Способ интегрирования оптических сигналов по времени и устройства для его осуществления

 

Изобретение относится к вычислительной технике. Его применение для интегрирования ультракоротких оптических сигналов позволяет получить технический результат в виде увеличения быстродействия и точности интегрирования. Этот результат достигается благодаря тому, что параллельный пучок лучей падает на интегратор, состоящий из равных по оптической толщине слоев прозрачного диэлектрика, либо разделенных частично отражающими тонкими металлическими слоями, либо показатель преломления которых меняется по определенному закону. Отраженные от границ раздела световые пучки представляют собой последовательность одинаковых и задержанных относительно друг друга оптических импульсов, которые, перекрываясь в пространстве, создают сигнал, пропорциональный интегралу от импульса по времени. 4 с.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к способам и устройствам для вычислительного интегрирования.

Известны оптические интеграторы, построенные на основе свойств линзы, однако основная цель и структура этих устройств направлена на проведение различных математических операций, в том числе - интегрирования стационарных или медленно меняющихся во времени монохроматических сигналов (Л.Г.Бабчук, Ю. В. Богачев, Н. П.Заказнов и др. Прикладная оптика. - М.: Машиностроение, 1988. 312 с).

Известен способ оптического интегрирования, построенный на основе объединения оптических волноводов, заключающийся в оптическом преобразовании импульсов малой длительности от источника в световой сигнал, пропорциональный интегралу. Оптическое вычислительное устройство для осуществления этого способа содержит источник оптических импульсов малой длительности и оптический преобразователь на основе объединения оптических волноводов. (А.с. CCCР 1705814, G 06 E 3/00, опубл. 15.01.92).

Недостатком этих оптических интеграторов является то, что для интегрирования оптического сигнала по времени в качестве основной характеристики используется величина светового потока, применяется преобразование его в электрический сигнал, выделение медленной огибающей и последующее применение результата интегрирования для модуляции второго светового сигнала, как в первом случае, либо создается сложная система длинных световодов, освещающих транспаранты специальной конструкции, как во втором случае, оптические усилители и сумматоры мощности сигналов, прошедших различные каналы устройства. При этом часто упускается из виду, что подобные методы пригодны только для узкополосных сигналов, так как при определении амплитуды огибающей по мощности сигнала информация о фазе световой волны теряется, и точное интегрирование волнового процесса по времени оказывается невозможным.

В основу изобретения положена задача создания способа и устройств для интегрирования ультракоротких оптических сигналов по времени, в которых за счет сохранения полной информации об амплитуде и фазе оптического сигнала достигается увеличение точности интегрирования, а вследствие отсутствия каналов обратной связи и специальных транспарантов увеличивается быстродействие устройств.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в способе интегрирования оптических сигналов по времени путем оптического преобразования ультракоротких импульсов от источника излучения в световой сигнал, пропорциональный интегралу от импульса по времени, световые импульсы преобразуют в последовательность одинаковых отраженных и задержанных друг относительно друга оптических импульсов, пропорциональных исходному сигналу, и формируют суммарный световой импульс, при этом задержку для всех импульсов выбирают одинаковой и достаточно малой по сравнению с периодом самой высокочастотной компоненты ультракороткого импульса υ_гр, а амплитуды всех сигналов - одинаковыми.

В устройстве для осуществления способа интегрирования оптических сигналов по времени (в реальном масштабе времени), содержащем источник оптических импульсов малой длительности и оптический преобразователь, оптический преобразователь выполнен как многослойная система, состоящая из примыкающих друг к другу одинаковых тонких плоскопараллельных слоев оптически совершенного прозрачного диэлектрика толщиной l≪c/2nυ_гр, где υ_гр - самая высокочастотная компонента интегрируемого сигнала, снабженных широкополосными частично отражающими прозрачными тонкими зеркалами, для чего границы раздела слоев выполнены как тонкие металлические, коэффициенты отражения которых одинаковы или возрастают по мере удаления слоя от входной поверхности по экспоненциальному закону. Такое возрастание необходимо для компенсации убывания амплитуды волны по мере распространения сигнала вглубь системы. Отраженные сигналы, складываясь в области пространства на выходе интегрирующего устройства, формируют новый оптический импульс, форма которого приближенно соответствует интегралу от входного оптического сигнала.

В устройстве для осуществления способа, содержащем источник оптических импульсов малой длительности и оптический преобразователь, оптический преобразователь выполнен как многослойная система, состоящая из примыкающих друг к другу одинаковых тонких плоскопараллельных слоев оптически совершенного прозрачного диэлектрика толщиной l≪c/2nυ_гр, снабженных широкополосными частично отражающими прозрачными тонкими зеркалами, для чего границы раздела слоев выполнены как тонкие металлические, коэффициенты отражения которых одинаковы или возрастают по мере удаления слоя от входной поверхности по экспоненциальному закону.

