Оптическое вычитающее устройство

Изобретение относится к средствам вычислительной техники. Сущность устройства заключается в формировании по двум входным оптическим сигналам Ia и Ib выходных оптических сигналов интенсивностью, равной разности первых двух сигналов Ia-Ib, Ib-Ia и сигнала Ia=Ib. Оптическое вычитающее устройство содержит m одинаковых групп элементов, каждая из которых состоит из оптических Y-разветвителей, оптических объединителей, оптических пороговых устройств, оптических логических устройств. Технический результат - повышение быстродействия при вычитании оптических сигналов. 1 ил.

 

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемо-передающих устройств.

Известные способы выполнения математической операции вычитания одного оптического сигнала из другого основаны на использовании методов пространственной фильтрации.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является когерентный аналоговый оптический процессор, использующий методы пространственной фильтрации [Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: Высш. шк., 1988. - 237 с.: ил. стр.160]. Оптическая система обработки информации методами пространственной фильтрации состоит из следующих компонентов: источника света, двух последовательно расположенных простейших систем преобразования Фурье, устройства ввода информации, пространственного операционного фильтра и детектора выходных сигналов.

Недостатком данного устройства является вычитание только когерентных сигналов, что сильно ограничивает их практическое использование.

Заявленное устройство направлено на решение задачи вычитания одного оптического сигнала из другого с быстродействием, потенциально возможным для оптических переключательных схем.

Поставленная задача возникает при разработке и создании чисто оптических вычислительных машин или приемо-передающих устройств, обеспечивающих обработку информации в гигагерцовом диапазоне и решается следующим образом.

Сущность устройства заключается в формировании по двум входным оптическим сигналам Ia и Ib выходных оптических сигналов интенсивностью, равной разности первых двух сигналов Ia-Ib, Ib-Ia и сигнала Ia=Ib.

Известное оптическое вычитающее устройство, содержащее источник света, две последовательно расположенные простейшие системы преобразования Фурье, устройство ввода информации, пространственный операционный фильтр и детектор выходных сигналов, строится на основе оптических объединителей, оптических Y-разветвителей, оптических пороговых устройств, оптических логических устройств и поясняется графически.

Устройство состоит из n оптических Y-разветвителей 1_i, n оптических объединителей 2_i, n оптических пороговых устройств 3_i, _i=1...n, n оптических логических устройств 4_i, _i=1...n, вычисляющих функцию y1=А&(НЕ В), n оптических логических устройств 5_i, _i=1...n, вычисляющих функцию y2=В&(НЕ А). Устройство состоит из m одинаковых групп элементов.

Информационными входами устройства являются входы Ia и Ib. Выходами устройства являются выходы Ia-Ib, Ib-Ia, Ia=Ib. Информационные сигналы, пройдя группу оптических разветвителей 1_i, 1_i+1, поступают на первые входы оптических объединителей 2_i, 2_i+1, на вторые входы которых поданы эталонные сигналы интенсивностью от 1 до n условных единиц. Выходы объединителей 2_i, 2_i+1 подключены к входам пороговых устройств 3_i, 3_i+1. Если интенсивность сигнала на входе больше заданного порога, то на выходе пороговых устройств появляется сигнал единичной интенсивности. Выходы пороговых устройств через разветвители 1_i+3, 1_i+4 и объединители 2_i+2, 2_i+3 подключены к входам оптических логических элементов 4_i и 5_i. Сигналы с выходов оптических логических элементов 4_i и 5_i через оптические объединители 2_i+4 и 2_i+5 поступают на входы оптических Y-разветвителей 1₄ и 1₅. Первые выходы оптических Y-разветвителей 1₄ и 1₅. являются выходами устройства Ia-Ib и Ib-Ia.

Рассмотрим работу оптического вычитающего устройства на примере вычитания из сигнала Ia интенсивности С+1 у.е. сигнала Ib интенсивности С у.е.

С входов Ia и Ib оптический сигнал через оптические Y-разветвители и оптические объединители, на вторые входы которых поданы сигналы интенсивности от 1 до n у.е., поступают на входы пороговых устройств.

