ОПТИЧЕСКИЙ JK-ТРИГГЕР
OPTICAL JK FLIP-FLOP

Предполагаемое 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.
Наиболее близким по техническому исполнению к заявленному устройству является оптический RS-триггер, состоящий из оптических волноводов и оптических бистабильных элементов [Патент №2020528, Россия, 1994. Оптический триггер / Соколов С.В.].
Недостатком данного устройства является невозможность реализации логических функций JK-триггера.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, - оптические бистабильные элементы.
Задача изобретения - создание оптического устройства, выполняющего логические функции JK-триггера как для когерентных, так и некогерентных, входных оптических сигналов.
Техническим результатом является расширение возможностей устройства за счет выполнения логических функций JK-триггера.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический JK-триггер, содержащий два оптических бистабильных элемента, введены два оптических Y-объединителя, источник излучения, два оптических бистабильных элемента, два оптических трехвходных объединителя, три оптических Y-разветвителя, информационными входами «J» и «K» являются первые входы соответственно первого и второго оптических Y-объединителей, выходы которых подключены ко входам первого и второго оптических бистабильных элементов соответственно, инверсные выходы первого и второго оптических бистабильных элементов являются поглощающими, прямые выходы первого и второго оптических бистабильных элементов подключены к первым входам первого и второго оптических трехвходных объединителей соответственно, выход источника излучения подключен ко входу первого оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко второму входу первого оптического трехвходного объединителя, второй выход первого оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу второго оптического трехвходного объединителя, выходы первого и второго оптических трехвходных объединителей подключены ко входу третьего и четвертого оптических бистабильных элементов соответственно, инверсные выходы которых подключены к третьему входу второго и первого оптических трехвходных объединителей соответственно, прямой выход третьего и четвертого оптических бистабильных элемента подключены ко входу второго и третьего оптических Y-разветвителей соответственно, второй выход второго оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя, второй выход третьего оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу первого оптического Y-объединителя, первый выход второго оптического Y-разветвителя является первым выходом устройства, первый выход третьего оптического Y-разветвителя является вторым выходом устройства.
Функциональная схема оптического JK-триггера показана на фигуре 1.
Оптический JK-триггер содержит:
1
2
- 1, 1 - первый и второй оптические Y-объединители;
1
2
3
4
1
2
3
2
- 2, 2, 2, 2 - первый, второй, третий и четвертый оптические бистабильные элементы (ОБЭ), которые могут быть выполнены в виде трансфазора или пары оптически связанных волноводов [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с.]; порог переключения оптического потока во всех ОБЭ 2, 2, 2, 2 составляет 2 усл(овных) ед(иницы);
- 3 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью 2 усл. ед.;
1
2
3
- 4, 4, 4 - первый, второй и третий оптические Y-разветвители;
1
2
3
- 5 - первый оптический трехвходной объединитель со входами 5, 5, 5;
1
2
3
- 6 - второй оптический трехвходной объединитель со входами 6, 6, 6
1
2
1
2
Информационными входами «J» и «K» являются входы соответственно первого и второго оптических Y-объединителей 1, 1, выходы которых подключены ко входам первого и второго ОБЭ 2, 2, соответственно.
2
2
1
1
Прямые выходы первого и второго ОБЭ 2, 2 подключены к первым входам 5 и 6 первого и второго оптических трехвходных объединителей 5 и 6, соответственно.
1
2
Инверсные выходы первого и второго ОБЭ 2, 2 являются поглощающими.
1
2
2
Выход ИИ 3 подключен ко входу первого оптического Y-разветвителя 4, первый выход которого подключен ко второму входу 5 первого оптического трехвходного объединителя 5, а второй выход - ко второму входу 6 второго оптического трехвходного объединителя 6.
3
2
Выходы первого и второго оптических трехвходных объединителей 5 и 6 подключены ко входу третьего и четвертого ОБЭ 2 и 2 соответственно, инверсные выходы которых подключены к третьим входам 6з и 5з второго и первого оптических трехвходных объединителей 6 и 5 соответственно.
