Оптический логический элемент

 

Союз Советскик

Социалистических

Республик

< >714337

Ф л

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Зая влеио 16. 11.77 (21).2544672/18-25 с присоединением заявки,% (23) Приоритет

Опубликовано 05.02.80, Бюллетень РЙ5

Дата опубликования описания 08.02.80 (51)M. Кл.

Я 02Р З/ОО

Гесудерстнеииюй кеиитет

СССР пв делам иэоеретеиий и открытий (53) УДК 535.8 . (088,8) С. Q. Андренко и В. П. Шестопалов (72) Авторы изобретения

Ордена Трудового Красного Знамени институт радиофизики и электроники АН Украинской ССР (7l) Заявитель (54) Оптический логический элемент

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности, K оптическим логическим элементам, и может найти широкое применение. при создании и конструировании оптических вы5 числительных машин .

Известны логические элементы, выполняюшие различные функции булевой алгебры и использующие разнообразные с схемные решения.

Известен оптический логический элемент, в схеме которого использовано явдение изменения плоскости поляризации светового луча при прохождении через эдектрически управляемый кристалл f1) .

Известен также элемент НЕ-ИЛИ, в

15 котором обработка информации в виде оптических картин осуществляется при помо пи электрооптического преобразователя и оптической системы для проеци20 рования транспарантов t 2).

Логические элементы, основаннЫе на прохождении световых пучков через кристаллы и оптические системы для проеци2 рования картин, не могут быть реализованы в виде планарных интегральных схем- оптического дИапазона, Такие схемы представляют собой сугубо обьемные конструкции, обладают большими габаритами, низкой устойчивостью относительно внешних механических воздействий, высоким . уровнем внешних помех и, следовательно, низкой надежностью. Быстродействие элемента, использующего явление изменения плоскости поляризации проходящего через кристалл светового пучка, ограничено временем перекдючения управляюIUHx потенциалов. Элементы логики с использованием оптронов позволяют выполнять эти узлы в виде интегральных схем. Однако, такие схемы осуществляют обработку информации, передаваемой на частотах не оптического диапазона. Кроме того, надежность таких схем не может быть высокой, поскольку в них применяются элементы с малой надежностью.

Известен также оптический логический элемент, основанный на явлении взаимо

3 71 действия двух когерентных световых пучков, содержащий источник монохроматического света, коллиматор, устройства формирования световых пучков и устройство для анализа результата взаимодействия сформированных когерентных световых пучков. Элемент содержит одно полупрозрачное зеркало, после- которого установлены .одна пластина с изображением исходной информации и отражающее зеркало и другая пластина с изображением информации, отражающее и полупрозрачное эаркала и приемник результирующего изображения информации. Между коллиматором и одним полупрозрачным зеркалом установлен линейный поляризатор, а между другим отражавшим зеркалом и пластиной с изображением исходной информации установлена управляемая плоскопараллельная пластина. Исходный пучок квазимонохроматического света после KQJBIHMBTopB и поляризатора прН помощи полупрозрачного зеркала расщенляется на два световых пучка. Пластина с иаходной информацией располагается в одном из пучков. В другом пучир помещены плоскопараллельная плас тина, осуществляющая управление поляризацией, и пластина с изображением информации Г33.

При помощи системы зеркал — отражающих и полупрозрачных - световые пучки складываются B один, на выходе — которого и установлен .приемник результирующего изображения информации картинного типа. В тех точках результирующего пучка, где происходит взаимодействие двух линейно-поляризованных пучков с разностью фаз, равной 180,, имеет Место нулевая интенсивность (О" - на результирующей картине), В тех точках, где на исходной картине был записан О, такого взаимодействия не происходит и на приемник результирующего изображения информации попадает вспомогательный элементарный пучок света ("1 - на результирующей картине). При другой разности фаэ, которая определяется управляемой плоскопараллельной пластиной в одном из лучей, на выходе результирующего луча будет иная картина распределения интенсивности

Это обстоятельство обуславливает выцолнение нескольких логических операций данным логическим элементом (ИЛИ, НЕ, Сложение по спой2 ).

В схемном плане известный логический элемент представляет собой интер2 где 8 = —

Ф -- период решетки, A

А — длина волны; .С - угол падения светового пучка; — номер гармоники; а„- угол, под которым гармоника с индексом О покидает решетку.