Выходы пороговых устройств, на которые подан сигнал Ia, (нечетные) будут иметь следующие значения: от первого до m-2 будут нули; от m-1 до n - единицы. Выходы четных пороговых устройств будут иметь следующие значения: от первого до m-1 будут нули; от m до n - единицы. Выходы логических устройств 4_i и 5_i от 1 до m-2 и от m до n будут равны 0.

Так как интенсивность сигнала Ia>Ib, то на выходе логического устройства 4_i будет логическая 1. Если интенсивность сигнала Ib>Ia, то логическая 1 будет на выходе логического устройства 5_i. При разности оптических сигналов в k условных единиц на выходах логических устройств от m до m+k будут логические единицы. Если сигналы равны, то на выходах всех логических устройств будут нули и сигнал на выходе Ia=Ib будет равен нулю.

Таким образом, на выходах устройства Ia-Ib и Ib-Ia формируется сигнал, интенсивность которого равна разности поданных сигналов с точностью до 1 у.е.

Оптическое пороговое устройство может быть реализовано следующим образом. Оптическое пороговое устройство состоит из оптического объединителя 2_ii=1...2, двух оптически связанных волноводов 6_i,i=1...2 и источника оптического сигнала (ИОС) 1_i,i=1...2 единичной интенсивности. Под оптически связанными волноводами (ОСВ) понимаются два оптических волновода, имеющих общую зону связи [Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - M.: ВШ, 1988 г., с.176, 181]. Коэффициент связи между оптическими волноводами имеет пороговую статическую характеристику и определяется интенсивностью оптического сигнала в первом оптическом волноводе. Если интенсивность оптического сигнала на входе первого оптического волновода больше первого значения, то сигнал с входа первого оптического волновода ответвляется во второй оптический волновод и передается на его выход.

Входом оптического порогового устройства является вход первого ОСВ 6₁. Выход первого ОСВ 6₁ подключен к первому входу оптического объединителя 2₁. Ко второму входу оптического объединителя 2₂ подключен ИОС 1₂. Выход оптического объединителя 2₁ подключен к входу второго ОСВ 6₂, который является выходом устройства.

Рассмотрим работу оптического порогового устройства.

При интенсивности оптического сигнала меньше порогового значения первого ОСВ (в данном устройстве - 4 усл.ед.) сигнал, пройдя первый ОСВ, поступает на вход второго ОСВ (порог которого составляет 2 у.е.). Интенсивность сигнала на выходе второго ОСВ будет равна 0.

При интенсивности оптического сигнала больше порогового значения первого ОСВ сигнал на выходе первого ОСВ будет отсутствовать. В результате оптический сигнал интенсивностью 1 у.е. поступит на вход второго ОСВ. Он будет меньше порогового значения и поэтому пройдет на выход устройства.

Оптическое вычитающее устройство, отличающееся тем, что оно содержит m одинаковых групп элементов: n оптических Y-разветвителей, n оптических объединителей, n оптических пороговых устройств на основе оптически связанных волноводов, n оптических логических устройств, вычисляющих функцию y1=А&(НЕ В), n оптических логических устройств, вычисляющих функцию y2=В&(НЕ А), при этом информационными входами устройства являются входы Ia и Ib, которые подключены к входам оптических Y-разветвителей i, i+1, выходы которых подключены к первым входам оптических объединителей i, i+1, на вторые входы которых поданы эталонные сигналы интенсивностью п условных единиц, выходы объединителей i, i+1 подключены к входам пороговых устройств i, i+1, выходы пороговых устройств через Y-разветвители i+3, i+4 и объединители i+2, i+3 подключены ко входам оптических логических элементов, вычисляющих функцию y1 и y2, выходы которых через оптические объединители i+4 и i+5 поступают на входы оптических Y-разветвителей i-2 и i-1, первые выходы оптических Y-разветвителей i-2 и i-1 являются выходами устройства Ia-Ib и Ib-Ia.