Оптический вычислитель разности функций



Оптический вычислитель разности функций
Оптический вычислитель разности функций
Оптический вычислитель разности функций
Оптический вычислитель разности функций
Оптический вычислитель разности функций
Оптический вычислитель разности функций

 


Владельцы патента RU 2433445:

Аллес Михаил Александрович (RU)
Соколов Сергей Викторович (RU)
Ковалев Сергей Михайлович (RU)

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при выполнении операции алгебраической разности двух функций. Устройство содержит два источника излучения с длиной волны λ1 и λ2, первый и второй оптический транспарант, первый и второй оптический k×n-выходной разветвитель, оптически связанные волноводы, k групп по n оптических Y-объединителей, к оптических n-входных объединителей. Технический результат - выполнение операции вычисления алгебраической разности двух функций при одновременном увеличении вычислительной производительности. 3 ил.

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной логики, а также в оптических компьютерах при выполнении операции алгебраической разности двух функций.

Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для умножения оптических сигналов, содержащее оптический RS-триггер, оптический Y-разветвитель, три оптических бистабильных элемента, оптические волноводы с кольцевыми ответвлениями, оптические усилители, оптический компаратор, частотный фильтр, оптический транспарант [Пат. RU 2022328 С1, 1994. Оптический умножитель / С.В.Соколов].

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант.

Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность вычисления алгебраической разности двух функций.

Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для вычитания оптических сигналов [Пат. RU 2103721 С1, 1998. Устройство для вычитания оптических сигналов / С.В.Соколов, А.А.Баранник]. Устройство для вычитания оптических сигналов содержит оптические усилители, входной оптический разветвитель, две группы оптических транспарантов, оптические разветвления, кольцевое ответвление, оптический компаратор, оптическое ответвление, пару оптически связанных волноводов и оптический бистабильный элемент.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант, оптический разветвитель, оптически связанные волноводы.

Недостатками вышеописанного устройства являются высокая сложность и невозможность вычисления алгебраической разности двух функций.

Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь, принятый за прототип [Пат. RU 2020550 С1, 1994. Оптический функциональный преобразователь / С.В.Соколов], содержащий источник когерентного излучения, дифференциатор, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, оптический n-входной объединитель, оптически связанные волноводы, оптический модулятор.

Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический транспарант, оптический разветвитель, оптически связанные волноводы.

Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность вычисления алгебраической разности двух функций.

Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию вычисления алгебраической разности двух функций при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности до 105-106 операций в секунду.

Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего операцию вычисления алгебраической разности двух функций при одновременном увеличении вычислительной производительности.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптический вычислитель разности функций, содержащий первый источник излучения с длиной волны λ1, первый оптический транспарант, первый оптический k×n-выходной разветвитель, оптически связанные волноводы, введены второй источник излучения с длиной волны λ2, второй оптический k×n-выходной разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, k оптических n-входных объединителей, второй оптический транспарант, выход первого источника излучения подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя, выход второго источника излучения подключен ко входу второго оптического k×n-выходного разветвителя, ij-й выход (i=1, 2, …k; j=1, 2, …n) первого оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу первого матричного оптического транспаранта размерности k×n, ij-й выход которого подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя, ij-й выход (i=1, 2, …k; j=1, 2, …n) второго оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу второго матричного оптического транспаранта размерности k×n, ij-й выход которого подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя, выход ij-го оптического Y-объединителя подключен ко входному оптическому волноводу ij-й пары оптически связанных волноводов, первый выход которой является поглощающим, а второй выход ij-й пары оптически связанных волноводов подключен j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства.

Оптический вычислитель разности функций - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции алгебраической разности двух функций у1(x) и у2(х) и получения результирующей функции уРЕЗ(х):

Функциональная схема устройства показана на фигуре 1.

Оптический вычислитель разности функций содержит:

- 1 - первый источник излучения (ИИ) с интенсивностью k×n усл(овных) ед(иниц) и длиной волны λ1;

- 2 - второй ИИ с интенсивностью k×n усл.ед. и длиной волны λ2;

- 3 - первый оптический k×n-выходной разветвитель;

- 4 - второй оптический k×n-выходной разветвитель;

- 5 - первый матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции у1(x) в координатах у1(x), x;

- 6 - второй матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции у2(х) в координатах у2(х), x;

- 711, 712, …71n; 721, 722, …72n; …; 7k1, 7k2, …7kn - k групп по n оптических Y-объединителей;

- 811, 812, …81n; 821, 822, …82n; …; 8k1, 8k2, …8kn - k групп по n пар оптически связанных волноводов (ОСВ) с порогом переключения оптического потока 2 усл.ед. [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с., страница 148, рисунок 5.2];

- 91, 92, …9k - k оптических n-входных объединителей.

