ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ ФУНКЦИИ ПО МОДУЛЮ ЧИСЛА
OPTICAL FUNCTION CALCULATOR BASED ON NUMBER MODULUS

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации в системе остаточных классов, устройствах криптографии, непрерывнологических устройствах.
Известно оптическое вычислительное устройство - оптический дифференциатор [пат.RU 2159461, 2000 г., Оптический дифференциатор / С.В. Соколов и др.], содержащий оптический разветвитель, оптическую линию задержки, оптический фазовый модулятор, оптический объединитель, приемный транспарант.
Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический разветвитель, оптический объединитель.
Недостатком вышеописанного аналога является невозможность выполнения операции вычисления функции по модулю числа.
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 связанных оптических 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 вычисления функции по модулю числа.
Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь [пат. RU 2020550 С1 1994, Оптический функциональный преобразователь / С.В. Соколов], принятый за прототип и содержащий источник когерентного излучения, дифференциатор, оптический разветвитель, оптический транспарант, оптический объединитель, оптически связанные волноводы, оптический модулятор.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический транспарант, оптический разветвитель, оптический объединитель, оптически связанные волноводы.
Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность выполнения операции вычисления функции по модулю числа.
5
6
Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию вычисления функции по модулю числа 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 вычисления функции по модулю числа при одновременном увеличении вычислительной производительности.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический вычислитель функции по модулю числа, содержащий импульсный источник излучения, оптический k×n - выходной разветвитель, матричный оптический транспарант размерностью k×n, оптический m-входной объединитель (m пропорционально показателю модуля числа), пару оптически связанных волноводов, введены k групп по m оптических параллельно-последовательных преобразователей волокон, (k-1) оптических m-входных объединителей, (k-1) пар оптически связанных волноводов, k фотоприемников, выход источника излучения подключен ко входу оптического k×n-выходного разветвителя, ij-ый выход (i=1, 2,..k; j=1, 2, … n) оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-ому входу матричного оптического транспаранта размерностью k×n, каждый (d·m+j)-й выход в i-м столбце матричного оптического транспаранта размерностью k×n подключен ко (d+1)-му входу j-го оптического параллельно-последовательного преобразователя в i-й группе (i=1, 2, … k; j=1, 2, … m, d=0, 1, 2, … m, …, n/m), выход каждого j-го оптического параллельно-последовательного преобразователя в i-й группе подключен к соответствующему j-му входу i-го m-входного объединителя (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n), выход каждого i-го m-входного объединителя (i=1, 2, … k) подключен ко входному оптическому волноводу соответствующей i-ой пары оптически связанных волноводов, первый выход которой является поглощающим, а второй выход i-ой пары оптически связанных волноводов подключен ко входу соответствующего i-ого фотоприемника, выходы которых являются выходами устройства.
Оптический вычислитель функции по модулю числа - устройство, предназначенное для вычисления функции у(х) по модулю числа р в режиме реального времени и получения новой функции Y(x):
где р - показатель модуля;
i
Y(x) - i-oe значение функции Y(x);
i
y(x) - i-oe значение функции у(х).
Функциональная схема оптического вычислителя функции по модулю числа показана на фигуре 1.
Оптический вычислитель функции по модулю числа содержит:
- 1 - импульсный источник излучения (ИИИ) с интенсивностью k×n усл(овных) ед(иниц), работающий в пико-фемтосекундном диапазоне;
- 2 - оптический k×n-выходной разветвитель;
- 3 - матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции у(х) в координатах у(х), х;
(1; 1)
(1; 2)
(1;m)
(2; 1)
(2; 2)
(2; m)
(k; 1)
(k; 2)
(k; m)
- 4, 4, … 4, 4, 4, … 4, 4, 4, … 4, - k групп no m оптических параллельно-последовательных преобразователей (ОППП), которые могут быть реализованы в виде [8. Соколов С.В., Бугаян И.Р. Схемотехника оптических компьютеров: монография. - Ростов н/Д: Ростовский государственный экономический университет, 2007. - 218 с., стр.49, рисунок 11, поз.4];
(1)
(2)
(k)
- 5, 5, … 5 - k оптических m-входных объединителей;
(1)
(2)
(k)
- 6, 6, … 6 - k пар оптически связанных волноводов (ОСВ) с порогом переключения оптического потока m усл. ед. [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А. Акаев, С.А. Майоров. - M.: Высшая школа, 1988. - 236 с., страница 148, рисунок 5.2].
(1)
(2)
(k)
- 7, 7, … 7 - k фотоприемников (ФП).
Выход ИИ 1 подключен ко входу оптического k×n-выходного разветвителя 2.
Каждый ij-ый выход оптического k×n-выходного разветвителя 2 подключен к ij-му входу МОТ 3 (i=1, 2, …, k; j=1, 2, …, n).
(i; j)
Каждый (d·m+j)-й выход в i-м столбце МОТ 3 подключен ко (d+1)-му входу ОППП 4 (i=1, 2, … k; j=1, 2, … m, d=0, 1, 2, … m, …, n/m; m пропорционально показателю модуля числа р).
(i; j)
(i)
Выход каждого ij-го ОППП 4 подключен к соответствующему j-му входу i-го m-входного объединителя 5 (i=1, 2, … k; j=1, 2, … m).
