ОПТИЧЕСКИЙ Т-ТРИГГЕР
OPTICAL T FLIP-FLOP

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.
Наиболее близким по техническому исполнению к заявленному устройству является оптический RS-триггер, состоящий из оптических волноводов и оптических бистабильных элементов [патент №2020528, Россия, 1994. Оптический триггер / Соколов С.В.].
Недостатком данного устройства является невозможность реализации логических функций Т-триггера.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, - оптические бистабильные элементы.
Задача изобретения - создание оптического устройства, выполняющего логические функции Т-триггера как для когерентных, так и некогерентных входных оптических сигналов.
Техническим результатом является расширение возможностей устройства за счет выполнения логических функций Т-триггера.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический Т-триггер, содержащий два оптических бистабильных элемента, введены четыре оптических Y-разветвителя, два оптических Y-объединителя, источник излучения, два оптических бистабильных элемента, два оптических трехвходных объединителя, счетным входом «Т» является вход первого оптического Y-объединителя, первый выход которого подключен к первому входу первого оптического Y-объединителя, второй выход первого оптического Y-разветвителя подключен к первому входу второго оптического Y-объединителя, выходы первого и второго оптических Y-объединителей подключены ко входам первого и второго оптических бистабильных элементов соответственно, инверсные выходы первого и второго оптических бистабильных элементов являются поглощающими, прямые выходы первого и второго оптических бистабильных элементов подключены к первым входам первого и второго оптических трехвходных объединителей соответственно, выход источника излучения подключен ко входу второго оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко второму входу первого оптического трехвходного объединителя, второй выход второго оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу второго оптического трехвходного объединителя, выходы первого и второго оптических трехвходных объединителей подключены ко входу третьего и четвертого оптических бистабильных элементов соответственно, инверсные выходы которых подключены к третьему входу второго и первого оптических трехвходных объединителей соответственно, прямой выход третьего и четвертого оптических бистабильных элементов подключены ко входу третьего и четвертого оптических Y-разветвителей соответственно, второй выход третьего оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя, второй выход четвертого оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу первого оптического Y-объединителя, первый выход третьего оптического Y-разветвителя является первым выходом устройства, первый выход четвертого оптического Y-разветвителя является вторым выходом устройства.
Функциональная схема оптического Т-триггера показана на фигуре 1.
Оптический Т-триггер содержит:
1
4
- 1,…, 1 - первый, второй, третий и четвертый оптические Y-разветвители;
1
2
- 2, 2 - первый и второй оптические Y-объединители;
1
2
3
4
1
2
3
4
- 3, 3, 3, 3 - первый, второй, третий и четвертый оптические бистабильные элементы (ОБЭ), которые могут быть выполнены в виде трансфазора или пары оптически связанных волноводов [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с.]; порог переключения оптического потока во всех ОБЭ 3, 3, 3, 3 составляет 1,5 усл(овных) ед(иницы);
- 4 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью 2 усл. ед.;
1
2
3
- 5 - первый оптический трехвходной объединитель со входами 5, 5, 5;
1
2
3
- 6 - второй оптический трехвходной объединитель со входами 6, 6, 6.
1
1
1
2
Счетным входом «Т» Т-триггера является вход первого оптического Y-разветвителя 1, первый выход которого подключен к первому входу первого оптического Y-объединителя 2. Второй выход первого оптического Y-разветвителя 1 подключен к первому входу второго оптического Y-объединителя 2.
1
2
1
2
Выходы первого и второго оптических Y-объединителей 2, 2 подключены ко входам первого и второго ОБЭ 3, 3, соответственно.
1
2
1
1
Прямые выходы первого и второго ОБЭ 3, 3 подключены к первым входам 5 и 6 первого и второго оптических трехвходных объединителей 5 и 6, соответственно.
1
2
Инверсные выходы первого и второго ОБЭ 3, 3 являются поглощающими.