Выход первого ИИ 1 подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя 3, а выход второго ИИ 2 подключен ко входу второго оптического k×n-выходного разветвителя 4.

Каждый ij-й выход первого оптического k×n-выходного разветвителя 3 подключен к ij-му входу первого МОТ 5. Каждый ij-й выход первого МОТ 5 подключен к первому входу соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7ij; i, j=k, n.

Каждый ij-й выход второго оптического k×n-выходного разветвителя 4 подключен к ij-му входу второго МОТ 6. Каждый ij-й выход второго МОТ 6 подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя 7ij; i, j=k, n.

Выход ij-го оптического Y-объединителя 7ij подключен ко входу ij-й пары ОСВ 8ij. Второй выход ij-й пары ОСВ 8ij подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя 9i; i, j=k, n, первый выход каждой ij-й пары ОСВ 8ij является поглощающим.

Выходы оптических n-входных объединителей 91, 92, …9k являются выходами устройства.

Примеры изображений графиков функции у1(x) в координатах y1(x), x и функции у2(х) в координатах у2(х), х, а также графика модуля их разности - модуля результирующей функции уРЕЗ(х) в координатах уРЕЗ(х), х, показаны на фигурах 2 (а), (б) и (в) соответственно. На фигуре 2 (в) область положительных значений функции уРЕЗ(х) показано правой штриховкой, область отрицательных значений - левой штриховкой.

Схема ij-й пары ОСВ 8ij показана на фигуре 3.

Работа оптического вычислителя разности функций происходит следующим образом. С выхода НИ 1 оптический поток с интенсивностью k×n усл.ед. и длиной волны λ1 поступает на вход первого оптического k×n-выходного разветвителя 3. С выхода ИИ 2 оптический поток с интенсивностью k×n усл.ед. и длиной волны λ2 поступает на вход второго оптического k×n-выходного разветвителя 4.

На всех выходах первого оптического k×n-выходного разветвителя 3 формируются оптические потоки единичной интенсивности с длиной волны λ1, поступающие далее на вход первого матричного оптического транспаранта 5. На первом матричном оптическом транспаранте 5 записано изображение графика функции у1(x) в координатах у1(x), x (фигура 2а), имеющее единичную функцию пропускания (остальная часть транспаранта является поглощающей). Следовательно, на выходе первого матричного оптического транспаранта 5 будет сформировано изображение графика функции у1(x) в координатах у1(x), x в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков) с длиной волны λ1. Каждый из этих единичных потоков поступает на первый вход соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7ij.

Одновременно на всех выходах второго оптического k×n-выходного разветвителя 4 формируются оптические потоки единичной интенсивности с длиной волны λ2, поступающие далее на вход второго матричного оптического транспаранта 6. На втором матричном оптическом транспаранте 6 записано изображение графика функции у2(х) в координатах у1(x), x (фигура 2б), имеющее единичную функцию пропускания (остальная часть транспаранта является поглощающей). Следовательно, на выходе второго матричного оптического транспаранта 6 будет сформировано изображение графика функции у2(х) в координатах у2(х), x в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков) с длиной волны λ2. Каждый из этих единичных потоков поступает на второй вход соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7ij.

Так как каждый ij-й пиксел первого матричного оптического транспаранта 5 оптически связан - подключен к первому входу соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7ij, а каждый ij-й пиксел второго матричного оптического транспаранта 6 подключен ко второму входу этого же ij-го оптического Y-объединителя 7ij, то на выходах всех оптических Y-объединителей 711, 712, …71n; 721, 722, …72n; …; 7k1, 7k2, …7kn за счет объединения единичных оптических потоков от обоих МОТ 5, 6 будет сформировано изображение наложения двух функций у1(x) и у2(х) (показано на фигуре 2 в) в виде пространственно распределенного оптического потока, состоящего из совокупности оптических потоков со следующими интенсивностями и длинами волн:

1 усл.ед. с длиной волны λ1 - если у1(x)>у2(х), причем у1(x)≠0 и у2(х)≠0, ∀xi∈X;

1 усл.ед. с длиной волны λ2 - если у1(x)<у2(х), причем у1(x)≠0 и у2(х)≠0, ∀xi∈X;

2 усл.ед. с длинами волн λ1, λ2 - если у1(x)=у2(х), причем у1(x)≠0 и у2(х)≠0, ∀xi∈Х;

0 - во всех остальных случаях.

