ОПТИЧЕСКИЙ ГРАНИЧНЫЙ КОНЪЮНКТОР НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ
OPTICAL BOUNDARY CONJUNCTOR OF FUZZY SETS

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики.
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].
Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант.
Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения операции граничной конъюнкции (пересечения) двух нечетких множеств.
Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для вычитания оптических сигналов [Пат RU 2103721 С1 1998. Устройство для вычитания оптических сигналов / С.В. Соколов, А.А. Баранник], содержащее оптические усилители, входной оптический разветвитель, две группы оптических транспарантов, оптические разветвления, кольцевое ответвление, оптический компаратор, оптическое ответвление, пару оптически связанных волноводов и оптический бистабильный элемент.
Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант, оптический разветвитель, пара оптически связанных волноводов.
Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения операции граничной конъюнкции (пересечения) двух нечетких множеств.
Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь, принятый за прототип [Пат. RU 2020550 С1 1994. Оптический функциональный преобразователь / С.В. Соколов], содержащий источник когерентного излучения, дифференциатор, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, оптический n-входной объединитель, оптически связанные волноводы, оптический модулятор.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: источник когерентного излучения, оптический транспарант, оптический n-выходной разветвитель, пара оптически связанных волноводов.
Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность выполнения операции граничной конъюнкции (пересечения) двух нечетких множеств.
5
6
Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию граничной конъюнкции (пересечения) двух нечетких множеств при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности до 10-10 операций в секунду.
Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего операцию граничной конъюнкции (пересечения) двух нечетких множеств при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности устройства.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический граничный конъюнктор нечетких множеств, содержащий источник когерентного излучения, первый линейный оптический транспарант, оптический n-выходной разветвитель, пару оптически связанных волноводов, введены оптический трехвыходной разветвитель, два оптических n-выходных разветвителя, второй линейный оптический транспарант, группа n блоков вычисления результата, каждый из которых содержит три оптических Y-объединителя, три пары оптически связанных волноводов, оптический транспарант, оптический фазовый модулятор, первым входом блока вычисления результата является первый вход первого оптического Y-объединителя, вторым входом блока вычисления результата является второй вход первого оптического Y-объединителя, третьим входом блока вычисления результата является вход оптического фазового модулятора, выход его первого оптического Y-объединителя подключен ко входу первого оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов, выход первого оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов подключен ко входу первого оптического волновода второй пары оптически связанных волноводов, выход второго волновода первой пары оптически связанных волноводов подключен ко входу оптического транспаранта, выход оптического транспаранта подключен к первому входу третьего оптического Y-объединителя, выход первого оптического волновода второй пары оптически связанных волноводов является поглощающим, выход второго оптического волновода второй пары оптически связанных волноводов подключен к первому входу второго оптического Y-объединителя, выход оптического фазового модулятора подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя, выход которого подключен ко входу первого оптического волновода третьей пары оптически связанных волноводов, выход второго оптического волновода третьей пары оптически связанных волноводов является поглощающим, выход первого оптического волновода третьей пары оптически связанных волноводов подключен ко второму входу третьего оптического Y-объединителя, выход которого является выходом блока вычисления результата, выход источника излучения подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя, второй выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя, третий выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу третьего оптического n-выходного разветвителя, каждый выход первого оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу первого линейного оптического транспаранта, каждый выход которого подключен к первому входу соответствующего блока вычисления результата, каждый выход второго оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу второго линейного оптического транспаранта, каждый выход которого подключен ко второму входу соответствующего блока вычисления результата, каждый выход третьего оптического n-выходного разветвителя подключен к третьему входу соответствующего блока вычисления результата, а выходы всех блоков вычисления результата являются выходами устройства.
Оптический граничный конъюнктор нечетких множеств - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции граничной конъюнкции (или граничного пересечения) двух нечетких множеств А и В и получения результирующего множества D, функция принадлежности которого равна:
A
1
2
n
-
где µ(x)  функция принадлежности, описывающая нечеткое множество А элементов, определенных на базовой шкале Х ∈ x, x, …, x, где n - количество элементов множества А,
B
1
2
n
µ(x) - функция принадлежности, описывающая нечеткое множество В элементов, определенных на базовой шкале Х ∈ x, x, …, x, где n - количество элементов множества В.
Функциональная схема оптического граничного конъюнктора нечетких множеств показана на фиг.1.
