ОПТИЧЕСКИЙ УМНОЖИТЕЛЬ
OPTICAL MULTIPLIER

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.
Известны оптические умножители, позволяющие осуществлять перемножение оптических кодовых сигналов, например, остаточный умножитель на базе сумматора, выполненного на волноводных переключателях, содержащий оптические разветвители, волноводные переключатели и электронные схемы управления коммутацией [Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. М.: Высшая школа, 1988, с. 203, рис. 7.19].
Недостатками данных умножителей являются низкое быстродействие, обусловленное использованием электронных схем управления переключением, и сложность конструкции.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический умножитель, содержащий группу оптических ответвлений [Патент №2022328, Россия, 1994. Оптический умножитель / Соколов С.В].
Недостатком данного устройства является сложность конструкции.
Заявленное устройство направлено на решение задачи умножения как когерентных, так и некогерентных, оптических кодовых сигналов с быстродействием, потенциально возможным для оптических процессорных схем, и задачи упрощения устройства.
Поставленная задача возникает при разработке и создании оптических вычислительных машин или приемо-передающих устройств, обеспечивающих обработку информации в гигагерцовом диапазоне.
Технический результат достигается тем, что в устройство введены N М-выходных оптических разветвителей, М N-выходных оптических разветвителей, М*N-входной оптический объединитель, источник напряжения, M*N оптических логических элементов «И», каждый из которых содержит резистор, фотодиод, вход которого объединяет информационные входы оптического логического элемента «И», и светодиод, катод фотодиода подключен к катоду светодиода, а анод фотодиода подключен к отрицательному электроду входа питания оптического логического элемента «И», соединенного с выходом источника напряжения, резистор соединен параллельно со светодиодом, анод которого подключен к положительному электроду входа питания оптического логического элемента «И», а выход светодиода является выходом оптического логического элемента «И», входами первого сомножителя являются входы М-выходных оптических разветвителей, входами второго сомножителя - входы N-выходных оптических разветвителей, j-й выход i-го М-выходного оптического разветвителя (i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M) оптически связан со входом фотодиода ij-го оптического логического элемента «И», с которым также оптически связан i-й выход j-го N-выходного оптического разветвителя, входы питания оптических логических элементов «И» соединены с выходом источника напряжения 4, а выходы оптических логических элементов «И» подключены к соответствующим входам M*N-входного оптического объединителя, выход которого является выходом устройства.
На фиг. 1 представлена функциональная схема оптического умножителя (далее - устройство).
1i
2
2j
Устройство содержит N М-выходных оптических разветвителей 1, i=1, 2, …, N, М N-выходных оптических разветвителей 1j, j=1, 2, …, M, M*N оптических логических элементов «И» 2, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M, M*N-входной оптический объединитель 3, источник напряжения 4.
1
2
N
1i
1
2
M
2
Входами первого сомножителя "a","a",…,"a" являются входы N М-выходных оптических разветвителей 1, i=1, 2, …, N. Входами второго сомножителя "b","b",…,"b" являются входы М N-выходных оптических разветвителей lj, j=1, 2, …, M.
1i
ij
ij
J-й выход i-го М-выходного оптического разветвителя 1 оптически связан со входом фотодиода 2 оптического логического элемента «И» 2, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M.
2
ij
ij
1-й выход j-го N-выходного оптического разветвителя li также оптически связан со входом фотодиода 2 оптического логического элемента «И» 2, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M.
ij
Входы питания оптических логических элементов «И» 2, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M, соединены с выходом источника напряжения 4.
ij
Выходы оптических логических элементов «И» 2, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M, подключены к соответствующим входам M*N входного оптического объединителя 3. Выход М*N входного оптического объединителя 3 является выходом устройства.
ij
Функциональная схема оптического логического элемента «И» 2, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M, показана на фиг. 2.
ij
ij1
ij2
ij3
Оптический логический элемент «И» 2 содержит фотодиод 2светодиод 2 и резистор 2.
ij1
ij
Вход фотодиода 2 представляет собой (объединяет) информационные входы оптического логического элемента «И» 2.
ij1
ij2
ij1
ij
Катод фотодиода 2 подключен к катоду светодиода 2, а анод фотодиода 2 подключен к отрицательному электроду входа питания оптического логического элемента «И» 2, соединенного с выходом источника напряжения 4 (т.к. фотодиод в режиме фотоприема работает в инверсном режиме).
ij3
ij2
ij
ij2
ij
Резистор 2 соединен параллельно со светодиодом 2, анод которого подключен к положительному электроду входа питания оптического логического элемента «И» 2. Выход светодиода 2 является выходом оптического логического элемента «И» 2, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, М. Устройство работает следующим образом.
1
2
N
ij
1
2
M
2
На входы первого сомножителя "a","a",…,"a" (входы М - выходных оптических разветвителей 1, i=1, 2, …, N) поступает оптический унитарный код (код с числом единиц, соответствующим значению кодируемого числа) с интенсивностью информационного единичного сигнала («1»), равной М усл(овных).ед(иниц)., соответствующий первому сомножителю А. На входы второго сомножителя "b", "b",…,"b" (входы N - выходных оптических разветвителей lj, j=1, 2, …, M) поступает оптический унитарный код с интенсивностью информационного единичного сигнала («1»), равной N усл. ед., соответствующий второму сомножителю В.
ij
2
ij
Разветвляясь в соответствующих оптических разветвителях, оптические сигналы с интенсивностью «1» усл. ед. (или «О») поступают: с выходов М - выходного оптического разветвителя 1 и на входы М оптических логических элементов «И» 2, j=1, 2, …, M, а с выходов N - выходного оптического разветвителя lj на входы N оптических логических элементов «И» 2, i=1, 2, …, N.
ij
ij1
ij
ij2
ij
ij
Если на вход оптического логического элемента «И» 2, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M, поступит оптический сигнал с интенсивностью «1» усл. ед., которая меньше порога срабатывания фотодиода 2, то фотодиод 2 будет закрыт - падение напряжения источника питания 4 на светодиоде 2 будет ниже его порога срабатывания. Оптический сигнал на выходе светодиода 2, а также на выходе оптического логического элемента «И» 2, будет равен нулю.
ij
ij1
ij1
ij1
ij2
ij
Если на вход оптического логического элемента «И» 2, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M, поступят два оптических сигнала с интенсивностью «1» усл. ед., суммарная интенсивность которых больше порога срабатывания фотодиода 2, то фотодиод 2 будет открыт и падение напряжения источника питания 4 на светодиоде 2 будет выше его порога срабатывания. На выходе светодиода 2, а, следовательно, на выходе оптического логического элемента «И» 2, в этом случае формируется оптический сигнал с интенсивностью «1» усл.ед., поступающий далее на соответствующий вход M*N - входного оптического объединителя 3.
Таким образом, наличие «1» в соответствующем разряде оптического унитарного кода одного из сомножителей обеспечивает прохождение всех разрядов оптического унитарного кода другого сомножителя на соответствующие входы M*N - входного оптического объединителя 3.
Т.к. оптические сигналы, поступающие на вход M*N - входного оптического объединителя 3, суммируются на его выходе, то на выход устройства поступает оптический сигнал с интенсивностью А*В усл. ед.
ij
-10
Время переходного процесса определяется быстродействием оптических логических элементов «И» 2, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, M, и составляет ≈ 10 с, что обеспечивает возможность обработки информации в гигагерцовом диапазоне.
Простота данного оптического умножителя и высокое быстродействие делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемо-передающих устройств.