ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
OPTICAL ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании чисто оптических устройств обработки информации и вычислительной техники.
Известны различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983], обеспечивающие преобразование аналогового сигнала в двоичный код. Недостатками этих АЦП являются большая сложность и низкое быстродействие, уменьшающееся с ростом разрядности АЦП.
-6
Также известны АЦП, построенные на основе волноводных модуляторов типа Маха-Цендера [Семенов А.С. и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М.: Радио и связь, 1990. - 176 с, рис.7, 6], содержащие оптические бистабильные элементы и обеспечивающие преобразование электрического входного сигнала в код Грея. Недостатками данных АЦП являются: невозможность обеспечения аналого-цифрового преобразования оптических сигналов, невозможность преобразования входного аналогового сигнала в позиционный двоичный код, низкое общее быстродействие АЦП, обусловленное необходимостью использования в оконечном каскаде электронных элементов (фотодетектора, усилителя, компаратора) с суммарным временем срабатывания ≥10 с.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналогово-цифровой преобразователь, описанный в патенте РФ N 2177165, 2001 г. Время преобразования в данном АЦП прямо пропорционально его выходному коду и периоду следования импульсов. Недостатками данного АЦП являются его сложность и низкое быстродействие.
Заявленное изобретение направлено как на решение задачи преобразования в позиционный двоичный код как электрических, так и оптических аналоговых сигналов, с быстродействием, потенциально возможным для чисто оптических устройств обработки информации, так и на решение задачи упрощения устройства.
Поставленная задача возникает при создании быстродействующих устройств обработки информации в системах управления и связи.
Сущность изобретения состоит в том, что в N-разрядный оптический аналого-цифровой преобразователь введены оптический амплитудно-частотный преобразователь, оптические пространственно-частотные селекторы, оптические Y-разветвители, оптические пространственные амплитудные модуляторы, оптические объединители, объединенные в N разрядных ячеек, каждая из которых содержит два оптических пространственно-частотных селектора, оптический Y-разветвитель, оптический пространственный амплитудный модулятор, оптический объединитель; входом устройства является вход оптического амплитудно-частотного преобразователя, выход которого подключен к входу первого оптического пространственно-частотного селектора первой разрядной ячейки, первый выход которого в каждой разрядной ячейке подключен к первому входу оптического объединителя данной разрядной ячейки, а второй выход подключен к входу оптического Y-разветвителя данной разрядной ячейки, второй выход которого является информационным выходом данной к-й разрядной ячейки и выходом соответствующего разряда устройства, а первый выход подключен ко входу оптического пространственного амплитудного модулятора данной разрядной ячейки, выход которого подключен ко входу второго оптического пространственно-частотного селектора данной разрядной ячейки, второй выход которого является поглощающим, а первый выход подключен ко второму входу оптического объединителя данной разрядной ячейки, выход которого является выходом переноса каждой разрядной ячейки и подключен ко входу первого оптического пространственно-частотного селектора следующей разрядной ячейки, при этом выход переноса последней (N-й, младшей) разрядной ячейки является поглощающим.
Сущность АЦП поясняется чертежом, где приведена функциональная схема N-разрядного устройства.
11
12
N1
N2
1
N
1
N
1
N
АЦП состоит из оптического амплитудно-частотного преобразователя 1,2·N оптических пространственно-частотных селекторов 2, 2, …, 2, 2, N оптических Y-разветвителей 3, …, 3, N оптических пространственных амплитудных модуляторов 4, …, 4, N оптических объединителей 5, …, 5.
K1
K2
K
K
K
Оптические пространственно-частотные селекторы 2 2, оптический Y-разветвитель 3, оптический пространственный амплитудный модулятор 4 и оптический объединитель 5 образуют К-ю разрядную ячейку (6 K), K=1, …, N.
Оптический амплитудно-частотный преобразователь 1 формирует на своем выходе фронт стоячей оптической монохроматической волны, пространственная частота которой пропорциональна интенсивности сигнала I на его входе. Он может быть выполнен в виде или параметрического генератора частоты, или оптического резонатора с оптически прозрачным периметром и управляемой сигналом I оптической длиной, или оптического мультиплексора, на вход которого подается набор фронтов стоячих монохроматических волн с заданными частотами [В.Г.Олифер, Н.А.Олифер. Компьютерные сети. - СПб.: Питер, 2003, - 270 с.].
