Оптический аналого-цифровой преобразователь

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике. В устройство включены оптические объединители, объединенные в N разрядных ячеек, каждая из которых содержит два оптических пространственно-частотных селектора, оптический Y-разветвитель, оптический пространственный амплитудный модулятор, оптический объединитель, причем входом устройства является вход оптического амплитудно-частотного преобразователя, выход которого подключен к входу первого оптического пространственно-частотного селектора первой разрядной ячейки, первый выход которого в каждой разрядной ячейке подключен к первому входу оптического объединителя данной разрядной ячейки, а второй выход подключен к входу оптического Y-разветвителя данной разрядной ячейки, второй выход которого является информационным выходом данной к-й разрядной ячейки и выходом соответствующего разряда устройства. Технический результат - обеспечение быстродействия, потенциально достижимого для чисто оптических устройств обработки информации. 1 ил.

 

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании чисто оптических устройств обработки информации и вычислительной техники.

Известны различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983], обеспечивающие преобразование аналогового сигнала в двоичный код. Недостатками этих АЦП являются большая сложность и низкое быстродействие, уменьшающееся с ростом разрядности АЦП.

Также известны АЦП, построенные на основе волноводных модуляторов типа Маха-Цендера [Семенов А.С. и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М.: Радио и связь, 1990. - 176 с, рис.7, 6], содержащие оптические бистабильные элементы и обеспечивающие преобразование электрического входного сигнала в код Грея. Недостатками данных АЦП являются: невозможность обеспечения аналого-цифрового преобразования оптических сигналов, невозможность преобразования входного аналогового сигнала в позиционный двоичный код, низкое общее быстродействие АЦП, обусловленное необходимостью использования в оконечном каскаде электронных элементов (фотодетектора, усилителя, компаратора) с суммарным временем срабатывания ≥10^-6 с.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналогово-цифровой преобразователь, описанный в патенте РФ N 2177165, 2001 г. Время преобразования в данном АЦП прямо пропорционально его выходному коду и периоду следования импульсов. Недостатками данного АЦП являются его сложность и низкое быстродействие.

Заявленное изобретение направлено как на решение задачи преобразования в позиционный двоичный код как электрических, так и оптических аналоговых сигналов, с быстродействием, потенциально возможным для чисто оптических устройств обработки информации, так и на решение задачи упрощения устройства.

Поставленная задача возникает при создании быстродействующих устройств обработки информации в системах управления и связи.

Сущность изобретения состоит в том, что в N-разрядный оптический аналого-цифровой преобразователь введены оптический амплитудно-частотный преобразователь, оптические пространственно-частотные селекторы, оптические Y-разветвители, оптические пространственные амплитудные модуляторы, оптические объединители, объединенные в N разрядных ячеек, каждая из которых содержит два оптических пространственно-частотных селектора, оптический Y-разветвитель, оптический пространственный амплитудный модулятор, оптический объединитель; входом устройства является вход оптического амплитудно-частотного преобразователя, выход которого подключен к входу первого оптического пространственно-частотного селектора первой разрядной ячейки, первый выход которого в каждой разрядной ячейке подключен к первому входу оптического объединителя данной разрядной ячейки, а второй выход подключен к входу оптического Y-разветвителя данной разрядной ячейки, второй выход которого является информационным выходом данной к-й разрядной ячейки и выходом соответствующего разряда устройства, а первый выход подключен ко входу оптического пространственного амплитудного модулятора данной разрядной ячейки, выход которого подключен ко входу второго оптического пространственно-частотного селектора данной разрядной ячейки, второй выход которого является поглощающим, а первый выход подключен ко второму входу оптического объединителя данной разрядной ячейки, выход которого является выходом переноса каждой разрядной ячейки и подключен ко входу первого оптического пространственно-частотного селектора следующей разрядной ячейки, при этом выход переноса последней (N-й, младшей) разрядной ячейки является поглощающим.

Сущность АЦП поясняется чертежом, где приведена функциональная схема N-разрядного устройства.

АЦП состоит из оптического амплитудно-частотного преобразователя 1,2·N оптических пространственно-частотных селекторов 2₁₁, 2₁₂, …, 2_N1, 2_N2, N оптических Y-разветвителей 3₁, …, 3_N, N оптических пространственных амплитудных модуляторов 4₁, …, 4_N, N оптических объединителей 5₁, …, 5_N.

Оптические пространственно-частотные селекторы 2_K1 2_K2, оптический Y-разветвитель 3_K, оптический пространственный амплитудный модулятор 4_K и оптический объединитель 5_K образуют К-ю разрядную ячейку (6 K), K=1, …, N.

Оптический амплитудно-частотный преобразователь 1 формирует на своем выходе фронт стоячей оптической монохроматической волны, пространственная частота которой пропорциональна интенсивности сигнала I на его входе. Он может быть выполнен в виде или параметрического генератора частоты, или оптического резонатора с оптически прозрачным периметром и управляемой сигналом I оптической длиной, или оптического мультиплексора, на вход которого подается набор фронтов стоячих монохроматических волн с заданными частотами [В.Г.Олифер, Н.А.Олифер. Компьютерные сети. - СПб.: Питер, 2003, - 270 с.].

