Оптический аналого-цифровой преобразователь
OPTICAL ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники.
Известны различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), обеспечивающие преобразование аналогового сигнала в двоичный код, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983]. Недостатками данных АЦП являются низкое быстродействие, уменьшающееся с ростом разрядности АЦП, и большая сложность.
-6
Также известны АЦП 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 оптический бистабильный элемент и обеспечивающие преобразование электрического входного сигнала в код Грея. Недостатками данных АЦП являются: 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 с.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналогово-цифровой преобразователь [патент РФ N 2177165, 2001г.], содержащий оптический бистабильный элемент, оптический генератор тактовых импульсов, оптический объединитель, два оптических волновода, группу оптических Y-разветвителей, оптический двоичный счетчик, оптический усилитель, оптический цифро-аналоговый преобразователь, оптический компаратор, оптический Y-разветвитель обратной связи и оптический элемент задержки. Время преобразования в данном АЦП прямо пропорционально его выходному коду и периоду следования импульсов. Т.к. данный АЦП функционирует в циклическом режиме работы (по окончании временного интервала преобразования счетчик устанавливается в начальное состояние и поэтому преобразование всегда начинается с нуля), то его недостатком является низкое быстродействие.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения быстродействия преобразования в позиционный двоичный код электрических аналоговых сигналов.
Поставленная задача возникает при создании быстродействующих устройств обработки информации в системах управления и связи, обеспечивающих обработку информации в гигагерцовом диапазоне.
Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены источник когерентного излучения, N последовательно соединенных входных оптических Y-разветвителей, оптический фазовый модулятор, электрооптический амплитудный модулятор, N разрядов ОАЦП, каждый из которых, кроме нулевого, включает входной оптический Y-объединитель, оптический бистабильный элемент (ОБЭ) первой группы, оптический усилитель, выходной оптический Y-разветвитель, выходной оптический Y-объединитель, ОБЭ второй группы, прямой выход которого является поглощающим, при этом входом каждого разряда, кроме нулевого, является вход ОБЭ первой группы, а выходом – первый выход выходного оптического Y-разветвителя, выход источника когерентного излучения подключен ко входу N-го входного оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора, управляющий вход которого является входом устройства, а второй выход N-го входного оптического Y-разветвителя подключен ко входу оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу последовательного соединения (N-1) входных оптических Y-разветвителей, при этом первый выход (i-1)-го (i=2...N) входного оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу выходного оптического Y-объединителя i-го разряда ОАЦП, второй - ко входу (i-2)-го входного оптического Y-разветвителя, а второй выход первого входного оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу выходного оптического Y-объединителя 1-го разряда ОАЦП, выход электрооптического амплитудного модулятора подключен ко входу N-го разряда ОАЦП, при этом в каждом i-м разряде ОАЦП инверсный выход ОБЭ первой группы подключен к первому входу входного оптического Y-объединителя, а прямой выход - ко входу оптического усилителя, выход которого подключен ко входу выходного оптического Y-разветвителя, первый выход которого является выходом данного i-го разряда ОАЦП, а второй подключен к первому входу выходного оптического Y-объединителя, выход которого подключен ко входу ОБЭ второй группы, инверсный выход которого подключен ко второму входу входного оптического Y-объединителя, выход которого подключен ко входу следующего меньшего - (i-1)-го, разряда ОАЦП, при этом выход входного оптического Y-объединителя первого разряда ОАЦП является выходом 0-го разряда ОАЦП, а выходы всех N разрядов ОАЦП являются выходами устройства.
Функциональная схема оптического АЦП (ОАЦП) показана на фиг.1.
i
i
i
i
i
i
i
(N+1)-разрядный ОАЦП содержит источник когерентного излучения 1, N последовательно соединенных входных оптических Y-разветвителей 2, оптический фазовый модулятор 3, обеспечивающий пространственный сдвиг фазы оптического сигнала на , электрооптический амплитудный модулятор 4, N входных оптических Y-объединителей 5, N оптических бистабильных элементов (ОБЭ) 6 первой группы, N оптических усилителей (ОУ) 7, N выходных оптических Y-разветвителей 8, N выходных оптических Y-объединителей 9, N ОБЭ 10 второй группы (i=1...N).
