ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ФУНКЦИЙ
OPTICAL COMPUTING DEVICE FOR CALCULATING FUNCTION DIFFERENCE

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной логики, а также в оптических компьютерах при выполнении операции алгебраической разности двух функций.
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 вычисления алгебраической разности двух функций.
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]. Устройство для вычитания оптических сигналов содержит 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, оптически связанные волноводы.
Недостатками вышеописанного устройства являются высокая сложность и невозможность вычисления алгебраической разности двух функций.
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 излучения, оптический транспарант, оптический разветвитель, оптически связанные волноводы.
Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность вычисления алгебраической разности двух функций.
5
6
Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию вычисления алгебраической разности двух функций 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 алгебраической разности двух функций при одновременном увеличении вычислительной производительности.
1
2
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический вычислитель разности функций, содержащий первый источник излучения с длиной волны λ, первый оптический транспарант, первый оптический k×n-выходной разветвитель, оптически связанные волноводы, введены второй источник излучения с длиной волны λ, второй оптический k×n-выходной разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, k оптических n-входных объединителей, второй оптический транспарант, выход первого источника излучения подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя, выход второго источника излучения подключен ко входу второго оптического k×n-выходного разветвителя, ij-й выход (i=1, 2, …k; j=1, 2, …n) первого оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу первого матричного оптического транспаранта размерности k×n, ij-й выход которого подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя, ij-й выход (i=1, 2, …k; j=1, 2, …n) второго оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу второго матричного оптического транспаранта размерности k×n, ij-й выход которого подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя, выход ij-го оптического Y-объединителя подключен ко входному оптическому волноводу ij-й пары оптически связанных волноводов, первый выход которой является поглощающим, а второй выход ij-й пары оптически связанных волноводов подключен j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства.
1
2
РЕЗ
Оптический вычислитель разности функций - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции алгебраической разности двух функций у(x) и у(х) и получения результирующей функции у(х):
Функциональная схема устройства показана на фигуре 1.
Оптический вычислитель разности функций содержит:
1
- 1 - первый источник излучения (ИИ) с интенсивностью k×n усл(овных) ед(иниц) и длиной волны λ;
2
- 2 - второй ИИ с интенсивностью k×n усл.ед. и длиной волны λ;
- 3 - первый оптический k×n-выходной разветвитель;
- 4 - второй оптический k×n-выходной разветвитель;
1
1
- 5 - первый матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции у(x) в координатах у(x), x;
2
2
- 6 - второй матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции у(х) в координатах у(х), x;
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
- 7, 7, …7; 7, 7, …7; …; 7, 7, …7 - k групп по n оптических Y-объединителей;
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
- 8, 8, …8; 8, 8, …8; …; 8, 8, …8 - k групп по n пар 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., страница 148, рисунок 5.2];
1
2
k
- 9, 9, …9 - k оптических n-входных объединителей.
Выход первого ИИ 1 подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя 3, а выход второго ИИ 2 подключен ко входу второго оптического k×n-выходного разветвителя 4.
ij
Каждый ij-й выход первого оптического k×n-выходного разветвителя 3 подключен к ij-му входу первого МОТ 5. Каждый ij-й выход первого МОТ 5 подключен к первому входу соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7; i, j=k, n.
ij
Каждый ij-й выход второго оптического k×n-выходного разветвителя 4 подключен к ij-му входу второго МОТ 6. Каждый ij-й выход второго МОТ 6 подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя 7; i, j=k, n.
ij
ij
i
ij
Выход ij-го оптического Y-объединителя 7 подключен ко входу ij-й пары ОСВ 8. Второй выход ij-й пары ОСВ 8ij подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя 9; i, j=k, n, первый выход каждой ij-й пары ОСВ 8 является поглощающим.
1
2
k
Выходы оптических n-входных объединителей 9, 9, …9 являются выходами устройства.
1
1
2
2
РЕЗ
РЕЗ
РЕЗ
Примеры изображений графиков функции у(x) в координатах y(x), x и функции у(х) в координатах у(х), х, а также графика модуля их разности - модуля результирующей функции у(х) в координатах у(х), х, показаны на фигурах 2 (а), (б) и (в) соответственно. На фигуре 2 (в) область положительных значений функции у(х) показано правой штриховкой, область отрицательных значений - левой штриховкой.
ij
Схема ij-й пары ОСВ 8 показана на фигуре 3.
1
2
Работа оптического вычислителя разности функций происходит следующим образом. С выхода НИ 1 оптический поток с интенсивностью k×n усл.ед. и длиной волны λ поступает на вход первого оптического k×n-выходного разветвителя 3. С выхода ИИ 2 оптический поток с интенсивностью k×n усл.ед. и длиной волны λ поступает на вход второго оптического k×n-выходного разветвителя 4.
1
1
1
1
1
1
ij
На всех выходах первого оптического k×n-выходного разветвителя 3 формируются оптические потоки единичной интенсивности с длиной волны λ, поступающие далее на вход первого матричного оптического транспаранта 5. На первом матричном оптическом транспаранте 5 записано изображение графика функции у(x) в координатах у(x), x (фигура 2а), имеющее единичную функцию пропускания (остальная часть транспаранта является поглощающей). Следовательно, на выходе первого матричного оптического транспаранта 5 будет сформировано изображение графика функции у(x) в координатах у(x), x в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков) с длиной волны λ. Каждый из этих единичных потоков поступает на первый вход соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7.