Оптические пространственно-частотные селекторы 2₁₁, 2₁₂, …, 2_N1, 2_N2 могут быть выполнены в виде дихроичного элемента (призмы, фильтра, зеркала и т.д.), дифракционной решетки, призматического элемента. Функцией оптического пространственно-частотного селектора является пространственное разделение оптических сигналов по частоте если пространственная частота сигнала меньше заданной (для оптического пространственно-частотного селектора данной разрядной ячейки), то входной сигнал оптического пространственно-частотного селектора пройдет на его первый выход «<», если больше или равна - поступит на второй выход «>».

Оптические пространственные амплитудные модуляторы 4₁, …, 4_N могут быть выполнены в виде транспаранта с постоянной функцией пропускания (гармонической с соответствующей заданной частотой).

Оптические Y-разветвители 3₁, …, 3_N и второе оптическое ответвление каждого оптического объединителя 5₁, …, 5_N являются активными оптическими волноводами с коэффициентом усиления 2.

Входом устройства является вход оптического амплитудно-частотного преобразователя 1, выход которого подключен к входу первого оптического пространственно-частотного селектора 2₁₁ (являющемуся входом первой разрядной ячейки 6₁), первый выход которого подключен к первому входу оптического объединителя 5₁, а второй выход подключен ко входу оптического Y-разветвителя 3₁. Первый выход оптического Y-разветвителя 3₁ подключен ко входу оптического пространственного амплитудного модулятора 4₁, а второй выход является информационным выходом разрядной ячейки 6₁ - выходом N - го (старшего) разряда АЦП D_N. Выход оптического пространственного амплитудного модулятора 4₁ подключен ко входу второго оптического пространственно-частотного селектора 2₁₂, первый выход которого подключен ко второму входу (входу второго оптического ответвления) оптического объединителя 5₁, а второй выход является поглощающим. Выход оптического объединителя 5₁ является выходом переноса первой разрядной ячейки 6₁. Выход переноса первой разрядной ячейки 6₁ подключен ко входу второй разрядной ячейки 6₂ - ко входу первого оптического пространственно-частотного селектора 2₂₁. Выход переноса разрядной ячейки 6(К-1) подключен ко входу разрядной ячейки 6К, К=1, …, N, (ко входу первого оптического пространственно-частотного селектора 2_K1 разрядной ячейки 6_K), выход переноса разрядной ячейки 6N является поглощающим.

Информационные выходы всех K-х разрядных ячеек, К=1, …, N, образуют соответствующие выходы АЦП.

Рассмотрим работу аналогово-цифрового преобразователя на примере трехразрядного АЦП (поясняя отдельные значения параметров для общего случая N разрядов).

Пусть на вход АЦП подан сигнал интенсивности I, формирующий на выходе оптического амплитудно-частотного преобразователя 1 фронт стоячей оптической монохроматической волны с пространственной частотой ω₀, относительное значение которой ω₁ - относительно нижней границы возможного оптического диапазона частот [ω_min, ω_max]: ω₀=ω₁+ω_min, соответствует 5 усл.ед. (при этом весь диапазон изменения ω₁=К I, где К - коэффициент пропорциональности, составляет 7(2^N-1) усл.ед.).

Иными словами, на выходе оптического амплитудно-частотного преобразователя 1 формируется плоский оптический монохроматический поток с распределением амплитуды в направлении оси, перпендикулярной его распространению (обозначаемой далее Ох), равном A(x)=Acos(ω₀x), где А - постоянная известная величина.

Данный поток поступает на вход первой разрядной ячейки 6₁ - на вход ее оптического пространственно-частотного селектора 2₁₁, для которого частота пространственного разделения оптических сигналов равна:

Ω_р1=Ω₁+ω_min, где Ω₁=4(2^N-1) усл.ед.

Так как относительная частота (далее O-частота) входного сигнала оптического пространственно-частотного селектора 2₁₁ больше 4 усл.ед. (ω₁=5 усл.ед.), то сигнал появится на его втором выходе «>». Этот сигнал, с одной стороны, поступит на информационный выход данной разрядной ячейки 6₁, т.е. на выход старшего (N-го) разряда АЦП, где сформирует информационную «1» (оптический сигнал амплитуды А), а с другой стороны, - на вход оптического пространственного амплитудного модулятора 4₁ с функцией пропускания по оси Ox f₁(x)=cos(Ω₁x).

Таким образом, на выходе оптического пространственного амплитудного модулятора 4₁ появится оптический сигнал с распределением амплитуды по оси Ох, равным:

A₁(x)=Acos(ω₀x) cos(Ω₁x)=A/2·(cos(ω_ox+Ω₁x)+cos(ω₀x-Ω₁х)).