11
12
N1
N2
Оптические пространственно-частотные селекторы 2, 2, …, 2, 2 могут быть выполнены в виде дихроичного элемента (призмы, фильтра, зеркала и т.д.), дифракционной решетки, призматического элемента. Функцией оптического пространственно-частотного селектора является пространственное разделение оптических сигналов по частоте если пространственная частота сигнала меньше заданной (для оптического пространственно-частотного селектора данной разрядной ячейки), то входной сигнал оптического пространственно-частотного селектора пройдет на его первый выход «<», если больше или равна - поступит на второй выход «>».
1
N
Оптические пространственные амплитудные модуляторы 4, …, 4 могут быть выполнены в виде транспаранта с постоянной функцией пропускания (гармонической с соответствующей заданной частотой).
1
N
1
N
Оптические Y-разветвители 3, …, 3 и второе оптическое ответвление каждого оптического объединителя 5, …, 5 являются активными оптическими волноводами с коэффициентом усиления 2.
11
1
1
1
1
1
1
N
1
12
1
1
1
1
2
21
K1
K
Входом устройства является вход оптического амплитудно-частотного преобразователя 1, выход которого подключен к входу первого оптического пространственно-частотного селектора 2 (являющемуся входом первой разрядной ячейки 6), первый выход которого подключен к первому входу оптического объединителя 5, а второй выход подключен ко входу оптического Y-разветвителя 3. Первый выход оптического Y-разветвителя 3 подключен ко входу оптического пространственного амплитудного модулятора 4, а второй выход является информационным выходом разрядной ячейки 6 - выходом N - го (старшего) разряда АЦП D. Выход оптического пространственного амплитудного модулятора 4 подключен ко входу второго оптического пространственно-частотного селектора 2, первый выход которого подключен ко второму входу (входу второго оптического ответвления) оптического объединителя 5, а второй выход является поглощающим. Выход оптического объединителя 5 является выходом переноса первой разрядной ячейки 6. Выход переноса первой разрядной ячейки 6 подключен ко входу второй разрядной ячейки 6 - ко входу первого оптического пространственно-частотного селектора 2. Выход переноса разрядной ячейки 6(К-1) подключен ко входу разрядной ячейки 6К, К=1, …, N, (ко входу первого оптического пространственно-частотного селектора 2 разрядной ячейки 6), выход переноса разрядной ячейки 6N является поглощающим.
Информационные выходы всех K-х разрядных ячеек, К=1, …, N, образуют соответствующие выходы АЦП.
Рассмотрим работу аналогово-цифрового преобразователя на примере трехразрядного АЦП (поясняя отдельные значения параметров для общего случая N разрядов).
0
1
min
max
0
1
min
1
N
Пусть на вход АЦП подан сигнал интенсивности I, формирующий на выходе оптического амплитудно-частотного преобразователя 1 фронт стоячей оптической монохроматической волны с пространственной частотой ω, относительное значение которой ω - относительно нижней границы возможного оптического диапазона частот [ω, ω]: ω=ω+ω, соответствует 5 усл.ед. (при этом весь диапазон изменения ω=К I, где К - коэффициент пропорциональности, составляет 7(2-1) усл.ед.).
0
Иными словами, на выходе оптического амплитудно-частотного преобразователя 1 формируется плоский оптический монохроматический поток с распределением амплитуды в направлении оси, перпендикулярной его распространению (обозначаемой далее Ох), равном A(x)=Acos(ωx), где А - постоянная известная величина.
1
11
Данный поток поступает на вход первой разрядной ячейки 6 - на вход ее оптического пространственно-частотного селектора 2, для которого частота пространственного разделения оптических сигналов равна:
р1
1
min
1
N-1
Ω=Ω+ω, где Ω=4(2) усл.ед.
11
1
1
1
1
1
Так как относительная частота (далее O-частота) входного сигнала оптического пространственно-частотного селектора 2 больше 4 усл.ед. (ω=5 усл.ед.), то сигнал появится на его втором выходе «>». Этот сигнал, с одной стороны, поступит на информационный выход данной разрядной ячейки 6, т.е. на выход старшего (N-го) разряда АЦП, где сформирует информационную «1» (оптический сигнал амплитуды А), а с другой стороны, - на вход оптического пространственного амплитудного модулятора 4 с функцией пропускания по оси Ox f(x)=cos(Ωx).