2
2
1
2
2
2
ij
Одновременно на всех выходах второго оптического k×n-выходного разветвителя 4 формируются оптические потоки единичной интенсивности с длиной волны λ, поступающие далее на вход второго матричного оптического транспаранта 6. На втором матричном оптическом транспаранте 6 записано изображение графика функции у(х) в координатах у(x), x (фигура 2б), имеющее единичную функцию пропускания (остальная часть транспаранта является поглощающей). Следовательно, на выходе второго матричного оптического транспаранта 6 будет сформировано изображение графика функции у(х) в координатах у(х), x в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков) с длиной волны λ. Каждый из этих единичных потоков поступает на второй вход соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7.
ij
ij
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
1
2
Так как каждый ij-й пиксел первого матричного оптического транспаранта 5 оптически связан - подключен к первому входу соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7, а каждый ij-й пиксел второго матричного оптического транспаранта 6 подключен ко второму входу этого же ij-го оптического Y-объединителя 7, то на выходах всех оптических Y-объединителей 7, 7, …7; 7, 7, …7; …; 7, 7, …7 за счет объединения единичных оптических потоков от обоих МОТ 5, 6 будет сформировано изображение наложения двух функций у(x) и у(х) (показано на фигуре 2 в) в виде пространственно распределенного оптического потока, состоящего из совокупности оптических потоков со следующими интенсивностями и длинами волн:
1
1
2
1
2
i
1 усл.ед. с длиной волны λ - если у(x)>у(х), причем у(x)≠0 и у(х)≠0, ∀x∈X;
2
1
2
1
2
i
1 усл.ед. с длиной волны λ - если у(x)<у(х), причем у(x)≠0 и у(х)≠0, ∀x∈X;
1
2
1
2
1
2
i
2 усл.ед. с длинами волн λ, λ - если у(x)=у(х), причем у(x)≠0 и у(х)≠0, ∀x∈Х;
0 - во всех остальных случаях.
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
С выходов оптических Y-объединителей 7, 7, …7; 7, 7, …7; …; 7, 7, …7 оптические потоки поступают на входы соответствующих пар ОСВ 8, 8, …8; 8, 8, …8; …; 8, 8, …8.
ij
ij
ij
ij
ij
Если на вход пары ОСВ 8 поступает оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед., то он проходит через входной оптический волновод на второй выход пары ОСВ 8, переключения оптического потока не происходит. Если на вход пары ОСВ 8 поступает оптический поток с интенсивностью 2 усл.ед., то происходит переключение оптического потока из входного оптического волновода в выходной, оптически связанный со входным, - т.е. на первый выход пары ОСВ 8, где этот поток поглощается. (При этом на втором выходе пары ОСВ 8 оптический поток отсутствует.)
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
Т.о. на выходе каждой пары ОСВ 8, 8, …8; 8, 8, …8; …; 8, 8, …8 формируется оптический поток с интенсивностью и длиной волны, равными:
1
1
2
1
2
i
1 усл.ед. с длиной волны λ - если у(x)>у(х), причем у(x)≠0 и у(х)≠0, ∀x∈X;
2
1
2
1
2
i
1 усл.ед. с длиной волны λ - если у(x)<у(х), причем у(x)≠0 и у(х)≠0, ∀x∈X;
0 - во всех остальных случаях.
1
2
Таким образом, формируется изображение алгебраической разности функций у(x) и у(х) - т.е. результата операции, описываемой формулой (1):
1
1
2
- в виде пространственно распределенного оптического потока с длиной волны λ (фигура 2в - область правой штриховки), когда у(x)>у(х),
2
1
2
- и в виде пространственно распределенного оптического потока с длиной волны λ (фигура 2в - область левой штриховки), когда у(x)<у(х).
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
i
С выхода каждой из пары ОСВ 8, 8, …8; 8, 8, …8; …; 8, 8, …8 оптический поток поступает на соответствующий j-й вход i-го оптического n-входного объединителя 9.
i
1
2
1
2
РЕЗ
i
На выходах всех оптических n-входных объединителей 9, i=1,…,k, за счет суммирования соответствующего числа оптических потоков единичной интенсивности формируются оптические потоки с длинами волн λ и λ, интенсивности которых пропорциональны положительным (длина волны λ) и отрицательным (длина волны λ) значениям функции у(х) соответственно, для каждого значения x.
1
2
k
1
2
РЕЗ
Т.о. на выходах всех оптических n-входных объединителей 9, 9, …9 - на выходе устройства формируется полихроматический плоский оптический поток с интенсивностью по оси x, пропорциональной как положительным (длина волны λ), так и отрицательным (длина волны λ) значениям функции у(х) соответственно.
-12
Быстродействие оптического вычислителя разности функций определяется только динамическими характеристиками пар оптически связанных волноводов, время задержки которых составляет 10 с. Для существующих систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.