Оптический граничный конъюнктор нечетких множеств содержит:
1 - источник когерентного излучения (ИКИ) с амплитудой 3×n усл(овных) ед(иниц);
2 - оптический трехвыходной разветвитель;
3 - первый оптический n-выходной разветвитель;
A
4 - первый линейный оптический транспарант (ЛОТ) с функцией пропускания, равной µ(x);
5 - второй оптический n-выходной разветвитель;
B
6 - второй ЛОТ с функцией пропускания, равной µ(х);
7 - третий оптический n-выходной разветвитель;
1
2
n
8, 8, …, 8 - группу n блоков вычисления результата (БВР).
Выход ИКИ 1 подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя 2. Первый выход оптического трехвыходного разветвителя 2 подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя 3. Второй выход оптического трехвыходного разветвителя 2 подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя 5. Третий выход оптического трехвыходного разветвителя 2 подключен ко входу третьего оптического n-выходного разветвителя 7.
1
2
n
i
Каждый выход 3, 3, …, 3 первого оптического n-выходного разветвителя 3 подключен к соответствующему входу первого ЛОТ 4. Каждый i-й выход ЛОТ 4 подключен к первому входу i-го БВР 8 (i=1, 2, … n).
1
з
n
i
Каждый выход 5, 5, …, 5 второго оптического n-выходного разветвителя 5 подключен к соответствующему входу второго ЛОТ 6. Каждый i-й выход ЛОТ 6 подключен ко второму входу i-го БВР 8 (i=1, 2, … n).
i
Каждый i-й выход 7 третьего оптического n-выходного разветвителя 7 подключен к третьему входу i-го БВР 8; (i=1, 2, … n).
1
2
n
Выходы БВР 8, 8, …, 8 являются выходами устройства.
i
Функциональная схема БВР 8 показана на фиг.2.
i
БВР 8 содержит:
9 - первый оптический Y-объединитель;
1
2
10, 10 - первую пару оптически связанных волноводов (ОСВ) с порогом переключения оптического потока 2 усл. ед. [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А. Акаев, С.А. Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с, стр.148, рисунок 5.2];
11 - оптический транспарант (ОТ) с функцией пропускания, равной 1/2;
1
2
12, 12 - вторую пару ОСВ с порогом переключения оптического потока 1 усл. ед.;
13 - оптический фазовый модулятор (ОФМ), обеспечивающий постоянный сдвиг фазы оптического потока на π;
14 - второй оптический Y-объединитель;
1
2
15, 15 - третью пару ОСВ с порогом переключения оптического потока 1 усл. ед.;
16 - третий оптический Y-объединитель.
i
i
i
Первым входом БВР 8 является первый вход первого оптического Y-объединителя 9. Вторым входом БВР 8 является второй вход первого оптического Y-объединителя 9. Третьим входом БВР 8 является вход ОФМ 13.
1
1
2
1
1
2
1
1
2
2
1
2
Выход первого оптического Y-объединителя 9 подключен ко входу первого оптического волновода 10 первой пары ОСВ 10, 10. Выход первого оптического волновода 10 первой пары ОСВ 10, 10 подключен ко входу первого оптического волновода 12 второй пары ОСВ 12, 12. Выход второго оптического волновода 10 первой пары ОСВ 10, 10 подключен ко входу ОТ 11.
Выход ОТ 11 подключен к первому входу третьего оптического Y-объединителя 16.
1
1
2
2
1
2
Выход первого оптического волновода 12 второй пары ОСВ 12, 12 является поглощающим. Выход второго оптического волновода 12 второй пары ОСВ 12, 12 подключен к первому входу второго оптического Y-объединителя 14.
1
1
2
1
1
2
1
i
Выход ОФМ 13 подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя 14, выход которого подключен ко входу первого оптического волновода 15 третьей пары ОСВ 15, 15. Выход второго оптического волновода 15 третьей пары ОСВ 15, 15 является поглощающим, а выход первого оптического волновода 15 подключен ко второму входу третьего оптического Y-объединителя 16. Выход оптического Y-объединителя 16 является выходом блока БВР 8.
Работа оптического граничного конъюнктора нечетких множеств происходит следующим образом. С выхода ИКИ 1 оптический поток с амплитудой 3×n усл. ед. поступает на вход оптического трехвыходного разветвителя 2, с первого выхода которого оптический поток с амплитудой n усл. ед. поступает на вход первого оптического n-выходного разветвителя 3. Со второго выхода оптического трехвыходного разветвителя 2 оптический поток с амплитудой n усл. ед. поступает на вход второго оптического n-выходного разветвителя 5. С третьего выхода оптического трехвыходного разветвителя 2 оптический поток с амплитудой n усл. ед. поступает на вход третьего оптического n-выходного разветвителя 7.
