4 результирующий выходной сигнал определяется выражением , то есть входной сигнал с несущей ω_1i проходит на этот выход, если в комплекте IIУПРII логический сигнал с соответствующей несущей равен логическому "0".

Предлагаемый селектор может быть основой для оптической коммуникационной сети, обеспечивающей коммутируемую передачу сообщений между М передатчиками и N приемниками с использованием спектрального уплотнения каналов.

Формула изобретения

Оптический логический элемент для обработки спектрально разделенных сигналов, состоящий из нелинейного световода, в котором организовано длительное взаимодействие распространяющихся по нему световых логических сигналов и светового питания, отличающийся тем, что элемент имеет К логических входов А₁, А₂, А_K, где К≥ 2, и K логических выходов X₁, X₂, X_K и состоит из К световодов, которые использованы в качестве параметрических усилителей бегущей волны, 2К направленных ответвителей и К-1 полосовых фильтров, при этом выход i-го параметрического усилителя, где i 1,2, К-1 соединен с входом i-го полосового фильтра, выход i-го полосового фильтра соединен с входом (i+1)-го параметрического усилителя, вход i-го направленного ответвителя соединен с входом i-го параметрического усилителя, выход i-го направленного ответвителя соединен с выходом i-го параметрического усилителя, причем вход i-го направленного ответвителя представляет собой вход логических сигналов А_i, выход i-го направленного ответвителя представляет собой выход результирующих сигналов Х_i, вход i-го параметрического усилителя представляет собой вход, предназначенный для подачи оптического питания в виде m периодических последовательностей импульсов, каждая из которых содержит оптические импульсы с несущей частотой ω_3j ( j= 1,2,m), при этом каждый i-ый параметрический усилитель представляет собой полосковый световод в электрооптическом материале с нелинейностью 2-ого порядка типа LiNbO₃ с периодически инвертированной вдоль световода доменной структурой с периодом для j 1,2, m, где длины волн в световоде соответственно на частотах накачки ω_3j, сигнала ω_1j и холостой частоте ω_2j= ω_3j-ω_1j, а направленные ответвители выполнены частотоизбирательными и имеющими коэффициент перекрестной передачи, равный 1 для сигналов с несущими частотами ω_1j и равный 0 для сигналов с несущими частотами λ_3j.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5