Параметры световода (показатель преломления и поперечные размеры) выбраны из условия

45 Gp 0-3Е 9®сА где V — фазовая скорость волны, расCP: пространяющейся в световоде (определяется показателем пре$0 ломления, длиной волны и поперечными размерами световорапо известным дисперсионным зависимостям);

С - скорость света.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого элемента; на фиг. 2 представлено поведение уровня на выходе 7 при различных наборах значений Х1 и Х>

4337 4 ферометр, в одном из плеч которого включен управляемый элемент.

Недостатком йзвестного логического элемента является сравнительно низкое быстродействие, ограничиваемое временем срабатывания I управляющей пластины для изменения фазы.

Кроме того, функциональные воэможности этого элемента ограничиваются

10 выполнением всего лишь трех логичес» ких операций: ИЛИ, НЕ и Сложение по код 2, что также является его недостатком.

Цель предлагаемого изобретения

35 повышение быстродействия и расширение функциональных возможностей.

Для этого в оптическом логическом элементе, содержащем источник монохроматического света, устройства формирования световых пучков и устройство для анализа результата вэаимодейстия сформированных когерентных световых пучков, последнее выполнено в виде дифракционной решетки и связанного с ней по дифракционному полю световода, а устройства формирования световых пучков ориентированы таким образом, что углы падения пучков на решетку удовлетворяют соотношению:

П вЂ” сЮВЮ о Я CIC

5 71 при реализации логической операции дизъюнкция

Предлагаемый оптический логический элемент содержит источник l монохроматического света, связанный с устрой« ствами 2 и 3 формирования световых пучков 4и5,,например, световодами, и устройство для анализа результата взаимодействия сформированных когерентных световых пучков. Это устройство выполне но в виде дифракционной решетки 6 и связанного с ней при помощи электромагнитного (дифракционного) поля световода 7. На образованную этими элементами электродинамическую систему падают два когерентных световых пучка

4 и 5, сформированных устройствами 2 и 3. Эти пучки являются входами Х 4 и Х элемента. Углы падения пучков

4 и 5 относительно плоскости дифракционной решетки 6 прн определенных хахарактеристиках счетовода 7, длине волны и периоде структуры находятся из выражений, полученных иэ решения задачи о дифракции однородных плоских воин на периодических структурах, Йействне. предлагаемого лоГическоГО элемента происходит следующим образом.

Энергия волн источника 1 монохрома- тического света разветвляется на два канала, поступает в устройства 2 н 3, формирующие волновые световыэ пучки

4 и 5, и далее распространяется в свободном пространстве. Световод 7 расположен в непосредственной близости к плоскости решетки 6 так, что его ось составляет прямой угол со штрихами периодической структуры. Световые пучки 4 и 5, ориентированные относитель-. но решетки 6 под различными угламя, дифрагируют на ее элемеитай.

Рассеянное (дифрагированное) попе состоит иэ двух качественно различных частей: спектра однородных плоских.воли, уходяших от решетки 6 в свободное про-. странство, и неоднородных плоских волн, локализованных вблизи решетки 6.

Известно, что связь величин угла 4. падения пучка света, угла с „ при ко тором гармоника с номером о уходит от решетки 6, периода решетки 9 и pàèíû волны падающего поля К определяется следующим соотношением

4337 6 е где 80 = — - безразмерный параметр

- решетки.

При определенных условиях (x e )П.-.Ж Dink()ted «mего мнимая величина.

Соответствующая гармоника в этом случае является неоднородной плоской волной, экспоненциально убывающей с удалением от плоскости решетки. Фаэовая ско о рость V+ s направлении, перпендикулярном линиям штрихов, у такой волны меньше скорости света и определяется соотношением:

v =с

0-ЗРSW (2) где С вЂ” скорость света.

В предлагаемом логическом оптическом элементе, основанном на явлении ди фракции световых пучков на периодических структурах, используется то, что любой волновод поверхностных волн (в рассматриваемом случае световод 7), будучи электродинамически связанным с периодической структурой, при определенных условиях возбуждается резонансным обра- . зом. При выбранных значениях показателя преломления материала.световода 7, размеров его поперечного сечения, длины волны и периода решетки 6 согласно выражениям (1), (2) можно определить резонансный угол падения, т.е. угол при котором наведенная в световоде 7 энергия будет максимальной. При угле падения, отличающемся от резонансного, уровень наведенной в волноводе мощности снижается на несколько порядков. В случае резонанса нулю и единице на входе Х элемента, т.е. в луче, например 4, будут соответствовать такие же значения на выходе элемента, т.е.; выходе Y светово40.. да 7. Если второй световой пучок 5 (вход Х ) ориентирован относительно решетки 8 так, что резонансное возбужде» ние световода 7 осуществляется на дру 45 гой пространственной гармонике, то soaникновение сигналов на выходе g, cooT ветствуюших 1 М О, будет определяться, кроме характепистик решетки 6 и световода 7, еше и разностью фаэ пиух ди5О фрагируюших на решетке 6 волн световых

2 пучков 4 и 5 (входы Х и Х соответственно).