1
2
n
A
A
i
i
1
2
n
На всех выходах 3, 3, …, 3 первого оптического n-выходного разветвителя 3 формируются оптические потоки с амплитудой 1 усл. ед. Эти n потоков с амплитудой 1 усл. ед. каждый поступают на соответствующие входы ЛОТ 4, формируя на каждом его i-ом выходе оптический поток с амплитудой µ(х) усл. ед., т.е. равной значению функции принадлежности µ(х) при конкретном i-м значении аргумента х (i=1, 2, … n). Далее эти оптические потоки поступают на первые входы соответствующих БВР 8, 8, …, 8.
1
2
n
B
i
B
i
Одновременно на всех выходах 5, 5, …, 5 второго оптического n-выходного разветвителя 5 формируются оптические потоки с амплитудой 1 усл. ед. Эти n потоков с амплитудой 1 усл. ед. каждый поступают на соответствующие входы ЛОТ 6, формируя на каждом его i-ом выходе оптический поток с амплитудой µ(х) усл. ед., т.е. равной значению функции принадлежности µ(x) при конкретном i-м значении аргумента x(i=1, 2, … n).
1
2
n
Далее эти оптические потоки поступают на вторые входы соответствующих БВР 8, 8, …, 8.
1
2
n
1
2
n
Вместе с этим на всех выходах 7, 7, …, 7 третьего оптического n-выходного разветвителя 7 формируются оптические потоки с амплитудой 1 усл. ед. Эти n потоков с амплитудой 1 усл. ед. каждый поступают на третьи входы соответствующих БВР 8, 8, …, 8.
i
Работа i-го БВ 8 происходит следующим образом.
i
A
i
i
B
i
A
i
B
i
На первый вход i-го БВ 8, а, следовательно, на первый вход первого оптического Y-объединителя 9 поступает оптический поток с амплитудой µ(х) усл. ед. Одновременно на второй вход i-го БВР 8, а следовательно, на второй вход первого оптического Y-объединителя 9 поступает оптический поток с амплитудой µ(х) усл. ед. Следовательно, на выходе первого оптического Y-объединителя 9 формируется оптический поток с амплитудой (µ(x)+µ(x)) усл. ед.
i
Также на третий вход i-го БВР 8, а следовательно, на вход ОФМ 13 поступает оптический поток с амплитудой 1 усл. ед. С выхода ОФМ 13 оптический поток с амплитудой 1 усл. ед. и сдвинутой на к фазой (инвертированной) поступает на второй вход второго оптического Y-объединителя 14.
A
i
B
i
A
i
B
i
1
1
2
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
1
2
2
1
2
Пусть (µ(x)+µ(x))=2, т.e. µ(x)=1 и µ(x)=1. Тогда на выходе первого оптического Y-объединителя 9 формируется оптический поток с амплитудой 2 усл. ед. Этот оптический поток поступает на вход первого оптического волновода 10 первой пары ОСВ 10, 10, переключаясь во второй волновод 10 первой пары ОСВ 10, 10. Далее этот оптический поток с амплитудой 2 усл. ед., проходя через ОТ 11 и уменьшаясь по амплитуде в два раза, поступает на первый вход третьего оптического Y-объединителя 16. Так как на вход первого оптического волновода 12 второй пары ОСВ 12, 12 ничего не поступает, то, следовательно, на выходе второго оптического волновода 12 второй пары ОСВ 12, 12 и на первом входе второго оптического Y-объединителя 14 оптический поток также отсутствует. При этом с выхода второго оптического Y-объединителя 14 на вход первого оптического волновода 15 третьей пары ОСВ 15, 15 поступает оптический поток с амплитудой 1 усл. ед. и инвертированной фазой. Этот оптический поток переключается во второй оптический волновод 15 третьей пары ОСВ 15, 15 и поглощается.
i
Таким образом, на первом входе третьего оптического Y-объединителя 16 присутствует оптический поток с амплитудой 1 усл. ед., а на втором входе оптический поток отсутствует. Следовательно, с выхода третьего оптического Y-объединителя 16 снимается оптический поток с амплитудой 1 усл. ед. и далее поступает на выход i-го БВР 8.