3
4
2
3
2
2
3
1
Прямые выходы третьего и четвертого ОБЭ 2 и 2 подключены ко входам второго и третьего оптических Y-разветвителей 4 и 4 соответственно. Второй выход второго оптического Y-разветвителя 4 подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя 1, а второй выход третьего оптического Y-разветвителя 4 подключен ко второму входу первого оптического Y-объединителя 1.
2
3
Первый выход второго оптического Y-разветвителя 4 является первым (единичным) выходом устройства (Q1), а первый выход третьего оптического Y-разветвителя 4 является вторым (нулевым) выходом устройства (Q2).
Работа устройства протекает следующим образом.
1
2
2
3
4
3
4
3
4
3
4
3
3
3
4
4
3
3
3
1
1
4
1
1
В начальный момент времени в отсутствие оптических сигналов на входах «J» и «K» с выхода ИИ 3 оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. поступает на вход первого оптического Y-разветвителя 4, с первого и второго выходов которого оптические потоки с интенсивностями 1 усл. ед. каждый поступают на вторые входы 5 и 6 оптических трехвходных объединителей 5 и 6 соответственно. Оптические потоки с выходов оптических трехвходных объединителей 5 и 6 поступают далее на входы третьего и четвертого ОБЭ 2, и 2 соответственно. Так как интенсивности потоков, поступающих на входы третьего и четвертого ОБЭ 2 и 2, меньше порога срабатывания третьего и четвертого ОБЭ 2 и 2, то оптические потоки с интенсивностями 1 усл. ед. каждый проходят на инверсные выходы третьего и четвертого ОБЭ 2 и 2, поступая далее на третьи входы 6 и 5 второго и первого оптических трехвходных объединителей 6 и 5, соответственно. Каждый из этих потоков суммируется с оптическим потоком интенсивности 1 усл. ед., поступающим на второй вход 5з или 6з оптического трехвходного объединителя 5 или 6. Вследствие неодинаковой длины ответвлений, различия коэффициентов затуханий в них и т.д. первым срабатывает только один ОБЭ из двух - ОБЭ 2 или 2. Допустим, сработал четвертый ОБЭ 2. Следовательно, на его инверсном выходе оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. исчезнет, а на прямом выходе будет сформирован оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. Этот поток, поступая на вход третьего оптического Y-разветвителя 4, делится на две равные части. Первая часть этого потока поступает на первый выход третьего оптического Y-разветвителя 4, формируя на выходе «Q2» сигнал в виде оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед., - триггер перешел в состояние логического нуля. Вторая часть оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед. со второго выхода третьего оптического Y-разветвителя 4 поступает на второй вход первого оптического Y-объединителя 1 и далее - на вход первого ОБЭ 2, на инверсном выходе которого он поглощается. Для повышения стабильности и априорной уверенности начальной установки триггера в заданное состояние могут быть приняты дополнительные конструктивные меры, например для установки триггера в начальный момент в состояние логического нуля (срабатывания ОБЭ 2) достаточно обеспечить равенство длины второго ответвления первого оптического Y-резветвителя 4 сумме длин первого ответвления первого оптического Y-резветвителя 4 и третьего входа 6з второго оптического трехвходного объединителя 6 при идентичности параметров всех остальных элементов схемы.
1
1
1
1
1
1
1
2
3
3
Для установки оптического JK-триггера в состояние логической единицы на вход «J» подается оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. Он поступает через первый вход первого оптического Y-объединителя 1 на вход первого ОБЭ 2, где формируется оптический поток уже с интенсивностью 2 усл. ед. - за счет суммирования двух оптических потоков: с интенсивностью 1 усл. ед. на первом входе и с интенсивностью 1 усл. ед. на втором входе первого оптического Y-объединителя 1. Этот оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. поступает на вход первого ОБЭ 2, приводя к его срабатыванию. На прямом выходе первого ОБЭ 2 возникает оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед., который поступает на первый вход 5 первого оптического трехвходного объединителя 5. За счет сложения в оптическом трехвходном объединителе 5 двух оптических потоков - с интенсивностью 2 усл. ед. с первого входа 5 и с интенсивностью 1 усл. ед. со второго входа 5, на вход третьего ОБЭ 2, поступает оптический поток с интенсивностью 3 усл. ед., приводящий к срабатыванию третьего ОБЭ 2 - оптический поток на его инверсном выходе исчезает, на прямом - появляется.