В устройстве для осуществления способа, содержащем источник оптических импульсов малой длительности и оптический преобразователь, оптический преобразователь выполнен как многослойная система, состоящая из примыкающих друг к другу тонких плоскопараллельных слоев оптически совершенного прозрачного диэлектрика, оптическая толщина каждого k-того слоя удовлетворяет неравенству n_kl_k≪c/2υ_гр, а величина n_k монотонно возрастает или убывает от слоя к слою по линейному или экспоненциальному закону.

В устройстве для осуществления способа, содержащем источник оптических импульсов малой длительности и оптический преобразователь, оптический преобразователь выполнен в виде оптически прозрачной среды с показателем преломления n, меняющимся непрерывно в направлении распространения оптического сигнала, причем показатель преломления монотонно возрастает или убывает по линейному или экспоненциальному закону.

Использование сигналов оптического диапазона с одинаковой задержкой между ними и с одинаковой амплитудой сигналов и дальнейшее сведение задержанных сигналов в общей области пространства позволяет реализовать способ интегрирования оптических импульсов с несущей частотой светового диапазона; сохранить информацию об амплитуде и фазе сигнала в полном объеме, тем самым повысить точность интегрирования; осуществить теоретически предельное быстродействие выполнения интегрирования.

Предлагаемые способ и устройство поясняются фиг.1, представляющей схему реализации указанного способа интегрирования оптических сигналов по времени, фиг. 2, на которой представлены исходный импульс 2а и сигналы, отраженные от различных по номеру поверхностей, фиг.3а, на которой показана сумма отраженных сигналов, и фиг.3б, на которой приведен вычисленный интеграл от входной функции. На фиг. 4 показан результат решения волнового уравнения при падении импульса, имеющего гауссову форму с пространственной шириной в 4 раза меньше ширины зоны изменения n, на слой с линейным изменением n. На фиг.5 приведено изменение показателя n в таком слое.

На фиг. 1 показана схема реализации способа, в которой световой импульс от источника 1 через оптическое устройство, формирующее почти параллельный пучок лучей, условно показанное линзой 2, падает на интегратор 3, состоящий из равных по толщине слоев прозрачного вещества, разделенных частично отражающими тонкими металлическими слоями 1, 2...N. Отраженные от этих слоев пучки, перекладываясь в пространстве, создают суммарный отраженный сигнал, который, в частности, можно наблюдать в фокусе линзы.

В данной иллюстрации предполагается, что частично отражающие зеркала выполняют так называемое "металлическое" отражение и фазы всех частотных составляющих сигнала меняются на противоположные, поэтому знак суммарного сигнала противоположен знаку падающего.

Предлагаемые способ и устройства для интегрирования оптических сигналов можно пояснить следующим образом. Метод интегрирования основывается на способе приближенного вычисления интеграла методом прямоугольников: где f(t) - сигнал, Δt - шаг интегрирования, который должен быть выбран достаточно малым, чтобы ошибка вычисления была меньше заданной величины, и N=(t₂-t₁)/Δt - число отсчетов сигнала.

Таким образом, устройство, реализующее эту операцию, должно обеспечить: 1) формирование сдвинутых во времени на фиксированную величину Δt элементов сигнала; 2) суммирование всех элементов.

Ту же математическую операцию можно реализовать, используя френелевское отражение от слоев вещества с различными показателями преломления, величина которых монотонно нарастает или убывает от слоя к слою, а оптическая толщина k-того слоя остается постоянной при изменении k и удовлетворяет неравенству: n_kl_k≪c/2υ_гр. ((2) Такое возрастание необходимо для компенсации убывания амплитуды волны по мере распространения сигнала вглубь системы. Отраженные сигналы, складываясь в области пространства на выходе интегрирующего устройства, формируют новый оптический импульс, форма которого приближенно соответствует интегралу от входного оптического сигнала.

Второе устройство для осуществления способа интегрирования импульса по п. 1, содержит источник оптических ультракоротких импульсов и оптический преобразователь, отличающийся тем, что оптический преобразователь выполнен как многослойная система, состоящая из примыкающих друг к другу тонких плоскопараллельных слоев оптически совершенного прозрачного диэлектрика, оптическая толщина каждого k-того слоя удовлетворяет неравенству n_kl_k≪c/2υ_гр, а величина n_k монотонно возрастает или убывает от слоя к слою по линейному или экспоненциальному закону.

Поскольку фаза волны при отражении от слоя с меньшим n сохраняется, а большим - меняется на 180^o, очевидно, что интегрирование можно получить только в том случае, когда с ростом k выполняется одно из двух условий: либо n_k+1< n_k, (3) либо n_k+1> n_k. (4) В первом случае получим интеграл со знаком, совпадающим с верным знаком интеграла, во втором - с противоположным. Пучок, несущий сигнал, направляют на стопу пластин одинаковой оптической толщины так, как показано на фиг. 1, и регистрируют отраженный от стопы сигнал. Отражаясь от границ раздела, пучки формируют последовательность сдвинутых во времени образцов сигнала. Складываясь в пространстве, они создают суммарный сигнал, пропорциональный интегралу (точнее, сумме (1)).

