Оптоэлектронный вычислитель
OPTOELECTRONIC COMPUTER

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при выполнении вычислений в системе остаточных классов.
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].
Существенным признаком аналога, общим с заявляемым устройством, является оптический бистабильный элемент.
Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения вычислений в системе остаточных классов.
Известно оптическое вычислительное устройство - Оптический дизъюнктор непрерывных множеств [пат. RU 2419127 С2 2009, Оптический дизъюнктор непрерывных множеств / В.М. Курейчик, С.М. Ковалев, С.В. Соколов, В.В. Курейчик, М.А. Аллее], принятый за прототип и содержащий оптический транспарант, оптический разветвитель, оптический бистабильный элемент, источник излучения, оптический Y-разветвитель, к групп по n оптических Y-объединителей, k групп оптических n-входных объединителей.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический бистабильный элемент, оптический Y-объединитель.
Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность выполнения вычислений в системе остаточных классов.
Заявленное устройство направлено на решение задачи выполнения вычислений в системе остаточных классов с высоким быстродействием.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптоэлектронный вычислитель, содержащий оптический бистабильный элемент и оптический Y-объединитель, введены линейный источник когерентного излучения, оптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор и оптический n-входной объединитель, вход устройства соединен с управляющим входом оптического амплитудного модулятора и входом линейного источника когерентного излучения, n выходов которого подключены ко входам оптического n-входного объединителя, разность длин входных оптических волокон которого обеспечивает временную задержку, равную времени срабатывания оптического бистабильного элемента, между оптическими сигналами, поступающими на соседние входы оптического n-входного объединителя, (n+1)-й выход линейного источника когерентного излучения подключен ко входу оптического фазового модулятора, выход которого подключен к информационному входу оптического амплитудного модулятора, выход которого подключен ко второму входу оптического Y-объединителя, первый вход которого связан с выходом оптического n-входного объединителя, причем, оптическое волокно первого входа оптического Y-объединителя длиннее оптического волокна его второго входа на величину, обеспечивающую задержку оптического сигнала на первом входе по отношению ко второму на время срабатывания оптического бистабильного элемента, а выход оптического Y-объединителя подключен ко входу оптического бистабильного элемента, прямой выход которого является поглощающим, а инверсный выход является выходом устройства.
Оптоэлектронный вычислитель предназначен для выполнения в режиме реального времени вычисления остатка r от деления числа А на число В:
А=k⋅В+r,
где А, В, k и r целые числа, 0≤r<|В|, т.е. выполнения операции
Функциональная схема оптоэлектронного вычислителя представлена на фиг. 1.
Оптоэлектронный вычислитель содержит:
1 - линейный источник когерентного излучения (ИКИ);
2 - оптический амплитудный модулятор (ОАМ);
3 - оптический n-входной объединитель;
4 - оптический фазовый модулятор (ОФМ);
5 - оптический Y-объединитель;
6 - оптический бистабильный элемент (ОБЭ), который может быть выполнен, например, в виде трансфазора или в виде оптически связанных волноводов [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А. Акаев, С.А. Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с].
Вход оптоэлектронного вычислителя соединен со входом ИКИ и управляющим входом ОАМ 2.
n выходов ИКИ 1 подключены ко входам оптического n-входного объединителя 3, разность длин входных оптических волокон которого  обеспечивает временную задержку Δτ, равную времени срабатывания ОБЭ 6, между оптическими сигналами, поступающими на соседние входы оптического n-входного объединителя 3:
,
где с - скорость света в оптическом волокне.
(n+1)-й выход ИКИ 1 подключен ко входу ОФМ 4, обеспечивающему сдвиг фазы оптического сигнала на π.
Выход ОФМ 4 подключен к информационному входу ОАМ 2, выход которого подключен ко второму входу оптического Y-объединителя 5, первый вход которого связан с выходом оптического n-входного объединителя 3. Оптическое волокно первого входа оптического Y-объединителя 5 длиннее оптического волокна его второго входа на величину , обеспечивающую задержку оптического сигнала на первом входе по отношению ко второму на время Δτ.
Выход оптического Y-объединителя 5 подключен ко входу ОБЭ 6 с порогом срабатывания равным В, прямой выход которого является поглощающим, а инверсный (отражающий) выход является выходом устройства.
Работа оптоэлектронного вычислителя происходит следующим образом.
На вход устройства поступает электрический сигнал с амплитудой, пропорциональной А/В, который далее поступает на вход ИКИ 1 и управляющий вход ОАМ 2. При поступлении сигнала на вход ИКИ 1 на его выходах формируются n+1 оптических когерентных потоков с амплитудой В усл. ед., n из которых поступают на входы оптического n-входного объединителя 3, а (n+1)-й через ОФМ 4 и ОАМ 2 поступает на второй вход оптического Y-объединителя 5, формируя на нем оптический сигнал с амплитудой А (и сдвинутой на π фазой). В начальный момент работы устройства за счет разной длины входных оптических волокон оптического Y-объединителя 5 на его выход проходит только оптический сигнал с выхода ОАМ 2 с амплитудой А (опережающий сигнал с его первого входа), поступающий далее на вход ОБЭ 6. Если А<В, то A=r и результат -оптический сигнал с амплитудой А, снимается с инверсного выхода ОБЭ 6. Если нет, то оптический сигнал с амплитудой А проходит на прямой выход ОБЭ 6, где поглощается.
Далее на выходе оптического n-входного объединителя 3 в связи с разной длиной его входных оптических волокон формируется нарастающий по амплитуде оптический сигнал, амплитуда которого изменяется от В до n×B. Данный оптический сигнал поступает на первый вход оптического Y-объединителя 5, и далее - на вход ОБЭ6, где интерферирует с оптическим сигналом с амплитудой А. Если результирующая амплитуда входного сигнала ОБЭ 6 |А-k⋅В| (k=1, 2, …, n) больше порога срабатывания В, то входной сигнал проходит на прямой выход ОБЭ 6, где поглощается.
При величине амплитуды входного сигнала ОБЭ 6 |А-k⋅В|, меньшей В (т.е. порога срабатывания ОБЭ 6: |А-k⋅В|<В), входной сигнал проходит на инверсный выход ОБЭ 6. На выходе устройства формируется сигнал с амплитудой |А-k⋅В|=r, что соответствует выполнению операции (1). В общем случае после искомого сигнала на выходе устройства будет сформирован еще сигнал переходного процесса, обусловленный тем, что после формирования оптического сигнала с амплитудой |А-k⋅В|<В на следующем шаге работы устройства на входе ОБЭ6 будет сформирован оптический сигнал с амплитудой |А-(k+1)⋅В|, также меньшей В, который тоже проходит на инверсный выход ОБЭ6 (но при анализе результата не учитывается. В дальнейшем сигнал на инверсном выходе ОБЭ6 - т.е. выходе устройства, будет нулевым).
Таким образом, на выходе устройства формируется сигнал с амплитудой, пропорциональной величине входного сигнала устройства в системе остаточных классов, определяемой выражением (1).
-6
-9
Быстродействие оптоэлектронного вычислителя определяется, в основном, динамическими характеристиками оптического амплитудного модулятора (время срабатывания которого 10 - 10 с), что позволяет обеспечить функционирование предложенного устройства практически в реальном масштабе времени.