3
2
2
2
2
2
Далее с прямого выхода третьего ОБЭ 2 оптический поток с интенсивностью 3 усл. ед. поступает на вход второго оптического Y-разветвителя 4, где делится на две части. Первая часть этого потока поступает на первый выход второго оптического Y-разветвителя 4, формируя на выходе «Q1» оптический сигнал с интенсивностью 1,5 усл. ед. - состояние перехода триггера из состояния логического нуля в состояние логической единицы. Вторая часть оптического потока с интенсивностью 1,5 усл. ед. со второго выхода второго оптического Y-разветвителя 4 поступает на второй вход второго оптического Y-объединителя 1 и далее на вход второго ОБЭ 2.
3
4
4
4
3
Так как на инверсном выходе третьего ОБЭ 2, оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. исчезает, то на выходе второго оптического трехвходного объединителя 6 оптический поток изменит величину интенсивности с 2-х усл. ед. на 1 усл. ед. При поступлении оптического потока с выхода второго оптического трехвходного объединителя 6 на вход четвертого ОБЭ 2 оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед. четвертый ОБЭ 2, перенаправляет входной оптический поток с прямого выхода на инверсный выход. Далее этот оптический поток с инверсного выхода четвертого ОБЭ 2, поступает на третий вход 5 первого оптического трехвходного объединителя 5.
4
3
1
1
1
3
3
2
2
2
2
2
Кроме того, исчезновение оптического потока на прямом выходе четвертого ОБЭ 2 приводит к отсутствию оптического потока на первом и втором выходах третьего оптического Y-разветвителя 4, что влечет за собой отсутствие оптического потока на втором входе первого оптического Y-объединителя 1, а также отсутствие оптического потока на выходе «Q2». Следовательно, на вход первого ОБЭ 2 будет поступать оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. при наличии управляющего сигнала на входе «J» в виде оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед., вследствие чего на прямом выходе первого ОБЭ 2 оптический поток формироваться не будет, и на вход третьего ОБЭ 2 поступает теперь оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. Третий ОБЭ 2 своего состояния не изменит и с прямого выхода последнего оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. поступает на вход второго оптического Y-разветвителя 4, где он делится пополам. Первая часть этого потока поступает на первый выход второго оптического Y-разветвителя 4, формируя на выходе «Q1» устройства сигнал в виде оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед. - триггер полностью перешел в состояние логической единицы. Вторая часть оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед. со второго выхода второго оптического Y-разветвителя 4 поступает на второй вход второго оптического Y-объединителя 1 и далее на вход второго ОБЭ 2.
2
2
2
2
1
1
2
4
4
Для перевода триггера в состояние логического нуля необходимо на вход «K» подать оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. В этом случае на входе второго ОБЭ 2 формируется оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. за счет суммирования двух оптических потоков - с интенсивностью 1 усл. ед. на первом входе и с интенсивностью 1 усл. ед. на втором входе второго оптического Y-объединителя 1. Этот оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед., поступая на вход второго ОБЭ 2, приводит к его срабатыванию. Поэтому на прямом выходе второго ОБЭ 2 возникает оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед., который поступает на первый вход 6 второго оптического трехвходного объединителя 6. За счет сложения в оптическом трехвходном объединителе 6 двух оптических потоков - с интенсивностью 2 усл. ед. на входе 6 и с интенсивностью 1 усл. ед. на входе 6, на вход четвертого ОБЭ 2 поступает оптический поток с интенсивностью 3 усл. ед. - оптический поток в четвертом ОБЭ 2 переключается с инверсного выхода на прямой выход.
