Brevet FR2600176A1 — publié le 19871218

_61 La présente invention se rapporte à un processeur photonique à multiplexage de longueurs d'onde. La nouvelle génération des processeurs optiques développée récemment a permis de réaliser des 5opérations algébriques telles que les produits matrice-matrice ou matrice-vecteur ét des fonctions plus spécifiques telles que celles relatives au traitement d'images comme la convolution d'images, la conversion d'images incohérentes en images cohérentes, la 10 conversion de longueurs d'onde. Le processeur optique est essentiellement composé de trois parties: le transducteur d'entrée, l'unité de traitement et le transducteur de sortie. Les transducteurs d'entrée et de sortie réa15 lisent des transformations électroniques/optiques ou inversesde l'information à traiter. Le traitement de l'information s'effectue au niveau d'un bloc de fonctions optiques de modulation nommé ci-après modulateur spatial de lumière. On connaît des modulateurs spatiaux de lumière à effet acousto-optique utilisant une cellule de BRAGG formée de un ou plusieurs canaux. On constitue un processeur optique en adjoignant à ce type de modulateur un transducteur d'entrée et un 25 transducteur de sortie réalisant les conversions électroniques/optiques nécessaires. Or, la pratique d'opérations mathématiques directes sur des nombres numérisés nécessite autant de voies que de signaux élémentaires et on aboutit rapi30 dement à une limitation pratique provenant de la taille du modulateur. Un autre type d'architecture permet de concevoir un processeur systolique à partir de deux modulateurs spatiaux de lumière utilisés comme 35 transducteur d'entrée et d'un module directionnel par exemple un cube séparateur envoyant vers une sortie commune les signaux de sortie de l'un ou l'autre -2 modulateur, modulés par son homologue. Ce type de processeur est également limité en taille par les dimensions maximales possibles pour les modulateurs d'entrée. La présente invention a pour but de ne pas apporter de limitation d'ordre pratique. A cet effet, elle se rapporte à un processeur photonique caractérisé en ce qu'il se compose de plusieurs groupes de transducteurs principaux d'entrée réalisant 10 le multiplexage de longueurs d'onde \1, \2, > n affectées à chaque nombre à multiplier, chaque transducteur principal d'entrée représentant une voie principale opérative, le processeur se composant également de plusieurs groupes de transducteurs principaux de 15 sortie réalisant le démultiplexage de longueursd'onde après le traitement opératif, chaque transducteur de sortie représentant le point terminal d'une voie opérative élémentaire fournissant le résultat d'une opération élémentaire, les transducteurs principaux 20 d'entrée et de sortie étant reliés entre eux sur les voies opératives à travers un modulateur spatial de lumière multivoies selon des points opérateurs situés. dans des zones de caractéristiques optiques modifiables sous l'effet de commandes électriques 25 provenant des nombres à multiplier. Le processeur photonique selon l'invention présente de nombreux avantages: très faible énergie de fonctionnement grande rapidité le haut degré de parallélisme permet une réduction des dimensions le processeur permet d'effectuer un grand nombre de fonctions mathématiques algébriques en calcul matriciel et des opérations plus complexes par appli35 cation de la méthode des algorithmes itératifs... multiplicité des applications et fonctions: - commutateur optique rapide à voies multiples -3 - analyse d'images et traitement d'images par transformée de Fourrier, transformée de Laplace reconnaissance de formes amélioration de contrastes 5. applications robotiques: traitement en temps réel de l'information. Les caractéristiques techniques et d'autres avantages de l'invention sont consignés dans la description qui suit, effectuée à titre d'exemple non li10 mitatif en référence aux dessins accompagnants dans lesquels: la figure i est le schéma-bloc général du processeur photonique selon l'invention; la figure 2 est le schéma-bloc de détail d'un 15 transducteur principal d'entrée; la figure 3 est le schéma fonctionnel d'un modulateur spatial de lumière; la figure 4 est le schéma-bloc de détail d'un transducteur principal de sortie; 20. la figure 5 est une vue simplifiée en coupe