С выходов оптических Y-объединителей 711, 712, …71n; 721, 722, …72n; …; 7k1, 7k2, …7kn оптические потоки поступают на входы соответствующих пар ОСВ 811, 812, …81n; 821, 822, …82n; …; 8k1, 8k2, …8kn.

Если на вход пары ОСВ 8ij поступает оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед., то он проходит через входной оптический волновод на второй выход пары ОСВ 8ij, переключения оптического потока не происходит. Если на вход пары ОСВ 8ij поступает оптический поток с интенсивностью 2 усл.ед., то происходит переключение оптического потока из входного оптического волновода в выходной, оптически связанный со входным, - т.е. на первый выход пары ОСВ 8ij, где этот поток поглощается. (При этом на втором выходе пары ОСВ 8ij оптический поток отсутствует.)

Т.о. на выходе каждой пары ОСВ 811, 812, …81n; 821, 822, …82n; …; 8k1, 8k2, …8kn формируется оптический поток с интенсивностью и длиной волны, равными:

1 усл.ед. с длиной волны λ1 - если у1(x)>у2(х), причем у1(x)≠0 и у2(х)≠0, ∀xi∈X;

1 усл.ед. с длиной волны λ2 - если у1(x)<у2(х), причем у1(x)≠0 и у2(х)≠0, ∀xi∈X;

0 - во всех остальных случаях.

Таким образом, формируется изображение алгебраической разности функций у1(x) и у2(х) - т.е. результата операции, описываемой формулой (1):

- в виде пространственно распределенного оптического потока с длиной волны λ1 (фигура 2в - область правой штриховки), когда у1(x)>у2(х),

- и в виде пространственно распределенного оптического потока с длиной волны λ2 (фигура 2в - область левой штриховки), когда у1(x)<у2(х).

С выхода каждой из пары ОСВ 811, 812, …81n; 821, 822, …82n; …; 8k1, 8k2, …8kn оптический поток поступает на соответствующий j-й вход i-го оптического n-входного объединителя 9i.

На выходах всех оптических n-входных объединителей 9i, i=1,…,k, за счет суммирования соответствующего числа оптических потоков единичной интенсивности формируются оптические потоки с длинами волн λ1 и λ2, интенсивности которых пропорциональны положительным (длина волны λ1) и отрицательным (длина волны λ2) значениям функции уРЕЗ(х) соответственно, для каждого значения xi.

Т.о. на выходах всех оптических n-входных объединителей 91, 92, …9k - на выходе устройства формируется полихроматический плоский оптический поток с интенсивностью по оси x, пропорциональной как положительным (длина волны λ1), так и отрицательным (длина волны λ2) значениям функции уРЕЗ(х) соответственно.

Быстродействие оптического вычислителя разности функций определяется только динамическими характеристиками пар оптически связанных волноводов, время задержки которых составляет 10-12 с. Для существующих систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

Оптический вычислитель разности функций, содержащий первый источник излучения с длиной волны λ1, первый оптический транспарант, первый оптический k×n-выходной разветвитель, оптически связанные волноводы, отличающийся тем, что в него введены второй источник излучения с длиной волны λ2, второй оптический k×n-выходной разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, k оптических n-входных объединителей, второй оптический транспарант, выход первого источника излучения подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя, выход второго источника излучения подключен ко входу второго оптического k×n-выходного разветвителя, ij-й выход (i=1, 2, …k; j=1, 2, …n) первого оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу первого матричного оптического транспаранта размерности k×n, ij-й выход которого подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя, ij-й выход (i=1, 2, …k; j=1, 2, …n) второго оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу второго матричного оптического транспаранта размерности k×n, ij-й выход которого подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя, выход ij-го оптического Y-объединителя подключен ко входному оптическому волноводу ij-й пары оптически связанных волноводов, первый выход которой является поглощающим, а второй выход ij-й пары оптически связанных волноводов подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики.

Изобретение относится к вычислительной технике. .

Изобретение относится к вычислительной технике. .

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

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики. .

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

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при выполнении операции разности двух непрерывных множеств

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики

Изобретение относится к вычислительной технике

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации для решения оптимизационных задач математического программирования

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики
Наверх