Могут применяться и другие схемы сложения пучков - например, оптические схемы с полупрозрачным зеркалом, или многослойный эллиптический отражатель, комбинация сферических или параболических многослойных отражателей и т.д.

Подобный метод формирования сигнала, пропорционального интегралу от входного импульса, в реальном масштабе времени обладает двумя погрешностями:
во-первых, погрешность дискретизации; уменьшить ее можно, выбрав интервал (t по крайней мере в 4 раза меньше периода самой высокочастотной компоненты сигнала;
во-вторых, по мере проникновения в глубину стопы пластин одинаковой оптической толщины амплитуда сигнала уменьшается, эффект дополнительно усиливается при распространении отраженных от границ слоев сигналов назад при формирования суммы, уменьшить этот эффект можно, только уменьшая разность n_k+1 - n_k, но при этом одновременно падает величина самого сигнала, пропорционального интегралу. (Отметим, что в электронных устройствах при решении некоторых задач фильтрации такое уменьшение амплитуды запаздывающего сигнала вводится преднамеренно.)
Развитием метода является переход к непрерывному изменению показателя преломления прозрачного вещества, в котором распространяется исходный световой сигнал. На основании приведенного выше качественного рассмотрения ясно, что интегрирование выполняется по интервалу времени 2L/c, где L - полная оптическая толщина слоя, в котором происходит изменение показателя преломления. Возможно два варианта: монотонно убывающий показатель преломления позволяет сформировать собственно интеграл, монотонно возрастающий - интеграл с обратным знаком.

Решение задачи о необходимом законе изменения показателя преломления может быть найдено на основании решения интегрального уравнения распространения волны [3], однако приближенные его решения приводят к линейному закону изменения n в пространстве. При полном изменении показателя преломления на 20% от значения на входе в интегрирующий слой ошибка отличия отраженного сигнала от интеграла не превышают 10%. Фиг.4б показывает результат решения волнового уравнения для такого слоя при падении на него импульса, имеющего гауссову форму с пространственной длиной в 4 раза меньше ширины зоны изменения n (фиг.4а). Для удобства расчета полное изменение n было взято равным 0,75 при исходном значении n=1,5 (фиг.5). Выходной сигнал, показанный на фиг. 4, имеет форму медленно спадающего прямоугольника, в то время как в идеальном случае должен быть точный прямоугольник. Причина этого была указана выше и бороться с подобным эффектом можно, изменив форму и величину изменения n. В частности, моделирование показывает, что удовлетворительные результаты можно получить при экспоненциальном законе изменения показателя преломлени n в зависимости от координаты. Знак отраженного сигнала на фиг.4б отрицательный, поскольку рассмотрен вариант с возрастанием показателя преломления.

Формула изобретения

1. Способ интегрирования оптических ультракоротких импульсов по времени путем оптического преобразования ультракоротких импульсов от источника излучения в световой сигнал, пропорциональный интегралу от импульса по времени, отличающийся тем, что световые импульсы преобразуют в последовательность отраженных задержанных относительно друг друга оптических импульсов, идентичных исходному сигналу, и формируют суммарный импульс, при этом задержку для всех импульсов выбирают одинаковой и достаточно малой по сравнению с периодом самой высокочастотной компоненты ультракороткого импульса υ_гр, а амплитуды всех сигналов - одинаковыми.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее источник оптических ультракоротких импульсов и оптический преобразователь, отличающееся тем, что оптический преобразователь выполнен как многослойная система, состоящая из примыкающих друг к другу одинаковых тонких плоскопараллельных слоев оптически прозрачного диэлектрика толщиной l ≪ c/2nυ_гр, снабженных широкополосными частично отражающими прозрачными тонкими зеркалами, для чего границы раздела слоев выполнены как тонкие металлические, коэффициенты отражения которых одинаковы или возрастают по мере удаления слоя от входной поверхности по экспоненциальному закону.

3. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее источник оптических ультракоротких импульсов и оптический преобразователь, отличающееся тем, что оптический преобразователь выполнен как многослойная система, состоящая из примыкающих друг к другу тонких плоскопараллельных слоев оптически прозрачного диэлектрика, оптическая толщина каждого k-го слоя удовлетворяет неравенству n_kl_k ≪ c/2υ_гр, а величина n_k монотонно возрастает или убывает от слоя к слою по линейному или экспоненциальному закону.

4. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее источник оптических ультракоротких импульсов и оптический преобразователь, отличающееся тем, что оптический преобразователь выполнен в виде оптически прозрачной среды с показателем преломления n, меняющимся в направлении распространения оптического сигнала, причем показатель преломления монотонно возрастает или убывает по линейному или экспоненциальному закону.

РИСУНКИ

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