longitudinale d'un type de multiplexeur ou de démultiplexeur à réseau microgravé dit "blazé"; les figures de 6 à 8 sont des schémas illustrant l'une ou l'autre variante du modulateur spatial de 25 lumière: - la figure 6 représente un-modulateur -acousto-optique; - la figure 7 représente-un modulateur électro-optique; - la figure 8 représente un modulateur magnéto-optique; la figure 9 est le schéma explicatif de la multiplication de deux nombres numérisés sur une voie. la figure 10 est le schéma général d'une version à 35 multiplication sur les valeurs analogiques dans le cas de deux matrices à trois lignes et à trois colonnes. -4 On décrira ci-après le processeur photonique dans sa généralité par l'association des fonctions remplies par chaque module de base appliqué à une multiplication de deux matrices à trois lignes et à 5 trois colonnes, chaque module étant susceptible d'être remplacé par un module équivalent en ce qui concerne les moyens ou la technologie. De façon générale, en référence à -la figure 1, le processeur photonique 1 conforme à l'invention 10 se compose de plusieurs transducteurs principaux d'entrée 2, 3, 4 relatifs à chaque voie principale opérative par exemple trois dans l'exemple choisi, d'un modulateur spatial de lumière 5 multivoies et de plusieurs transducteurs principaux de sortie par 15 exemple neuf, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 dans l'exemple choisi de la multiplication d'une matrice de trois lignes et trois colonnes all, a12,... aij, a33 par une matrice de taille identique de trois lignes et de trois colonnes b}l, b12,... bij,...b33. 20 Bien entendu, conformément à l'intérêt principal de l'invention, le nombre de lignes et de colonnes des matrices à multiplier n'est limité que par des considérations d'encombrement d'ordre pratique permettant toutefois de réaliser un nombre de voies très 25 largement supérieur aux possibilités actuelles. Ainsi, cette limitation du modulateur n'apporte aucun facteur contraignant en raison des possibilités importantes résultant de la grande densité d'intégration. On décrira maintenant plus en détail les fonctions élémentaires composant les transducteurs principaux d'entrée et de sortie ainsi que les fonctions principales du modulateur spatial de lumière en référence aux figures de 2 à 4. La figure 2 représente le détail fonctionnel d'un transducteur principal d'entrée. Il comprend de façon classique un convertis- -5 seur analogique/numérique 15 réalisant la numérisation en binaire mixte des nombres présents à son entrée, un registre à décalage 16 fonctionnant au rythme d'une horloge centrale H, un module de transposition en 5 longueurs d'onde> 1, À 2... i... >n propre à chaque bit, par exemple une unité 17 d'émetteurs lumineux par exemple à diodes laser telles que 18, reliées individuellement par des fibres optiques telles que 19 constituant un faisceau 20 à l'entrée d'un 10 multiplexeur de longueurs d'onde 21. Ce multiplexeur comporte un réseau 22, par exemple un réseau microgravé dit "blazé" dont la sortie, sous la forme d'une fibre optique unique 23, est reliée au modulateur spatial de lumière 5 sur autant de voies 15 identiques qu'il existe de colonnes bij à la matrice à multiplier par l'intermédiaire d'un séparateur optique 24. A chaque ligne aij de la première matrice sera affectée une voie principale aboutissant en 20 autant de points opérateurs 25 dans le modulateur spatial de lumière 5. Ces points opérateurs 25 sont reliés à autant de transducteurs principaux de sortie que de voies opératives, par exemple au nombre de neuf 25 référencés de 6 à 14, tels que représentés sur la figure 1 dans lesquels s'effectuent les opérations inverses de démultiplexage et les opérations de conversion numérique/analogique des nombres. Chaque point opérateur 25 d'entrée du 30 modulateur est relié à la sortie d'un registre à décalage 26 du modulateur piloté par l'horloge centrale H à fréquence élevée par exemple 1 Ghz. Le registre 26 reçoit l'expression binaire mixte du nombre à multiplier et applique chaque élément binaire 35 au point opérateur concerné du modulateur spatial au rythme de l'horloge centrale H. De même, l'information présente à chaque point opérateur 25 est séquentiel- -6 lement transmise au point opérateur voisin à chaque impulsion d'horloge. Plus précisément, chaque