Оптоэлектронное вычислительное устройство

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при решении задач матричной алгебры. Техническим результатом является расширение класса решаемых задач за счет реализации матричного перемножения произвольной кратности. Устройство содержит матричный фотоприемник, матричный усилитель, матричный излучатель, оптический волновод, оптический У-разветвитель, объединенные по выходу оптические разветвления и фотоприемник. 3 ил.

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано в оптических вычислительных машинах при решении задач матричной алгебры.

Известны различные средства и способы матричных преобразований, основанные на перемножении матриц. Максимальное быстродействие обеспечивают устройства, в которых реализован параллельный принцип перемножения (а.с. N 422008, СССР, 1972 г., БИ N 12, 1974 г.; а.с. N 1226498, СССР, 1984 г., БИ N 15, 1986 г.). Недостатками данных устройств являются, во-первых, необходимость использования когерентного излучения (что затрудняет достижение высокой точности при многократном перемножении из-за неизбежных фазовых искажений), а, во-вторых, невозможность решения с их помощью задач матричной алгебры, требующих организации циклического перемножения матриц.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптоэлектронное вычислительное устройство (а.с. N 1802367, СССР, кл. G 06 E 3/00, опубл. 15.3.93), содержащее последовательно соединенные матричный фотоприемник, матричный усилитель и матричный излучатель.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности решения базовых задач матричной алгебры ввиду нереализуемости в устройстве матричного перемножения произвольной кратности.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи быстродействующего формирования следов (т.е. суммы диагональных элементов) Sp заданной матрицы A, возведенной в степень i, i= Sp(A), Sp(A²),..., Sp(A^N).

Поставленная задача возникает при анализе устойчивости систем управления, построении коэффициентов характеристического уравнения матрицы A, определении ее ранга, определителя и т.д. Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены оптический волновод, оптический Y-разветвитель, объединенные по выходу оптические разветвления и фотоприемник, вход оптического волновода является входом устройства, а выход подключен ко входам вертикального оптического разветвителя оптического блока умножения матриц, содержащего N групп из N объединенных по выходу вертикальных оптических разветвлений каждая, входы которых оптически связаны со входами-столбцами матричного входа блока, а выход каждого такого объединения разветвлен на N вертикальных оптических разветвлений оптического блока умножения матриц, выходы которых подключены ко входам столбцов вычислительного транспаранта оптического блока умножения матриц, выходы строк которого подключены ко входам объединенных горизонтальных оптических разветвлений N групп оптического блока умножения матриц, выходы которых подключены к входам соответствующих диспергирующих элементов этого блока, выходы которых образуют выход оптического блока умножения матриц, подключенный к матричному фотоприемнику, матричный излучатель подключен к транспонирующему за счет пространственной ориентации оптических разветвлений оптического блока умножения матриц входу оптического Y-разветвителя, первое оптическое разветвление которого объединено по выходу с оптическим волноводом, а диагональные выходы второго оптического разветвления оптического Y-разветвителя подключены к входам объединенных по выходу оптических разветвлений, выходы которых подключены ко входу фотоприемника, выход которого является выходом устройства.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где представлены функциональная схема оптоэлектронного вычислительного устройства, схема оптического блока умножения матриц, схема транспонирования матриц.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предложенного устройства. Устройство содержит многомодовый оптический волновод 1, оптический блок умножения матриц (ОБУМ) 2, матричный фотоприемник 3, матричный усилитель 4, матричный излучатель (МИ) 5, многомодовый оптический Y-разветвитель 6, выходные объединенные оптические разветвления 7, фотоприемник 8.

МИ может быть выполнен в виде матрицы светодиодов или полупроводниковых лазеров, причем, длины волн излучения элементов разных столбцов МИ должны быть различны: λ₁,...λ_N. Многомодовые оптические волновод 1 и Y-разветвитель 6 могут быть выполнены в виде механического объединения одномодовых оптических волноводов, топологически соответствующего матрице с заданной размерностью NxN.

Вход устройства оптически связан со входом многомодового оптического волновода 1, выход которого подключен ко входу ОБУМ 2. Выход ОБУМ 2 через последовательно соединенные матричные фотоприемник 3, усилитель 4 и излучатель 5 подключен ко входу многомодового оптического Y-разветвителя 6, первое многомодовое оптическое разветвление которого объединено по выходу с многомодовым оптическим волноводом 1, а диагональные выходы второго многомодового оптического разветвления оптически связаны со входами объединенных по выходу выходных оптических разветвлений 7, выходы которых подключены ко входу фотоприемника 8, выход которого является выходом устройства.