4
3
3
3
1
1
Далее с прямого выхода четвертого ОБЭ 2 оптический поток с интенсивностью 3 усл. ед. поступает на вход третьего оптического Y-разветвителя 4, где он делится на две части. Первая часть этого потока поступает на первый выход третьего оптического Y-разветвителя 4, формируя на выходе «Q2» оптический сигнал с интенсивностью 1,5 усл. ед. - состояние перехода триггера из состояния логической единицы в состояние логического нуля. Вторая часть оптического потока с интенсивностью 1,5 усл. ед. со второго выхода третьего оптического Y-разветвителя 4 поступает на второй вход первого оптического Y-объединителя 1 и далее на вход первого ОБЭ 2.
4
3
3
3
3
Так как на инверсном выходе четвертого ОБЭ 2 оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. исчезает, то на выходе оптического трехвходного объединителя 5 оптический поток изменит величину интенсивности с 2-х усл. ед. на 1 усл. ед. При поступлении оптического потока с выхода второго оптического трехвходного объединителя 5 на вход третьего ОБЭ 2, третий ОБЭ 2 перенаправляет оптический поток с прямого выхода на инверсный. Далее оптический поток с инверсного выхода третьего ОБЭ 2 поступает на третий вход 6 второго оптического трехвходного объединителя 6.
3
2
2
2
2
4
4
3
3
1
1
Кроме того, исчезновение оптического потока на прямом выходе третьего ОБЭ 2 приводит к отсутствию оптического потока на первом и втором выходах второго оптического Y-разветвителя 4, что влечет за собой отсутствие оптического потока на втором входе второго оптического Y-объединителя 1, а также отсутствие оптического потока на выходе «Q1» устройства. Следовательно, на вход второго ОБЭ 2 будет поступать оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. при наличии сигнала на входе «K» с интенсивностью 1 усл. ед., вследствие чего на прямом выходе второго ОБЭ 2 оптический поток формироваться не будет, и на вход четвертого ОБЭ 2 поступит оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. Четвертый ОБЭ 2 своего состояния не изменит, и с прямого выхода последнего оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. поступает на вход третьего оптического Y-разветвителя 4, где он делится пополам. Первая часть этого потока поступает на первый выход третьего оптического Y-разветвителя 4, формируя на выходе «Q2» сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. - триггер полностью перешел в состояние логического нуля. Вторая часть оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед. со второго выхода третьего оптического Y-разветвителя 4з поступает на второй вход первого оптического Y-объединителя 1 и далее - на вход первого ОБЭ 2.
При подаче на входы «J» и «K» управляющих сигналов одновременно реализуется одна из следующих ситуаций:
1
1
1
2
2
2
- при нахождении JK-триггера в состоянии логической единицы оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед., поступая на первый вход первого оптического Y-объединителя 1 (вход «J»), попадает на вход первого ОБЭ 2, который не пропускает этот оптический поток на свой прямой выход, так как порог переключения в первом ОБЭ 2 равен 2 усл. ед.; при этом оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед., поступая на первый вход второго оптического Y-объединителя 1 (вход «K») и суммируясь с единичным оптическим потоком, поступающим на второй вход второго оптического Y-объединителя 1, попадает на вход второго ОБЭ 2, что приводит к переключению триггера в состояние логического нуля по вышеприведенному алгоритму;
2
2
2
1
1
1
- при нахождении JK-триггера в состоянии логического нуля оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед., поступая на первый вход второго оптического Y-объединителя 1 (вход «K») попадает на вход второго ОБЭ 2, который не пропускает этот оптический поток на свой прямой выход, так как порог переключения во втором ОБЭ 2 равен 2 усл. ед.; при этом оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед., поступая на первый вход первого оптического Y-объединителя 1 (вход «J») и суммируясь с единичным оптическим потоком, поступающим на второй вход первого оптического Y-объединителя 1, попадает на вход первого ОБЭ 2, что приводит к переключению триггера в состояние логической единицы по вышеприведенному алгоритму.
Таким образом, осуществляется реализация логических функций JK-триггера и запоминание информации.
-12
Быстродействие оптического JK-триггера определяется динамическими характеристиками оптических бистабильных элементов, быстродействие которых составляет ≈10 с. Для существующих оптических средств обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.