transducteur de sortie se compose d'un démultiplexeur 27 par exemple du même type que ceux utilisés pour le multiplexage, à savoir à réseau dit "blazé" duquel sortent les différentes longueurs d'onde individualisées attribuées à chaque élément binaire du nombre résultant de l'opération effectuée sur la voie opérative concernée. Les différentes longueurs d'onde sont transposées en signaux électroniques par un bloc de détection 28 équipé de photodiodes 29-suivies d'un amplificateurintégrateur ou une détection par un dispositif photosensible à transfert de charges dit CCD ou équivalent, propres à chaque voie.de démultiplexage, ce bloc faisant office de transducteur optoélectronique. Le résultat exprimé sous une forme binaire mixte est ensuite converti en forme binaire simple puis, le cas échéant, introduit dans un convertisseur numérique/analogique 30 qui lui permettra de trouver son expression décimale. On décrira ci-après un exemple de multiplexeur ou démultiplexeur 21 ou 27 à réseau 22 dit "blazé", c'est-à-dire à réseau optique microgravé disposé, comme le montre la figure 5, en inclinaison avec passage central 31 pour la source de lumière provenant du faisceau 19 de fibres optiques après la transposition en longueurs d'onde. Le faisceau de lumière propre à chaque fibre traversant le réseau "blazé" 22, est réfléchi par la * paroi opposée équipée d'un miroir concave ou parabolique 32 sur le plan du réseau 22 portant les microgravures, qui le renvoie sur le miroir 32 qui le réfléchit à nouveau vers un point unique de sortie o se trouve l'extrémité de la fibre optique unique 23. Inversement, dans le cas d'un démultiplexeur, cette fibre 23 constitue L'entrée et le -7 faisceau de fibres 19 la sortie. Dans une version plus élaborée et performante, on pourra remplacer le réseau "blazé" par un réseau holographique à haute efficacité de diffraction 5 dont les caractéristiques et la nature apporteront une amélioration sensible, en sélectivité de longueurs d'onde et en diffraction. Les diverses formes équivalentes du modulateur spatial de lumière 5 sont représentées schéma10 tiquement sur les figures 6, 7 et 8. Il s'agit en version de base d'un modulateur acousto-optique 33, par exemple une cellule de BRAGG, dans lequel chaque point opérateur 25 correspond à une zone élémentaire 34 de variation d'indice sous l'effet 15 d'une onde électrique de modulation transformée en onde acoustique par un transducteur approprié. Le faisceau est alors dévié ou non vers la fibre optique en fonction de la présence ou de l'absence de l'onde de modulation à l'entrée comme 20 représenté sur la figure 6. Le modulateur spatial 5 peut également être réalisé en technologie électro-optique. Dans ce type de modulateur, un champ électrique modifie les propriétés optiques d'un cristal de manière à obturer 25 le cristal pour le faisceau vers la fibre de sortie (figure 7). Il peut s'agir également d'un modulateur dit magnéto-optique, c'est-à-dire à variation de polarisation de la lumière comme représenté sur l.a figure 8. Ce modulateur se compose d'un filtre de polarisation ou polariseur 35 traversé par les faisceaux sortant des multiplexeurs. La lumière polarisée traverse une matrice 36 de valves magnéto-optiques formée de valves élémentaires telles que 37 propres à 35 chaque voie. Chaque zone élémentaire est commandée par un registre à décalage délivrant une présence ou une absence de tension en vue de faire tourner ou non le plan de polarisation d'une valeur constante. La lumière traverse ensuite un deuxième filtre polariseur dit analyseur 38 qui, selon le changement de rotation du plan de polarisation, sera transparent ou opaque pour le faisceau. L'analyseur 38 se comporte comme un élément opaque pour toute lumière ayant subi par la commande une rotation suffisante du plan de polarisation. On a réalisé ainsi un équivalent des 10 modulateurs ci-dessus. Les ensembles et sous-ensembles du processeur photonique selon l'invention sont reliés entre eux par des fibres optiques. On peut envisager de réaliser les liaisons des divers éléments par des 15 composants optiques classiques: lentilles ou équivalents. On décrira maintenant en référence à la figure 9 un exemple de multiplication numérique de deux nombres. Ce type de multiplication a lieu simultanément sur chaque voie au cours