(i)
(i)
(i)
(i)
Выход каждого i-го m-входного объединителя 5 подключен ко входному оптическому волноводу соответствующей i-ой пары ОСВ 6, первый выход которой является поглощающим, а второй выход i-ой пары ОСВ 6 подключен ко входу соответствующего i-ого ФП 7, выходы которых являются выходами устройства.
Пример изображения графика функции у(х) в координатах у(х), х показан на фигуре 2.
ij
Схема i-ой пары ОСВ 6 показана на фигуре 3.
Работа оптического вычислителя функции по модулю числа происходит следующим образом. С выхода ИИИ 1 импульсный оптический поток с длительностью ΔT и интенсивностью k×n усл. ед. поступает на вход оптического k×n-выходного разветвителя 2.
На всех выходах оптического k×n-выходного разветвителя 2 формируются оптические потоки единичной интенсивности, поступающие далее на вход МОТ 3. На МОТ 3 записано изображение графика функции у(х) в координатах у(х), х (фигура 2 - заштрихованная область), имеющее единичную функцию пропускания (остальная часть транспаранта является поглощающей). Следовательно, на выходе МОТ 3 будет сформировано изображение графика функции у(х) в координатах у(х), х в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков).
(i; j)
Каждый (d·m+j)-й единичный поток в i-м столбце МОТ 3 поступает на (d+1)-й вход ОППП 4 (i=1, 2, … k; j=1, 2,..m, d=0, 1, 2, … m, …, n/m).
(1; 1)
(1; 2)
(1; m)
(2; 1)
(2; 2)
(2; m)
(k; 1)
(k; 2)
(k; m)
После формирования изображений графика функции у(х)на МОТ 3 и окончания импульса излучения ИИИ1 работа k групп по m ОППП 4, 4, … 4, 4, 4, … 4, 4, 4, … 4 происходит следующим образом.
(i; 1)
(i; 2)
(i; m)
(i)
(i)
(i)
(i)
(i)
(i)
(i)
(i)
В первый момент времени после прекращения импульса излучения ИИИ1 в каждой i-й группе (i-й столбец МОТ) совокупность оптических потоков до уровня р (фигура 2) проходит с первых входов ОППП 4, 4, … 4 на входы i-го m-входного объединителя 5 (первый шаг). Далее объединенный поток с выхода i-го m-входного объединителя 5 поступает на вход пары i-й ОСВ 6. Если на вход пары ОСВ 6 поступает оптический поток с интенсивностью менее m усл. ед., то он проходит через входной оптический волновод на второй выход пары ОСВ 6, переключения оптического потока не происходит. Если на вход пары ОСВ 6 поступает оптический поток с интенсивностью m и более усл. ед., то происходит переключение оптического потока из входного оптического волновода в выходной, оптически связанный со входным, - т.е. на первый выход пары ОСВ 6, где этот поток поглощается. (При этом на втором выходе пары ОСВ 6 оптический поток отсутствует).
(i; j)
(i; 1)
(i; 2)
(i; m)
(i)
(i)
Спустя время задержки между входами ОППП 4 совокупность оптических потоков от уровня р до уровня 2р (фигура 2) проходит со вторых входов ОППП 4, 4, … 4 на входы i-го m-входного объединителя 5 (второй шаг) и на выходе пары ОСВ 6 будет сформирован соответствующий оптический поток, аналогично как в первом шаге и т.д.
(i; j)
i
(i)
i
Таким образом, в конце каждого шага значение плоского оптического потока i-го столбца МОТ3 уменьшается на m усл. ед. Количество таких шагов определяется отношением n/m. Суммарное время задержек между входами ОППП 4 не должно превышать величину ΔT. Так как значение плоского оптического потока в i-м столбце МОТ3 соответствует значению функции у(х), а m пропорционально показателю модуля числа р, то следовательно через n/m шагов на выходе пары ОСВ 6 будет сформирован оптический поток интенсивностью, пропорциональной значению функции Y(х).
(1)
(2)
Следовательно, на выходах пар ОСВ 6, 6, … 6(k) спустя n/m шагов будет сформирован оптический поток интенсивностью, описываемой формулой (1).
(i)
i
(1)
(2)
(k)
Наличие фотоприемников ФП необходимо для задержки появления сигнала на выходе устройства до того, как пройдут все n/m шагов уменьшения оптического потока на m. Для этого ФП могут быть выполнены на основе фотодиодов. На выходе i-ого ФП 7 будет присутствовать электрический сигнал, пропорциональный значению функции Y(x), следовательно, на выходах ФП 7, 7, … 7 будет сформирован электрический сигнал, величиной (ток или напряжение), пропорциональной функции Y(x) в соответствии с равенством, описываемого формулой (1).
(i; 1)
(i; 2)
(i;m
(1)
(2)
(k)
-12
9
Быстродействие оптического вычислителя функции по модулю числа определяется суммарным временем задержки распространения сигнала в i-й группе ОППП 4, 4, … 4), быстродействием пар ОСВ 6, 6, … 6 и фотоприемников. Время задержки пары оптически связанных волокон составляет порядка 10 с, а фотоприемники, выполняемые в традиционном варианте на основе фотодиодов, имеют частоту среза порядка 10 Гц. Для существующих систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.