Оптоэлектронное вычислительное устройство

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических вычислительных машинах при решении задач матричного анализа. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет обработки чисел произвольной кратности. Устройство содержит оптический объединитель, два оптических блока умножения матриц, два оптических Y-разветвителя, матричный фотоприемник, матричный усилитель и матричный излучатель. 3 ил.

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

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 матричного анализа, 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 матричного анализа ввиду нереализуемости в устройстве матричного перемножения произвольной кратности.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи быстродействующего интегрирования матричных линейных дифференциальных уравнений общего вида где C - матрица-решение, A, B - известные постоянные матрицы.

Выбирая шаг интегрирования h системы (1) из требований к точности решения, приведенное матричное уравнение можно представить в следующей дискретной форме: C_k = C_k-1(E+hA)+hB·C_k-1 = C_k-1(E+hA)+(C_k-1^T·hB^T)^T, (2) где E - единичная матрица, K - номер шага решения.

Последняя форма в (2) C_k = C_k-1(E+hA)+(C_k-1^T · hB^T)^T (3) является исходной для формирования решения в предлагаемом устройстве.

Подобная задача возникает при решении уравнений теории стохастического оценивания, теории устойчивости систем управления и т.д.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены оптический объединитель, два оптических блока умножения матриц и два оптических Y-разветвителя, вход первого оптического Y-разветвителя является входом устройства, а выход его второго оптического разветвления является транспонирующим за счет пространственной ориентации оптических разветвлений, выход каждого его оптического разветвления подключен ко входам вертикального оптического разветвителя соответствующего 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 оптических разветвлений 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 ко входам соответствующих диспергирующих элементов этого блока, выходы которых образуют выход оптического блока умножения матриц, а выходы обоих оптических блоков умножения матриц подключены ко входам оптических ответвлений оптического объединителя, вход второго из которых является транспонирующим за счет пространственной ориентации оптических разветвлений, а выход оптического объединителя подключен к матричному фотоприемнику, матричный излучатель подключен к транспонирующему за счет пространственной ориентации оптических разветвлений входу второго оптического Y-разветвителя, первое оптическое разветвление которого объединено с первым оптическим Y-разветвителем, а выход второго оптического разветвления 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 Y-разветвитель 1 с оптическими разветвлениями 1₁, 1₂; два оптических блока умножения матриц (ОБУМ) 2₁, 2₂; многомодовый оптический объединитель 3 с оптическими ответвлениями 3₁, 3₂; матричный фотоприемник 4, матричный усилитель 5, матричный излучатель (МИ) 6, многомодовый оптический Y-разветвитель 7 с оптическими разветвлениями 7₁, 7₂.

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 Y-разветвители 1, 7 и оптический объединитель 3 могут быть выполнены в виде механического объединения одномодовых оптических волноводов, топологически соответствующего матрице с заданной размерностью N x N. Участки перечисленных многомодовых оптических волноводов, отмеченные на фиг. 1 индексом s, соответствуют конструктивной разводке одномодовых оптических волноводов, обеспечивающей транспонирование матрицы - сигнала и описанной далее (при описании фиг. 3).

Вход устройства оптически связан со входом многомодового оптического Y-разветвителя 1, выходы оптических разветвлений 1₁, 1₂ которого подключены ко входам ОБУМ 2₁, 2₂. Выходы ОБУМ 2₁, 2₂ подключены ко входам оптических ответвлений 3₁, 3₂ многомодового оптического объединителя 3, выход которого через последовательно соединенные матричные фотоприемник 4, усилитель 5 и излучатель 6 подключен ко входу многомодового оптического Y-разветвителя 7, первое многомодовое оптическое разветвление 7₁ которого объединено с многомодовым оптическим Y-разветвителем 1, а выход второго многомодового оптического разветвления 7₂ является выходом устройства.

На фиг. 2 представлена функциональная схема ОБУМ 2₁, i= 1, 2. ОБУМ 2_i содержит вертикальный оптический разветвитель 8, вычислительный транспарант 9, горизонтальный оптический разветвитель 10 и группу диспергирующих элементов (ДЭ) 11₁,...,11_N (например, призм, фильтров, дифракционных решеток и т.д.). Вертикальный оптический разветвитель (ВР) 8 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) 10 представляет собой N групп 10₁,...,10_N из N объединенных по выходу горизонтальных оптических разветвлений каждая.

Входы N объединенных вертикальных оптических разветвлений 8₁₁,...,8_1N каждой группы ВР объединены со входами-столбцами матричного входа ОБУМ 2_i, а выходы вертикальных оптических разветвлений 8₂₁,...,8_2N каждой группы ВР подключены ко входам столбцов вычислительного транспаранта 9. Выходы строк вычислительного транспаранта 9 подключены ко входам объединенных горизонтальных оптических разветвлений соответствующих групп 10₁,...,10_N ГР, выходы которых подключены ко входам ДЭ 11₁,...,11_N, выходы которых являются выходами ОБУМ 2_i.

На фиг. 3 представлена схема транспонирования матрицы, содержащая N(N-1)/2 групп парных оптических разветвлений 12₁,...,12_N(N-1)/2. Пространственная ориентация пары оптических разветвлений каждой группы 12_i обеспечивает взаимную пространственную замену оптических участков плоского светового потока, соответствующих элементам матрицы со взаимообратными индексами.