1
Таким образом, на выходе оптического пространственного амплитудного модулятора 4 появится оптический сигнал с распределением амплитуды по оси Ох, равным:
1
0
1
o
1
0
1
A(x)=Acos(ωx) cos(Ωx)=A/2·(cos(ωx+Ωx)+cos(ωx-Ωх)).
2
1
1
1
1
12
1
1
21
2
Данный двухчастотный оптический сигнал - с O-частотами ω=ω-Ω=1 усл.ед. и ω+Ω=9 усл.ед., поступает на вход оптического пространственно-частотного селектора 2, где происходит его разделение - оптический сигнал с O-частотой 9 усл.ед. проходит на его второй поглощающий выход «>», а с O-частотой 1 усл.ед. - на его первый выход «<» и далее, через оптический объединитель 5, на выход переноса первой разрядной ячейки 6 и на вход оптического пространственно-частотного селектора 2 второй разрядной ячейки 6.
21
Для оптического пространственно-частотного селектора 2 частота пространственного разделения оптических сигналов уже равна:
р2
2
min
2
N-2
Ω=Ω+ω, где Ω=2(2) усл.ед.
21
2
1
1
2
2
31
3
Так как O-частота входного сигнала оптического пространственно-частотного селектора 2 меньше 2 усл.ед. (ω=ω-Ω=1 усл.ед.), то сигнал появится на его первом выходе «<». Этот оптический сигнал через оптический объединитель 5 пройдет сразу на выход переноса второй разрядной ячейки 6 и на вход оптического пространственно-частотного селектора 2 третьей разрядной ячейки 6. На его втором выходе «>» при этом сигнал отсутствует и, следовательно, на выходе второго (N-1 -го) разряда АЦП формируется информационный «0».
31
3
Для оптического пространственно-частотного селектора 2 третьей разрядной ячейки 6 частота пространственного разделения оптических сигналов равна:
р3
3
min
3
N-3
Ω=Ω+ω, где Ω=1(2) усл.ед.
2
3
3
3
3
Следовательно, оптический сигнал на его входе с O-частотой ω=1 усл.ед. пройдет на его второй выход «>» и далее - непосредственно на выход младшего разряда АЦП, где будет сформирована информационная «1» (оптический сигнал амплитуды А). При этом можно дополнительно отметить, что аналогично вышеописанному на выходе оптического пространственного амплитудного модулятора 4 данной разрядной ячейки 6 (с функцией пропускания по оси Ох f(х)=cos(Ωx)) появится двухчастотный оптический сигнал с распределением амплитуды по оси Ох, равным:
3
2
min
3
2
min
3
2
min
3
А(х)=Acos[(ω+ω)х]cos(Ωx)=A/2·(cos[(ω+ω)x+Ωx]+cos[(ω+ω)x-Ωx]).
3
2
3
2
3
32
3
Сигнал с O-частотами ω=ω-Ω=0 усл.ед. и ω+Ω=2 усл.ед., который разделится в оптическом пространственно-частотном селекторе 2 - оптический сигнал с O-частотой 2 усл.ед. пройдет на его второй поглощающий выход «>», а с O-частотой 0 усл.ед. (на границе используемого диапазона) - на его первый выход «<», который в данной разрядной ячейке 6 тоже является поглощающим.
3
32
3
N
Очевидно, что данные сигналы не влияют на формирование кода АЦП - наличие оптического пространственного амплитудного модулятора 4 и оптического пространственно-частотного селектора 2 в данной (N-й) разрядной ячейке 6 (6) обусловлено как требованиями к унификации конструкции разрядной ячейки, так и потенциальной возможностью дальнейшего расширения разрядности АЦП.
1
N
Таким образом, на выходе АЦП формируется - практически в реальном масштабе времени, двоичный код {D,…,D}=«101», соответствующий входному аналоговому сигналу интенсивности I=5 усл.ед.
-10
По существу, быстродействие рассмотренного АЦП определяется лишь временем амплитудно-частотного преобразования в оптическом амплитудно-частотном преобразователе 1 (не более 10 с) и практически не зависит от разрядности АЦП.