du fonctionnement en multiplication d'une matrice par une autre. La multiplication est réalisée par la méthode de convolution en utilisant une représentation binaire mixte. Les deux nombres ai et bj représentés sous forme binaire mixte sont injectés dans les deux registres à décalage 16 et 26 propres au multiplexage et au modulateur. A chaque impulsion d'horloge H, les deux 30 nombres Ai et Bj sont décalés respectivement vers le haut et à gauche. Le résultat de la multiplication du contenu du registre 16 de multiplexage par le bit le plus à gauche du registre 26 propre au modulateur est additionné au produit précédent au niveau des 35 détecteurs-intégrateurs. La fonction du modulateur spatial de lumière 5 est de coupler le faisceau de lumière à la fibre de sortie, si ce bit est égal à un, -9 ou de ne pas dévier ou de ne pas laisser passer le faisceau vers la fibre de sortie si le bit est nul. A chaque bit de l'expression binaire mixte du nombre à multiplier est associé une seule longueur 5 d'onde. Le multiplexeur permet l'envoi de toutes les longueurs d'onde dans une seule fibre. On réduit ainsi considérablement le nombre de points opérateurs 25 sur le modul!ateur donc ses dimensions, principal avantage de l'invention. Comme on peut le constater sur la figure 9 cette réduction apportée par le multiplexage est telle que l'on peut effectuer la multiplication de deux nombres en un seul point opérateur 25 sur le modulateur 5 quel que soit le nombre de bits utilisés pour 15 la représentation de ces deux nombres c'est-à-dire quelle que soit la grandeur de ces nombres. Le démultiplexeur sépare ensuite les longueurs d'ondes et la représentation des nombres en signaux électroniques peut être traitée et convertie 20 en vue de son expression décimale directement utilisable. Dans cette réalisation, on effectue le multiplexage directement sur les nombres de chaque colonne de la première matrice Aij et la multi25 plication simultanée sur trois voies opératives par les nombres d'une même ligne de la deuxième matrice Bij. Ainsi, à chaque impulsion d'horloge H, on associe simultanément sur chaque voie opérative 30 principale à chaque nombre d'une même colonne de la première matrice Aij une longueur d'onde d'intensité proportionnelle à la valeur du nombre. Les longueurs d'onde représentant la valeur de chaque nombre de chaque colonne sont multiplexées 35 et arrivent à chaque point opérateur 25 pour être multipliées séquentiellement par les nombres de chacune des trois lignes de la matrice Bij. Les - 10 résultats sont démultiplexés, c'est-àdire individualisés en produits partiels convertis en informations électroniques puis stockés. Ainsi, pour l'exemple de calcul matriciel 5 examiné, il n'existe qu'une unité d'émission 17 constituée simplement de trois émetteurs 18, par exemple à diodes laser, reliée à un seul multiplexeur 21 se poursuivant à travers le séparateur 24 vers le modulateur spatial de longueurs d'onde 5 sur trois voies 10 opératives uniquement recevant sur les trois points opérateurs 25 seulement les signaux électriques de commande provenant de chaque ligne de la deuxième matrice Bij à chaque impulsion d'horloge H. Les produits correspondant aux colonnes de la matrice 15 résultat Cij sont extraits sur les trois voies opératives par des démultiplexeurs distincts 27 pour retrouver sur les trois voies opératives élémentaires propres à chaque voie opérative principale les nombres cij de la matrice résultat Cij selon les colonnes de 20 cette matrice après transposition en signaux ou informations électroniques dans des détecteurs-intégrateurs tels que 39 formés chacun de trois détecteurs élémentaires 40, par exemple des photodiodes ou dispositifs à transfert de charges. On constate que la limitation en dimensions du modulateur pour des raisons d'ordre technique permet de traiter des matrices d'ordre très élevé et, par conséquent, n'apporte aucune contrainte dans la résolution d'opérations volumineuses et complexes. L'invention décrite ci-dessus est susceptible de modifications, variantes et variations à la portée de l'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de -la protection. - 11 REVENDICATIONS 1. Processeur photonique pour la réalisation d'opérations algébriques, notamment calculs matriciels, caractérisé en ce qu'il se compose de plusieurs