На фиг. 2 представлена функциональная схема ОБУМ 2. ОБУМ 2 содержит вертикальный оптический разветвитель 9, вычислительный транспарант 10, горизонтальный оптический разветвитель 11 и группу диспергирующих элементов (ДЭ) 12₁,...,12_N (например, призм, фильтров, дифракционных решеток и т.д.). Вертикальный оптический разветвитель (ВР) 9 представляет собой N групп из N объединенных по выходу вертикальных оптических разветвлений каждая, причем, выход данного объединения разветвляется далее также на N вертикальных оптических разветвлений. Горизонтальный оптический разветвитель (ГР) 11 представляет собой N групп 11₁,..11_N из N объединенных по выходу горизонтальных оптических разветвлений каждая. Входы N объединенных вертикальных оптических разветвлений 9₁₁, . ..,9_1N каждой группы ВР объединены со входами-столбцами матричного входа ОБУМ 2, а выходы вертикальных оптических разветвлений 9₂₁,. ..,9_2N каждой группы ВР подключены ко входам столбцов вычислительного транспаранта 10. Выходы строк вычислительного транспаранта 10 подключены ко входам объединенных горизонтальных оптических разветвлений соответствующих групп 11₁,..., 11_N ГР, выходы которых подключены ко входам ДЭ 12₁,..., 12_N, выходы которых являются выходами ОБУМ 2.

На фиг. 3 представлена схема транспонирования матрицы, содержащая N(N-1)/2 групп парных оптических разветвлений 13₁,..., 13_N(N-1)/2. Пространственная ориентация пары оптических разветвлений каждой группы 13i обеспечивает взаимную пространственную замену оптических участков плоского светового потока, соответствующих элементам матрицы со взаимообратными индексами.

Устройство работает следующим образом. На вход устройства поступает полихроматический импульсный световой поток, представляющий собой N точечных разделенных потоков с интенсивностью N усл(овных) ед(иниц) каждый с длинами волн λ₁,...λ_N, распределенных по диагонали плоскости (матрицы) входа оптического волновода 1. Проходя через оптический волновод 1, данный поток поступает на вход ОБУМ 2, формируя на его входе матричный оптический сигнал С, пропорциональный в начальный момент времени диагональной матрице с элементами, равными N.

В ОБУМ 2 происходит следующее. Световой поток на входе вертикального оптического разветвителя 9 образует на N входах вертикальных оптических разветвлений 9_1i, совокупность разнохроматических сигналов с интенсивностями, пропорциональными значениям элементов i-го столбца матрицы C: c_1i, ..., c_Ni. На выходе оптического разветвления 9_1i данные сигналы объединяются в полихроматический световой поток, который, поступая в оптическое разветвление 9_2i, выходы которого оптически связаны с соответствующими элементами i-го столбца вычислительного транспаранта 10 (т.е. i-й строки A_i исследуемой матрицы A, массиву элементов которой пропорциональна функция пропускания вычислительного транспаранта 10), обеспечивает умножение на каждый n-й элемент a_in всей необходимой совокупности элементов N^-1c_1i,..., N^-1c_Ni. Объединение световых потоков, формирующихся на выходах элементов строк вычислительного транспаранта 10, с помощью горизонтальных оптических разветвлений 11₁, ..., 11_N горизонтального оптического разветвителя 11 приводит к формированию на входе m-го ДЭ 12m полихроматической смеси N оптических сигналов с интенсивностями, пропорциональными S, т. е. пропорциональными значениям элементов с s_sm^* результирующей матрицы CA=C^*, которая в начальный момент времени (на первом шаге работы устройства) оказывается равной А. Расщепление каждого такого потока по горизонтали с помощью ДЭ позволяет разнести в пространстве оптические сигналы с длиной волны λ_i и интенсивностью c_im^*, сформировав, таким образом, на выходе ОБУМ 2 матрицу оптических сигналов с интенсивностями, пропорциональными значениям элементов матрицы C^*, причем, пространственная ориентация такой матрицы по отношению к ориентации матрицы С на входе обеспечивает на выходе ОБУМ 2 формирование транспонированной матрицы (CA)^T=A^TC^T = C^*T Далее плоский световой поток с выхода ОБУМ 2 поступает на вход матричного фотоприемника 3, выходные сигналы которого поступают на вход матричного усилителя 4, обеспечивающего усиление поступающих сигналов в 2NE раз (с целью компенсации последующих потерь интенсивности световых сигналов при разделении в ОБУМ 2 и оптическом Y-разветвителе 6, а также при многократном прохождении оптического Y- разветвителя 6 с коэффициентом затухания Е). С выхода матричного усилителя 4 матричный сигнал поступает на вход МИ5, обеспечивающего формирование на входе оптического Y-разветвителя 6 плоского полихроматического светового потока с распределением интенсивности, пропорциональным матрице C^*T. Т.к. на выходе ОБУМ 2 (и, следовательно, МИ5) формируется транспонированный массив C^*T, а для дальнейшего функционирования схемы устройства необходима непосредственно матрица С^*, то на входе оптического Y-разветвителя 6 осуществляется транспонирование входного массива за счет специальной пространственной разводки оптических разветвлений. Возможный вариант такой разводки приведен на фиг. 3, где в качестве элементов c_ij^* обозначены пространственные участки оптической матрицы C^* с интенсивностями, пропорциональными соответствующим элементам матрицы C^*. Группы парных оптических разветвлений 13_i осуществляют пространственное перераспределение оптических потоков (направления их показаны на фиг. 3 стрелками), обеспечивающее транспонирование выходной матрицы МИ5.