Данный двухчастотный оптический сигнал - с O-частотами ω₂=ω₁-Ω₁=1 усл.ед. и ω₁+Ω₁=9 усл.ед., поступает на вход оптического пространственно-частотного селектора 2₁₂, где происходит его разделение - оптический сигнал с O-частотой 9 усл.ед. проходит на его второй поглощающий выход «>», а с O-частотой 1 усл.ед. - на его первый выход «<» и далее, через оптический объединитель 5₁, на выход переноса первой разрядной ячейки 6₁ и на вход оптического пространственно-частотного селектора 2₂₁ второй разрядной ячейки 6₂.

Для оптического пространственно-частотного селектора 2₂₁ частота пространственного разделения оптических сигналов уже равна:

Ω_р2=Ω₂+ω_min, где Ω₂=2(2^N-2) усл.ед.

Так как O-частота входного сигнала оптического пространственно-частотного селектора 2₂₁ меньше 2 усл.ед. (ω₂=ω₁-Ω₁=1 усл.ед.), то сигнал появится на его первом выходе «<». Этот оптический сигнал через оптический объединитель 5₂ пройдет сразу на выход переноса второй разрядной ячейки 6₂ и на вход оптического пространственно-частотного селектора 2₃₁ третьей разрядной ячейки 6₃. На его втором выходе «>» при этом сигнал отсутствует и, следовательно, на выходе второго (N-1 -го) разряда АЦП формируется информационный «0».

Для оптического пространственно-частотного селектора 2₃₁ третьей разрядной ячейки 6₃ частота пространственного разделения оптических сигналов равна:

Ω_р3=Ω₃+ω_min, где Ω₃=1(2^N-3) усл.ед.

Следовательно, оптический сигнал на его входе с O-частотой ω₂=1 усл.ед. пройдет на его второй выход «>» и далее - непосредственно на выход младшего разряда АЦП, где будет сформирована информационная «1» (оптический сигнал амплитуды А). При этом можно дополнительно отметить, что аналогично вышеописанному на выходе оптического пространственного амплитудного модулятора 4₃ данной разрядной ячейки 6₃ (с функцией пропускания по оси Ох f₃(х)=cos(Ω₃x)) появится двухчастотный оптический сигнал с распределением амплитуды по оси Ох, равным:

А₃(х)=Acos[(ω₂+ω_min)х]cos(Ω₃x)=A/2·(cos[(ω₂+ω_min)x+Ω₃x]+cos[(ω₂+ω_min)x-Ω₃x]).

Сигнал с O-частотами ω₃=ω₂-Ω₃=0 усл.ед. и ω₂+Ω₃=2 усл.ед., который разделится в оптическом пространственно-частотном селекторе 2₃₂ - оптический сигнал с O-частотой 2 усл.ед. пройдет на его второй поглощающий выход «>», а с O-частотой 0 усл.ед. (на границе используемого диапазона) - на его первый выход «<», который в данной разрядной ячейке 6₃ тоже является поглощающим.

Очевидно, что данные сигналы не влияют на формирование кода АЦП - наличие оптического пространственного амплитудного модулятора 4₃ и оптического пространственно-частотного селектора 2₃₂ в данной (N-й) разрядной ячейке 6₃ (6_N) обусловлено как требованиями к унификации конструкции разрядной ячейки, так и потенциальной возможностью дальнейшего расширения разрядности АЦП.

Таким образом, на выходе АЦП формируется - практически в реальном масштабе времени, двоичный код {D₁,…,D_N}=«101», соответствующий входному аналоговому сигналу интенсивности I=5 усл.ед.

По существу, быстродействие рассмотренного АЦП определяется лишь временем амплитудно-частотного преобразования в оптическом амплитудно-частотном преобразователе 1 (не более 10^-10 с) и практически не зависит от разрядности АЦП.

Оптический аналого-цифровой преобразователь, содержащий оптические волноводы, отличающийся тем, что в устройство введены оптический амплитудно-частотный преобразователь, оптические пространственно-частотные селекторы, оптические Y-разветвители, оптические пространственные амплитудные модуляторы, оптические объединители, объединенные в N разрядных ячеек, каждая из которых содержит два оптических пространственно-частотных селектора, оптический Y-разветвитель, оптический пространственный амплитудный модулятор, оптический объединитель, причем входом устройства является вход оптического амплитудно-частотного преобразователя, выход которого подключен к входу первого оптического пространственно-частотного селектора первой разрядной ячейки, первый выход которого в каждой разрядной ячейке подключен к первому входу оптического объединителя данной разрядной ячейки, а второй выход подключен к входу оптического Y-разветвителя данной разрядной ячейки, второй выход которого является информационным выходом данной k-й разрядной ячейки и выходом соответствующего разряда устройства, а первый выход подключен ко входу оптического пространственного амплитудного модулятора данной разрядной ячейки, выход которого подключен ко входу второго оптического пространственно-частотного селектора данной разрядной ячейки, второй выход которого является поглощающим, а первый выход подключен к второму входу оптического объединителя данной разрядной ячейки, выход которого является выходом переноса каждой разрядной ячейки и подключен ко входу первого оптического пространственно-частотного селектора следующей разрядной ячейки, при этом выход переноса последней (N-й, младшей) разрядной ячейки является поглощающим.