A
i
B
i
i
Следовательно, при µ(х)=1 и µ(x)=1 на выходе i-го БВ 8 будет присутствовать оптический поток с амплитудой 1 усл. ед.
A
i
B
i
1
1
2
2
1
1
2
2
1
2
A
i
B
i
1
1
2
2
i
Пусть (µ(х)+µ(х)) ≥ 1. Тогда на выходе первого оптического Y-объединителя 9 формируется оптический поток с амплитудой ≥1 усл. ед. Этот оптический поток поступает на вход первого оптического волновода 10 первой пары ОСВ 10, 10, и, не переключаясь во второй волновод 10, поступает на вход первого оптического волновода 12 второй пары ОСВ 12, 12. Далее этот оптический поток с амплитудой ≥1 усл. ед. переключается во второй оптический волновод 12 второй пары ОСВ 12, 12, поступая на первый вход второго оптического Y-объединителя 14. Так как на второй вход оптического Y-объединителя 14 поступает оптический поток с амплитудой 1 усл. ед. и инвертированной фазой, то на его выходе формируется оптический поток с амплитудой (µ(х)+µ(х)-1) < 1 усл. ед. Этот оптический поток, пройдя через первый оптический волновод 15 второй пары ОСВ 15, 12, не переключаясь во второй оптический волновод 15, поступает на второй вход третьего оптического Y-объединителя 16 и далее на выход i-го БВР 8.
A
i
B
i
i
A
i
B
i
Следовательно, при (µ(х)+µ(х)) ≥ 1 на выходе i-го БВ 8 будет присутствовать оптический поток с амплитудой (µ(х)+µ(х)-1) < 1 усл. ед.
A
i
B
i
1
1
2
2
1
1
2
1
1
2
2
1
2
1
1
2
2
1
2
i
Пусть (µ(х)+µ(х)) < 1. Тогда на выходе первого оптического Y-объединителя 9 формируется оптический поток с амплитудой < 1 усл. ед. Этот оптический поток поступает на вход первого оптического волновода 10 первой пары ОСВ 10, 10, и, не переключаясь во второй волновод 10, поступает на вход первого оптического волновода 12 второй пары ОСВ 12, 12. Этот оптический поток с амплитудой < 1 усл. ед. поглощается на выходе первого оптического волновода 12 второй пары ОСВ 12, 12. Следовательно, на выходе второго оптического волновода 12 второй пары ОСВ 12, 12 и на первом входе второго оптического Y-объединителя 14 оптический поток также отсутствует. Тогда с выхода второго оптического Y-объединителя 14 на вход первого оптического волновода 15 третьей пары ОСВ 15, 15 поступает оптический поток с амплитудой 1 усл. ед. и инвертированной фазой. Этот оптический поток переключается во второй оптический волновод 15 третьей пары ОСВ 15, 15 и поглощается. Таким образом, на первом и втором входах третьего оптического Y-объединителя 16, а также на выходе i-го БВР 8 оптический поток отсутствует.
A
i
B
i
i
Следовательно, при (µ(х)+µ(х)) < 1 на выходе i-го БВ 8оптический поток отсутствует.
i
Из вышеизложенного следует, что на выходе i-го БВ 8 формируются следующие оптические потоки (i=1, 2, … n):
A
i
B
i
A
i
B
i
поток с амплитудой 1 усл. ед. при µ(х)+µ(х))=2, т.е. µ(х)=1 и µ(x)=1;
A
i
B
I
A
i
B
i
поток с амплитудой (µ(х)+µ(х)-1) < 1 усл. ед. при (µ(х)+µ(x)) ≥ 1;
0 усл. ед. во всех остальных случаях.
i
D
i
i
Таким образом, на выходе каждого 1-го БВ 8 формируется оптический поток, амплитуда которого пропорциональна значению функции принадлежности µ(x) для конкретного значения х (i=1, 2, … n).
1
2
n
D
Следовательно, на выходах всех БВР 8, 8, … 8 - на выходе устройства формируется плоский оптический поток с распределением интенсивности по оси Ох, пропорциональным функции принадлежности µ(х), соответствующей результату операции граничной конъюнкции двух нечетких множеств (1).
-12
Быстродействие оптического граничного конъюнктора нечетких множеств определяется динамическими характеристиками пар оптически связанных волноводов, быстродействие которых составляет порядка 10 с. Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает функционирование практически в реальном масштабе времени.