2
2
2
Выход ИИ 4 подключен ко входу второго оптического Y-разветвителя 1, первый выход которого подключен ко второму входу 5 первого оптического трехвходного объединителя 5, а второй выход - ко второму входу 6 второго оптического трехвходного объединителя 6.
3
4
3
3
Выходы первого и второго оптических трехвходных объединителей 5 и 6 подключены ко входу третьего и четвертого ОБЭ 3 и 3 соответственно, инверсные выходы которых подключены к третьим входам 6 и 5 второго и первого оптических трехвходных объединителей 6 и 5, соответственно.
3
4
3
4
3
2
4
1
Прямые выходы третьего и четвертого ОБЭ 3 и 3 подключены ко входам третьего и четвертого оптических Y-разветвителей 1 и 1 соответственно. Второй выход третьего оптического Y-разветвителя 1 подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя 2, а второй выход четвертого оптического Y-разветвителя 1 подключен ко второму входу первого оптического Y-объединителя 2.
3
4
Первый выход третьего оптического Y-разветвителя 1 является первым (единичным) выходом устройства (Q1), а первый выход четвертого оптического Y-разветвителя 1 является вторым (нулевым) выходом устройства (Q2).
Работа устройства протекает следующим образом.
2
2
2
3
4
3
4
3
4
3
3
2
2
3
4
4
4
1
1
В начальный момент времени в отсутствие оптического сигнала на входе «Т» с выхода ИИ 4 оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. поступает на вход второго оптического Y-разветвителя 1, с первого и второго выходов которого оптические потоки с интенсивностями 1 усл. ед. каждый поступают на вторые входы 5 и 6 оптических трехвходных объединителей 5 и 6, соответственно. Оптические потоки с выходов оптических трехвходных объединителей 5 и 6 поступают далее на входы третьего и четвертого ОБЭ 3, 3, соответственно. Так как интенсивности потоков, поступающих на входы третьего и четвертого ОБЭ 3 и 3, меньше порога их срабатывания, то оптические потоки с интенсивностями 1 усл. ед. каждый проходят на инверсные выходы третьего и четвертого ОБЭ 3 и 3, поступая далее на третьи входы 6 и 5 второго и первого оптических трехвходных объединителей 6 и 5, соответственно. Каждый из этих потоков суммируется с оптическим потоком интенсивности 1 усл. ед., поступающим на второй вход 5 или 6 оптического трехвходного объединителя 5 или 6. Вследствие неодинаковой длины волноводов, различия коэффициентов затуханий в них и т.д. первым срабатывает только один ОБЭ из двух - ОБЭ 3 или 3. Допустим, сработал четвертый ОБЭ 3. Следовательно, на его инверсном выходе оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. исчезнет, а на прямом выходе будет сформирован оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. Этот поток, поступая на вход четвертого оптического Y-разветвителя 14, делится на две равные части. Первая часть этого потока поступает на первый выход четвертого оптического Y-разветвителя 14, формируя на выходе «Q2» сигнал в виде оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед., - триггер перешел в состояние логического нуля. Вторая часть оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед. со второго выхода четвертого оптического Y-разветвителя 1 поступает на второй вход первого оптического Y-объединителя 2 и далее - на вход первого ОБЭ 3, на инверсном выходе которого он поглощается.
4
2
2
3
Для повышения стабильности и априорной уверенности в начальной установке триггера в заданное состояние могут быть приняты дополнительные конструктивные меры, например, для установки триггера в начальный момент в состояние логического нуля (срабатывания ОБЭ 3) достаточно обеспечить равенство длины второго разветвления второго оптического Y-разветвителя 1 сумме длин первого разветвления второго оптического Y-разветвителя 1 и волновода третьего входа 6 второго оптического трехвходного объединителя 6 при идентичности параметров всех остальных элементов схемы.
