Оптический аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к специализированной технике обработки оптических сигналов и может быть использовано при разработке оптических систем связи и обработки информации. Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены оптический усилитель, источник когерентного излучения, входной оптический разветвитель, оптические волноводы, оптический шифратор, вход оптического усилителя является входом устройства, а выход с помощью оптического волновода подключен к входу первого оптического элемента в группе из N последовательно соединенных оптических бистабильных элементов, входы которых оптически связаны через оптический входной разветвитель с выходом источника когерентного излучения, инверсный выход каждого из оптически бистабильных элементов подключен с помощью оптического волновода к входу последующего элемента в группе, а прямые выходы оптических бистабильных элементов подключены к соответствующим входам оптического шифратора, выходами оптического шифратора являются выходы разрешенных двоичных комбинаций, которые и являются выходами устройства. Техническим результатом заявленного изобретения является достижение быстродействия, близкого к потенциально возможному для оптического устройства. 1 ил.

Изобретение относится к специализированной технике обработки оптических сигналов и может быть использовано при разработке оптических систем связи и обработки информации.

Известны различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), использующие элементы электронной технологии [Гитис Э.И. и Пискулов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи. - М.: Энергоиздат, 1991]. Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является интегрально-оптический АЦП [Семенов А. С. , Смирнов В.Л. и Шмалько А.В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации.-М.: Радио и связь, 1990], содержащий оптические бистабильные элементы (ОБЭ), полупроводниковый лазер, сигнальные электроды, электроды смещения, оптические усилители и компараторы.

Недостатки данных устройств являются сложность исполнения, а также низкое быстродействие, обусловленное необходимостью преобразования и обработки входных электрических сигналов.

Изобретение направлено на решение задачи синтеза оптического АЦП, обладающего простотой исполнения, позволяющего осуществлять обработку чисто оптических сигналов и имеющего быстродействие, близкое к потенциально возможному для оптических устройств. Подобная задача возникает при разработке быстродействующих оптических устройств для обработки информации, использующих в качестве информационных и управляющих сигналов только оптические сигналы.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены оптический усилитель, источник когерентного излучения, входной оптический разветвитель, оптический шифратор, вход оптического усилителя является входом устройства, а выход с помощью оптического разветвления подключен к входу первого оптического бистабильного элемента в группе из N последовательно соединенных оптических бистабильных элементов, входы которых оптически связаны через входной оптический разветвитель с выходом источника когерентного излучения, инверсный выход каждого из оптических бистабильных элементов подключен с помощью оптического разветвления к входу последующего элемента в группе, а прямые выходы оптических бистабильных элементов подключены к соответствующим входам оптического шифратора, которые являются входами группы оптических разветвителей, выходы которых образуют разрешенные двоичные комбинации на выходах оптического шифратора и являются выходами устройства.

На чертеже приведена функциональная схема оптического АЦП.

Оптический АЦП содержит оптический усилитель 1 (ОУ), источник когерентного излучения 2 (ИКИ), оптический разветвитель 3 (ОР), группу из N последовательно соединенных оптических бистабильных элементов 4_i (ОБЭ), оптические волноводы 4_1i, 4_2i (ОВ), оптический шифратор 5.

Вход АЦП совмещен с входом оптического усилителя I, выход которого подключен к входу оптического бистабильного элемента 4₁ в группе из N последовательно соединенных ОБЭ 4₁ ^oC 4_N. Выход источника когерентного излучения 2 подключен к входу оптического разветвителя 3, выходы которого подключены к входам каждого, кроме первого, ОБЭ 4₂ ^oC 4_N.

Инверсный выход каждого ОБЭ 4₁ подключен с помощью оптического волновода 4_2i к входу последующего ОБЭ 4_i+1 в группе ОБЭ 4₁^oC4_N, прямые выходы ОБЭ 4_i подключены через оптические волноводы 4_1i к соответствующим входам оптического шифратора 5, которые являются входами группы оптических разветвителей, выходы которых являются выходами 5_j оптического шифратора 5 и образуют разрешенные двоичные комбинации на выходе устройства.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии оптический сигнал на входе устройства отсутствует - на выходах АЦП сформирован нулевой код.