Устройство работает следующим образом. На вход устройства поступает полихроматический матричный импульсный световой поток с распределением интенсивности, пропорциональной 2NC₀ (C₀ - матрица начальных условий в (1)), представляющий собой матрицу точечных разделенных потоков, монохроматичных по строке с длинами волн λ₁,...λ_N соответственно. Проходя через оптический Y-разветвитель 1, данный поток поступает на вход ОБУМ 2₁, формируя на его входе матричный оптический сигнал, пропорциональный NC₀, и через транспонирующий участок 1_s оптического разветвления 1₂ - на вход ОБУМ 2₂, формируя на его входе матричный сигнал, пропорциональный NC₀^T. В ОБУМ 2₁ происходит следующее.

Световой поток на входе вертикального оптического разветвителя 8 образует на N входах вертикальных оптических разветвлений совокупность разнохроматических сигналов с интенсивностями, пропорциональными значениям элементов i-го столбца матрицы C₀: N · С_1i,..., N · C_Ni. На выходе оптического разветвления 8_1i данные сигналы объединяются в полихроматический световой поток, который, поступая в оптическое разветвление 8_2i, выходы которого оптически связаны с соответствующими элементами i-го столбца вычислительного транспаранта 9 (т.е. i-й строки матрицы E+hA, массиву элементов которой пропорциональна функция пропускания вычислительного транспаранта 9), обеспечивает умножение на каждый n-й элемент матрицы (E+hA)-e_in+h · a_in, всей необходимой совокупности элементов С_1i,...,С_Ni. Объединение световых потоков, формирующихся на выходах элементов строк вычислительного транспаранта 9, с помощью горизонтальных оптических разветвлений 10₁,...,10_N горизонтального оптического разветвителя 10 приводит к формированию на входе m-го ДЭ 11m полихроматической смеси N оптических сигналов с интенсивностями, пропорциональными т.е. пропорциональными значениям элементов c_sm^* результирующей матрицы C₀(E+hA)=C^*.

Расщепление каждого такого потока по горизонтали с помощью ДЭ позволяет разнести в пространстве оптические сигналы с длиной волны λ_i и интенсивностью с_im^*, сформировав, таким образом, на выходе ОБУМ 2₁ матрицу оптических сигналов с интенсивностями, пропорциональными значениям элементов матрицы C^*, причем пространственная ориентация такой матрицы по отношению к ориентации матрицы C₀ на входе обеспечивает на выходе ОБУМ 2₁ формирование транспонированной матрицы C^*T. Аналогично на выходе ОБУМ 2₂, функция пропускания вычислительного транспаранта которого пропорциональна hB^T, формируется матричный оптический сигнал с распределением интенсивности (C₀^T · hB^T)^T=C^**, транспонируемый далее при прохождении оптического участка 3_s оптического ответвления 3₂. Матричные оптические сигналы C^*T и C^**T суммируются на выходе оптического объединителя 3, формируя матричный сигнал с интенсивностью, пропорциональной (C^*T + C^**T) = C₁^T, C₁ - значение решения на первом шаге.

Далее плоский световой поток с выхода оптического объединителя 3 поступает на вход матричного фотоприемника 4, выходные сигналы которого поступают на вход матричного усилителя 5, обеспечивающего усиление поступающих сигналов в 4NE раз (с целью компенсации последующих потерь интенсивности световых сигналов при разделении в ОБУМ 2₁, 2₂ и оптических Y-разветвителях 1, 7, а также при многократном прохождении оптического Y-разветвителя 7 с коэффициентом затухания Е).

С выхода матричного усилителя 5 матричный сигнал поступает на вход МИ 6, обеспечивающего формирование на входе оптического Y-разветвителя 7 плоского полихроматического светового потока с распределением интенсивности, пропорциональным матрице (C^*T + C^**T). Т.к. для дальнейшего функционирования схемы устройства необходима непосредственно матрица C^* + C^** = C₁, то на входе оптического Y-разветвителя 7 (на участке 7_s) 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 12_i осуществляют пространственное перераспределение оптических потоков (направления их показаны на фиг. 3 стрелками), обеспечивающее транспонирование выходной матрицы МИ 6.

Входной поток в оптическом Y-разветвителе 7 разделяется на 2: первый поток образует на выходе оптического Y-разветвителя 7 поток с матричной интенсивностью, пропорциональной C₁, а второй поступает по первому оптическому разветвлению 7₁ на входы ОБУМ 2₁, 2₂. Далее работа описанных функциональных блоков устройства повторяется аналогично вышеизложенному.

В ОБУМ 2₁ происходит умножение матрицы C₁ на матрицу (E+hA), в ОБУМ 2₂ - матрицы C₁^T на матрицу hB^T, на выходах оптического Y-разветвителя 7 формируются оптические матричные сигналы с интенсивностями, пропорциональными матрице C₂ - значению решения (3) на втором шаге, на следующем шаге - C₃ и т.д.

Таким образом, данное устройство обеспечивает формирование матричных дифференциальных уравнений вида (1) 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 объединитель, два оптических блока умножения матриц и два оптических Y-разветвителя, вход первого оптического Y-разветвителя является входом устройства, а выход его второго оптического разветвления является транспонирующим за счет пространственной ориентации оптических разветвлений выход каждого его оптического разветвления подключен ко входам вертикального оптического разветвителя соответствующего 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 ко входам соответствующих диспергирующих элементов этого блока, выходы которых образуют выход оптического блока умножения матриц, а выходы обоих оптических блоков умножения матриц подключены ко входам оптических ответвлений оптического объединителя, вход второго из которых является транспонирующим за счет пространственной ориентации оптических разветвлений, а выход оптического объединителя подключен к матричному фотоприемнику, матричный излучатель подключен к транспонирующему за счет пространственной ориентации оптических разветвлений входу второго оптического Y-разветвителя, первое оптическое разветвление которого объединено с первым оптическим Y-разветвителем, а выход второго оптического разветвления является выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3