Известно, что элемент реализует данную логическую функцию только лишь в

55 том случае, если появление нулей и еди-ниц на входах и выходе соответствует этой функции. Рассмотрим логическую функцию "дизъюнкция или логическое сложение (ИЛИ).

714337

7

Поведение нулей и единиц на выходе логи"1еск6го элемента, выполняющего данную функцию, определяется следующей таблицей.

Обратимся к рассмотренной схеме (фиг. 1), работакицей в таком режиме, что разность фаз каналов Х и Х обуславливает синфазное сложение мощцостей на выходе элемента У. На вхо15 дах Х.1, Х и выходе примем за 0 и "

1 любый два уровня сигналов, которые уверенно могут быть различимы речист рисрующим устройством. . На фиг. 2 йредставлено поведение уровня на выходе V рассмотренной схемы при различных наборах значений Х и Х,„ Сравнение поведения уровней на

, .-Выходе У, представленных на фиг. 2 и в таблице, свидетельствует о их тож-:: : дественности. Это доказывает, что рассмотренная электродинамическая система (диФраяпионная решетка 6 и связан- ный с нею световод7) реализует функ" -,цию,логисческаго сложения (ИЛИ).

Эта же схема бйз изменения ее структУРЬ1 МОжэст РЕайИЗОВатЬ ЛОГИЧЕСКУЮ ОПЕрацйю "ЙЫиюченное или", если разность фаз по каналам Х и Х обуславливает

° вычитанйе "сигналов повторение .

У=К (о 1« =р< а- также операцию "константа" (ноль)— оС, о(, нй резонансные.

Предлагаемый логический элемент обпадает высоким быстродействием (в иэм i отсутствуют инерционные элементы) и Ъолее широкими функциональными возможностями, T&K как может реализовать пять логических операций (дизъюнкция ИЛИ, исключенное ИЛИ", «повторение - У = X V = Х, константа" ф 2 ноль) .

S0

Предлагаемый оптический логический ! элемент обеспечивает возможность выполнения его в виде интегральйой схемы оптического диапазона. При этом габа\ риты элемента станоВятся минимальны ми, увеличивается его устойчюость относительно внешних механических воздействий и помех оптического диапазона. Элемент прост ло конструкции и имеет высокую надежность.

Формула изобрете ния

Оптический логический элемент, содержащий источник монохроматического света, устройства формирования световых пучков и устройство для анализа р езультата взаимодействия сформированных когерентных световых пучков, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и расширения функциональных возможностей, устройство, анализа результата взаимодействия сформированных когерентных световых пучков выполнено в виде дифракционной решетки и связанного с ней по дифракционному полю световода, а устройства формирования световых пучков ориентированы таким образом, что углы падения пучйов на решетку удовлетворяют соотношению

И-Ж 810 с Я оС

0

« где эЕ = — . —. безразмерный параметр решетки; (- период решетки; длина Волны; с - угол падения светового пучка; и - комер гармоники; с - угол, под которым гармоО ника с индексом м покидает решетку, а параметры световода (показатель преломления и поперечные размеры)выбраны из условия. ,v .с-- —.—

ЗЮ сР д — 3E SI A с". где Ч - фазовая скорость волны в светов оде; C - скорость света.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

% 251220, кл. С 02 F 1/00, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

_#_y 263207, кл..g 02 В 3/00, 1968.

3. Авторское свидетельство СССР

N 395984, кл. К 03 К 19/14, 1971..

714 337

Ф -/

РраЕеи

Составитель В, Масленников

Р „р g Павлов Текред 3. Фанта КоРРектоР

Заказ 9283/43 Тираж 569 Подписное

БНИИПИ Гасударствейного комитета СССР по делам нзобретений н открытий

113035, Москва, Ж35, Раушская наб., д. 4l5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4