Аналоговый оптический сигнал определенной интенсивности A поступает через оптический усилитель 1 с коэффициентом усиления k₁, выбранным из расчета компенсации потерь в оптических волноводах и оптических разветвителях, на вход оптического бистабильного элемента 4₁, имеющего по сравнению с другими ОБЭ 4₂ ^oC 4_N наибольший порог срабатывания Δ₁ (для обеспечения функционирования АЦП порог порог срабатывания каждого последующего ОБЭ 4_i+1 по сравнению с порогом предыдущего 4_i меньше на величину ΔI - шага квантования входного сигнала по интенсивности, равного Δ₁N , где N - требуемое количество уровней квантования, определяемое из условия требуемой точности преобразования). Если интенсивность сигнала превышает порог срабатывания ОБЭ 4₁, на его выходе появляется сигнал, который по оптическому волноводу 4₁₁ поступает на 1-й вход оптического шифратора 5. Если интенсивность сигнала оказывается меньше порога срабатывания Δ₁ , то входной сигнал проходит на инверсный выход ОБЭ 4₁ и далее поступает по ОВ 4₂₁ на вход следующего ОБЭ 4₂, который имеет порог срабатывания Δ₂= Δ₁-ΔI.

Если интенсивность поступившего оптического сигнала превышает порог срабатывания ОБЭ 4₂, то сигнал с прямого выхода ОБЭ 4₂ поступит по ОВ 4₁₂ на второй вход оптического шифратора 5, в противном случае сигнал с инверсного выхода ОБЭ 4₂ через ОВ 4₂₂ поступит на вход следующего ОБЭ 4₃ в группе ОБЭ 4₁ ^oC 4_N и т.д. Порог срабатывания каждого ОБЭ в группе соответствует i-му уровню квантования по интенсивности входного аналогового сигнала и равен Δ_i= Δ₁-(i-1)ΔI. Различие порогов срабатывания у одинаковых ОБЭ достигается увеличением интенсивности входного сигнала каждого, кроме первого, ОБЭ 4₂ ^oC 4_N за счет сложения сигнала, поступающего на вход ОБЭ с дополнительным сигналом с выхода источника излучения 2 интенсивности (N-1)ΔIK₂ (K₂ - коэффициент усиления, выбранный из расчета компенсации потерь в оптическом разветвителе 3), сигнал интенсивности ΔI , равный требуемому шагу квантования, поступает на вход каждого ОБЭ 4₂ ^oC 4_N. Таким образом, начальный порог каждого ОБЭ 4₂ ^oC 4_N, равный Δ₁= N·ΔI , будет уменьшаться на величину ΔI при прохождении сигналом очередного ОБЭ вследствие увеличения входного сигнала на величину ΔI в каждом ОБЭ, сигнал на входе ОБЭ 4₁ равен K₁A, на входе ОБЭ 4₂-K₁A+ΔI , на входе ОБЭ 4₃ - K₁A+2DI и т.д.

Сигнал, прошедший по прямой выход одного из ОБЭ, соответствует определенному уровню квантования входного сигнала и поступает по оптическому волноводу 4_1i на i-й вход оптического шифратора 5. Для преобразования в цифровой (здесь - двоичный) код сигнал с входа оптического шифратора 5 поступает на вход соответствующего оптического разветвителя, откуда по оптическим разветвлениям поступает на выходы 5_j оптического шифратора 5, являющиеся разрядами выходного кода АЦП, соответствующего мгновенному значению входного аналогового сигнала A (приведена схема оптического шифратора 5 для стандартного двоичного кода).

Максимальное время срабатывания АЦП τ_АЦП складывается из времени срабатывания оптического усилителя 1 τ_oy , максимального времени срабатывания группы из N ОБЭ, равного N·τ , где τ - время срабатывания ОБЭ ( τ ≈ τ_oy≈ 10¹²C ) и времени срабатывания оптического шифратора, которым можно пренебречь вследствие его малости. Отсюда τ_АЦП = 10^-12 + N · 10^-12 = (N + 1) · 10^-12 и для 10-разрядного АЦП (N = 1024) не превышает 10^-9C.

Формула изобретения

Оптический аналого-цифровой преобразователь, содержащий оптические бистабильные элементы, оптические волноводы, оптический усилитель, источник когерентного излучения, входной оптический разветвитель, отличающийся тем, что в него введен оптический шифратор, вход оптического усилителя является входом устройства, а выход оптического усилителя с помощью оптического волновода подключен к входу первого оптического бистабильного элемента в группе из N последовательно соединенных оптических бистабильных элементов, входы которых оптически связаны через входной оптический разветвитель с выходом источника когерентного излучения, инверсный выход каждого из оптических бистабильных элементов подключен с помощью оптического волновода к входу последующего оптического бистабильного элемента в группе, а прямые выходы оптических бистабильных элементов подключены к соответствующим входам оптического шифратора, выходами оптического шифратора являются выходы разрешенных двоичных комбинаций, которые и являются выходами устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1