Входной поток в оптическом Y-разветвителе 6 разделяется на 2: первый поток образует на выходе оптического Y-разветвителя 6 поток с матричной интенсивностью С^*, а второй поступает по первому оптическому разветвлению на вход ОБУМ 2. Далее работа описанных функциональных блоков устройства повторяется аналогично вышеизложенному: в ОБУМ 2 происходит умножение матрицы С^* на матрицу A - на выходах оптического Y-разветвителя 6 формируются оптические матричные сигналы с интенсивностями, пропорциональными новой матрице C^* = A² на следующем шаге - C^* = A³ и т.д. Оптические сигналы, соответствующие диагональным элементам матрицы выходных оптических сигналов оптического Y- разветвителя 6, поступают на входы выходных объединенных оптических разветвлений 7, с объединенных выходов которых снимаются на каждом шаге работы устройства оптические сигналы с интенсивностями, пропорциональными соответственно Sp(A), Sp(A²),..., Sp(Aⁿ),... и т.д., поступающие далее на вход фотоприемника 8, выход которого является выходом устройства.

Таким образом, данное устройство обеспечивает формирование следов матрицы A, возведенной в степень i, Sp(A), Sp(A₂),..., Sp(A^N), с быстродействием, близким к потенциально возможному для оптических устройств.

Формула изобретения

Оптоэлектронное вычислительное устройство, содержащее последовательно соединенные матричный фотоприемник, матричный усилитель и матричный излучатель, отличающееся тем, что в него введены оптический волновод, оптический Y-разветвитель, объединенные по выходу оптические разветвления и фотоприемник, вход оптического волновода является входом устройства, а выход подключен к входам вертикального оптического разветвителя оптического блока умножения матриц, содержащего N групп из N объединенных по выходу вертикальных оптических разветвлений каждая, входы которых оптически связаны с входами-столбцами матричного входа блока, а выход каждого такого объединения разветвлен на N вертикальных оптических разветвлений оптического блока умножения матриц, выходы которых подключены к входам столбцов вычислительного транспаранта оптического блока умножения матриц, выходы строк которого подключены к входам объединенных горизонтальных оптических разветвлений N групп оптического блока умножения матриц, выходы которых подключены к входам соответствующих диспергирующих элементов этого блока, выходы которых образуют выход оптического блока умножения матриц, подключенный к матричному фотоприемнику, матричный излучатель подключен к транспонирующему за счет пространственной ориентации оптических разветвлений оптического блока умножения матриц входу оптического Y-разветвителя, первое оптическое разветвление которого объединено по выходу с оптическим волноводом, а диагональные выходы второго оптического разветвления оптического Y-разветвителя подключены к входам объединенных по выходу оптических разветвлений, выходы которых подключены к входу фотоприемника, выход которого является выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3