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, являются оптический Y-разветвитель, оптический усилитель, 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, СМ. Ковалев, СВ. Соколов, В.В. Курейчик, М.А. Аллее], принятый за прототип и содержащий источник излучения, оптический Y-разветвитель, два оптических k×n выходных разветвителей, два матричных оптических транспаранта, к групп по n оптических Y-объединителей, к групп по n блоков нормирования интенсивностей, к 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 него введены источник когерентного излучения, оптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор (ОФМ) и второй оптический Y-объединитель, вход устройства соединен с управляющим входом оптического амплитудного модулятора (ОАМ) и входом источника когерентного излучения, выход которого подключен ко входу первого оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу ОФМ, а второй выход подключен к информационному входу ОАМ, выход которого подключен к первому входу первого оптического Y-объединителя, выход которого подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя, первый вход которого оптически связан с выходом ОФМ, а выход подключен ко входу оптического усилителя, выход которого подключен ко входу второго оптического Y-разветвителя, второй выход которого подключен ко второму входу первого оптического Y-объединителя, а первый выход 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 г от деления числа А на число В:
А=k⋅В+r,
где А, В, k и r целые числа,  т.е. выполнения операции
Функциональная схема оптоэлектронного вычислителя представлена на фиг. 1.
Оптоэлектронный вычислитель содержит:
1 - источник когерентного излучения (ИКИ);
2 - первый оптический Y-разветвитель;
3 - оптический фазовый модулятор (ОФМ);
4 - оптический амплитудный модулятор (ОАМ);
5 - первый оптический Y-объединитель;
6 - второй оптический Y-объединитель;
7 - оптический усилитель (ОУ);
8 - второй оптический Y-разветвитель;
9 - 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 1 и управляющим входом ОАМ 4.
Выход ИКИ 1 подключен ко входу первого оптического Y-разветвителя 2, первый выход которого подключен ко входу ОФМ 3, обеспечивающему сдвиг фазы оптического сигнала на и, а второй выход подключен к информационному входу ОАМ 4, выход которого подключен к первому входу первого оптического Y-объединителя 5, выход которого подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя 6. Первый вход второго оптического Y-объединителя 6 оптически связан с выходом ОФМ 3, а выход подключен ко входу ОУ 7 с коэффициентом усиления 2. Выход ОУ 7 подключен ко входу второго оптического Y-разветвителя 8, первый выход которого подключен ко входу ОБЭ 9 с порогом срабатывания В, а второй выход подключен ко второму входу первого оптического Y-объединителя 5. Прямой выход ОБЭ 9 является поглощающим, а инверсный (отражающий) выход является выходом устройства.
Работа оптоэлектронного вычислителя происходит следующим образом.
На вход устройства поступает электрический импульс длительности Δt с амплитудой, пропорциональной А/В, который далее поступает на вход ИКИ 1 и управляющий вход ОАМ 4. При поступлении импульса на вход ИКИ 1 на его выходе формируется оптический когерентный поток с амплитудой 2 В усл. ед., который, проходя через первый оптический Y-разветвитель 2, разветвляется на два потока с амплитудой В усл. ед. С первого выхода первого оптического Y-разветвителя 2 оптический поток с амплитудой В усл. ед., пройдя через ОФМ 3, обеспечивающий сдвиг фазы сигнала на к, поступает на первый вход второго оптического Y-объединителя 6, формируя на нем оптический сигнал с амплитудой В и сдвинутой на к фазой относительно сигнала на его втором входе. Со второго входа первого оптического Y-разветвителя 2 оптический поток с амплитудой В усл. ед., пройдя через ОАМ 4, где происходит его модуляция сигналом А/В, поступает на первый вход первого оптического Y-объединителя 5, формируя на нем оптический сигнал с амплитудой А. В начальный момент времени на втором входе первого оптического Y-объединителя 5 оптический сигнал отсутствует и оптический сигнал с амплитудой А поступает на второй вход второго оптического Y-объединителя 6, с выхода которого, интерферируя с сигналом с амплитудой В (со сдвинутой на n фазой), поступает на вход ОУ 7 с амплитудой (А-В). С выхода ОУ 7 оптический сигнал с амплитудой 2(А-В) поступает на вход второго оптического Y-разветвителя 8, на выходах которого формируются оптические сигналы с амплитудой (А-В).
Со второго выхода оптического Y-разветвителя 8 сигнал с амплитудой (А-В) через время Δt поступает на второй вход первого оптического Y-объединителя 5, на первом входе которого сигнал отсутствует ввиду прекращения импульса на управляющем входе ОАМ 4. С выхода первого оптического Y-объединителя 5 сигнал с амплитудой (А-В) поступает на второй вход второго оптического Y-объединителя 6, с выхода которого, суммируясь с сигналом с амплитудой В и сдвинутой на n фазой, поступает на вход ОУ 7 с амплитудой (А-2В). Таким образом, на выходе второго оптического Y-объединителя 6 в каждый k-й момент времени формируется оптический сигнал с амплитудой (А-к-В), который, пройдя через ОУ 7, с первого выхода второго оптического Y-разветвителя 8 поступает на вход ОБЭ 9.
При величине амплитуды входного сигнала ОБЭ 9, большей порога В срабатывания ОБЭ  входной сигнал проходит на прямой выход ОБЭ 9, где поглощается.
При величине амплитуды входного сигнала ОБЭ 9, меньшей порога В срабатывания ОБЭ  входной сигнал проходит на инверсный выход ОБЭ 9, являющийся выходом устройства. На выходе устройства формируется сигнал с амплитудой  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  на следующем шаге работы устройства на входе ОБЭ9 будет сформирован оптический сигнал с амплитудой  также меньшей В, который тоже проходит на инверсный выход ОБЭ9 (но при анализе результата не учитывается. В дальнейшем сигнал на инверсном выходе ОБЭ9 - 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.