groupes de transducteurs principaux d'entrée réalisant le mul5 tiplexage de longueurs d'onde A 1, \2, Xn affectées à chaque nombre ou expression de chaque nombre à multiplier, chaque transducteur principal d'entrée représentant une voie principale opérative, le processeur se composant également de plusieurs groupes de transduc10 teurs principaux de sortie réalisant le démultiplexage de longueur d'onde après le traitement opératif, chaque transducteur de sortie représentant le point terminal d'une voie opérative et fournissant le résultat d'une opération, les transducteurs principaux d'entrée et de 15 sortie étant reliés entre eux sur les voies opératives à travers un modulateur spatial de lumière (5) multivoies selon des points opérateurs (25) situés dans des zones de caractéristiques optiques modifiables sous l'effet de commandes électriques générées à partir des 20 nombres à multiplier. 2. Processeur photonique selon la revendication 1, pour la réalisation d'opérations algébriques, numériques, caractérisé en ce que chaque longueur d'onde >1, \2, >n est affectée à un bit de l'expression 25 binaire de chaque nombre à - multiplier, chaque transducteur principal d'entrée représentant une voie principale opérative, le processeur se composant également de plusieurs groupes de transducteurs principaux de sortie réalisant le démultiplexage de longueurs d'on30 de après le traitement opératif, chaque transducteur de sortie représentant le point terminal d'une voie opérative élémentaire et fournissant le résultat d'une opération élémentaire, les transducteurs principaux d'entrée et de sortie étant reliés entre eux sur les voies 35 opératives à travers un modulateur spatial de lumière - 12 (5) multivoies selon des points opérateurs (25) situés dans des zones de caractéristiques optiques modifiables sous l'effet de commandes -électriques provenant de registres à décalage (26) recevant chacun l'expression binaire mixte du nombre à multiplier. 3. Processeur selon la revendication 2 caractérisé en ce que chaque transducteur principal d'entrée comprend un convertisseur analogique/numérique (15), un registre à décalage (16), un module de transposition en 10 longueur d'onde propre à chaque bit suivi d'une unité d'émission (17) à émetteurs spécifiques (18) à une longueur d'onde et un multiplexeur de longueur d'onde (21) dont la fibre unique de sortie est divisée en autant de voies opératives par un séparateur optique 24. 4. Processeur selon la revendication 2 caractérisé en ce que chaque transducteur principal de sortie se compose d'un démultiplexeur (27) suivi d'un bloc de détection (28) à photodiodes (29) ou à dispositif sensible à transfert de charges faisant office de 20 transducteur optoélectronique et d'un convertisseur numérique/analogique (30). 5. Processeur selon les revendications 2, 3 et 4 caractérisé en ce que les multiplexeurs (21) ou - démultiplexeurs (27) sont à réseau optique microgravé 25 (22) avec passage central (31) pour le faisceau incident et émergeant, réseau disposé incliné devant un miroir concave ou parabolique (32). 6. Processeur selon les revendications 1 et 5 caractérisé en ce que le réseau optique microgravé est 30 un réseau holographique. 7. Processeur selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le modulateur spatial de lumière (5) est un modulateur acousto-optique à cellule de BRAGG. 8. Processeur selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que le modulateur spatial de lumière (5) est un modulateur électro-optique. - 13 9. Processeur selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que le modulateur spatial de lumière (5) est un modulateur magnéto-optique comprenant entre deux filtres de polarisation (35 et 38) une matrice 5 (36) de valves magnéto-optiques, le champ de commande réalisant la rotation du plan de polarisation. 10. Processeur selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que les opérations sont effectuées sur des grandeurs représentant, d'après leur 10 niveau ou leur intensité, I'expression analogique des nombres à multiplier et en ce que le mutliplexeur de longueur d'onde est unique pour les tous les nombres d'une même voie principale de calcul, par exemple d'une voie relative aux nombres d'une même ligne ou d'une 15 même colonne d'une matrice à multiplier par une autre matrice.