Оптические бистабильные элементы (ОБЭ) (например, трансфазоры) осуществляют передачу оптического сигнала со входа на первый – прямой, выход, если амплитуда входного оптического сигнала больше или равна заданному пороговому значению. В противном случае передача оптического сигнала осуществляется на второй – инверсный, выход.
i
i
i
i
Порог ОБЭ 6, 10 равен 2 усл(овных).ед(иниц). (i=1...N), при этом прямые выходы ОБЭ второй группы 10 являются поглощающими.
i
i
i
i
i
i
i
i
I-е входные оптические Y-объединители 5, ОБЭ 6 первой группы, ОУ 7, выходные оптические Y-разветвители 8, выходные оптические Y-объединители 9, ОБЭ 10 второй группы условно объединены в i -й разряд ОАЦП (i=1...N), входом которого является вход ОБЭ 6 первой группы, а выходом – первый выход выходного оптического Y-разветвителя 8.
Входом устройства А является управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора 4.
N
i
i-1
i
i-2
1
1
N
i
i
i
i
i
i
i
i
i
1
Выход источника когерентного излучения 1 подключен ко входу N-го входного оптического Y-разветвителя 2, первый выход которого подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора 4, а второй – ко входу оптического фазового модулятора 3. Выход оптического фазового модулятора 3 подключен ко входу последовательного соединения входных оптических Y-разветвителей 2(i=1...N-1), при этом первый выход    (i-1)-го входного оптического Y-разветвителя 2 подключен ко второму входу выходного оптического Y-объединителя i-го разряда ОАЦП 9, второй - ко входу (i-2)-го входного оптического Y-разветвителя 2, а второй выход входного оптического Y-разветвителя 2 подключен ко второму входу выходного оптического Y-объединителя 1-го разряда ОАЦП 9. Выход электрооптического амплитудного модулятора 4 подключен ко входу N-го разряда ОАЦП – входу ОБЭ 6 первой группы. В i-м разряде ОАЦП инверсный выход ОБЭ 6 первой группы подключен к первому входу входного оптического Y-объединителя 5, а прямой выход - ко входу ОУ 7, выход которого подключен ко входу выходного оптического Y-разветвителя 8 (i=1...N). Первый выход выходного оптического Y-разветвителя 8является выходом i-го разряда ОАЦП, а второй подключен к первому входу выходного оптического Y-объединителя 9, выход которого подключен ко входу ОБЭ 10 второй группы. Прямой выход ОБЭ второй группы 10 является поглощающим, а инверсный подключен ко второму входу входного оптического Y-объединителя 5, выход которого подключен ко входу (i-1)-го разряда ОАЦП. Выход входного оптического Y-объединителя 5 является выходом 0-го разряда ОАЦП.
Выходы всех N разрядов ОАЦП являются выходами устройства.
Устройство работает следующим образом.
N+2
N+1
N+1
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
i
N
N
N-1
N
N
N
N
N
N-1
N
N
N
N
N-1
N
N
N
N
N-1
N
N-1
N
N
N-1
N-1
N
N
i
i-1
N-1
N-2
i-1
1
1
1
1
Оптический сигнал с амплитудой 2 усл.ед. с выхода источника когерентного излучения 1 поступает на вход входного оптического Y-разветвителя 2 , с первого выхода которого поступает на информационный вход электрооптического амплитудного модулятора 4, а со второго – на вход оптического фазового модулятора 3, где происходит пространственный сдвиг его фазы на . При разветвлении в оптическом Y-разветвителе 2 амплитуда оптического сигнала уменьшается в 2 раза: оптический сигнал с амплитудой 2 усл.ед. поступает на информационный вход электрооптического амплитудного модулятора 4, а оптический сигнал с амплитудой 2 усл.ед. и фазой, сдвинутой на , через оптический фазовый модулятор 3 поступает на вход входного оптического Y-разветвителя 2. На управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора 4 со входа устройства поступает входной электрический сигнал, а с его выхода снимается оптический сигнал с амплитудой А, подлежащей цифровому преобразованию. Данный оптический сигнал поступает на вход N-го разряда ОАЦП - на вход ОБЭ 6, порог срабатывания которого равен 2. Если А2, то оптический сигнал проходит на прямой выход ОБЭ 6 и поступает на вход ОУ 7, где происходит его усиление в 2 раза. Если А2, то оптический сигнал проходит на инверсный выход ОБЭ 6 и поступает на первый вход входного оптического Y-объединителя 5 и далее – на вход (N-1)-го разряда ОАЦП (на вход ОБЭ 6). С выхода ОУ 7 оптический сигнал с амплитудой 2А усл.ед. поступает на вход выходного оптического Y-разветвителя 8, с первого выхода которого проходит на выход N–го разряда устройства, формируя "1" в N–м разряде. Со второго выхода выходного оптического Y-разветвителя 8 оптический сигнал с амплитудой А усл.ед. поступает на первый вход выходного оптического Y-объединителя 9, на второй вход которого проходит оптический сигнал с амплитудой 2 усл.ед. с первого выхода входного оптического Y-разветвителя 2. Т.к. при сложении двух когерентных противофазных оптических сигналов происходит вычитание их амплитуд, то на выходе выходного оптического Y-объединителя 9 амплитуда сигнала будет равна: А-2. Т.к. порог срабатывания ОБЭ 10 равен 2, то оптический сигнал с амплитудой (А-2) проходит на инверсный выход ОБЭ 10 и поступает на второй вход входного оптического Y-объединителя 5 и далее – на вход (N-1)-го разряда ОАЦП (на вход ОБЭ 6). (При отсутствии оптического сигнала на выходе ОБЭ 6, т.е. когда А2 и на выходе N–го разряда устройства формируется "0", оптический сигнал с амплитудой 2 усл.ед. с первого выхода входного оптического Y-разветвителя 2проходит на прямой выход ОБЭ 10 и поглощается - т.е. блокируется ОБЭ 10 и не проходит на вход (N-1)-го разряда ОАЦП (на вход ОБЭ 6)). Т.о. на входе (N-1)-го разряда ОАЦП - на входе ОБЭ 6, присутствует или оптический сигнал с амплитудой А с инверсного выхода ОБЭ 6(когда А2), или оптический сигнал с амплитудой (А-2) с инверсного выхода ОБЭ 10 (когда А2). Дальнейшая работа всех функциональных элементов (N-1)-го и остальных разрядов ОАЦП аналогична описанной выше работе функциональных элементов N-го разряда, при этом на второй вход выходного оптического Y-объединителя 9 с первого выхода входного оптического Y-разветвителя 2проходит оптический сигнал с амплитудой 2 усл.ед., полученный в результате последовательного разветвления в оптических Y-разветвителях 2, 2, 2. Прохождение сигнала отличается только в 0-м разряде ОАЦП - оптические сигналы с инверсных выходов ОБЭ 6и 10 поступают на входы оптического Y-объединителя 5 и далее – на выход 0-го разряда ОАЦП, что обеспечивает формирование "1" в данном разряде при амплитуде оптического сигнала на входе ОБЭ 6, равной 3 усл.ед. или 1 усл.ед.
Таким образом, при подаче на вход устройства электрических аналоговых сигналов на выходе устройства формируются соответствующие позиционные двоичные коды. Быстродействие данного ОАЦП определяется в основном временем срабатывания электрооптического амплитудного модулятора (5-10 нс), что позволяет производить преобразование сигналов в гигагерцовом диапазоне.