1
1
2
2
2
1
1
Для установки оптического Т-триггера в другое состояние (в состояние логической единицы) на вход «Т» подается оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. Делясь пополам, он поступает через первый и второй выходы первого оптического Y-разветвителя 1 на первые входы первого и второго оптических Y-объединителей 2 и 2, соответственно. Одна часть этого оптического потока с интенсивностью 0,5 усл. ед. с выхода второго оптического Y-объединителя 2 поступает на вход второго ОБЭ 3, поглощаясь на инверсном выходе последнего. Одновременно, оптический поток, поступающий на первый вход первого оптического Y-объединителя 2, суммируется с оптическим потоком, поступающим на второй вход первого оптического Y-объединителя 2, что приводит к появлению на выходе последнего оптического потока с интенсивностью 1,5 усл. ед.
1
1
1
1
2
3
3
Этот оптический поток с интенсивностью 1,5 усл. ед. поступает на вход первого ОБЭ 3, приводя к его срабатыванию. На прямом выходе первого ОБЭ 3 возникает оптический поток с интенсивностью 1,5 усл. ед., который поступает на первый вход 5 первого оптического трехвходного объединителя 5. За счет сложения в оптическом трехвходном объединителе 5 двух оптических потоков - с интенсивностью 1,5 усл. ед. с первого входа 5 и с интенсивностью 1 усл. ед. со второго входа 5, на вход третьего ОБЭ 3 поступает оптический поток с интенсивностью 2,5 усл. ед., приводящий к срабатыванию третьего ОБЭ 3 - оптический поток на его инверсном выходе исчезает, на прямом - появляется.
3
3
3
3
2
2
Далее с прямого выхода третьего ОБЭ 3 оптический поток с интенсивностью 2,5 усл. ед. поступает на вход третьего оптического Y-разветвителя 1, где делится на две части. Первая часть этого потока поступает на первый выход третьего оптического Y-разветвителя 1, формируя на выходе «Q1» оптический сигнал с интенсивностью 1,25 усл. ед. - состояние перехода триггера из состояния логического нуля в состояние логической единицы. Вторая часть оптического потока с интенсивностью 1,25 усл. ед. со второго выхода третьего оптического Y-разветвителя 1 поступает на второй вход второго оптического Y-объединителя 2 и далее на вход второго ОБЭ 3.
4
4
4
3
Так как на инверсном выходе третьего ОБЭ 2з оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. исчезает, то на выходе второго оптического трехвходного объединителя 6 оптический поток изменит величину интенсивности с 2 усл. ед. на 1 усл. ед. При поступлении оптического потока с выхода второго оптического трехвходного объединителя 6 на вход четвертого ОБЭ 2 оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед., четвертый ОБЭ 3 перенаправляет входной оптический поток с прямого выхода на инверсный. Далее этот оптический поток с инверсного выхода четвертого ОБЭ 3 поступает на третий вход 5 первого оптического трехвходного объединителя 5.
4
4
1
1
1
3
3
3
3
3
2
2
Кроме того, исчезновение оптического потока на прямом выходе четвертого ОБЭ 3 приводит к отсутствию оптического потока на выходах четвертого оптического Y-разветвителя 1, что влечет за собой отсутствие оптического потока на втором входе первого оптического Y-объединителя 1, a также отсутствие оптического потока на выходе «Q2». Следовательно, на вход первого ОБЭ 3 будет поступать оптический поток с интенсивностью 0,5 усл. ед. при наличии управляющего сигнала на входе «Т» в виде оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед. В результате этого на прямом выходе первого ОБЭ 3 оптический поток формироваться не будет, и на вход третьего ОБЭ 3 поступает теперь оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. Третий ОБЭ 3 своего состояния не изменит, и с прямого выхода последнего оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. поступает на вход третьего оптического Y-разветвителя 1, где он делится пополам. Первая часть этого потока поступает на первый выход третьего оптического Y-разветвителя 1, формируя на выходе «Q1» устройства сигнал в виде оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед., - триггер полностью перешел в состояние логической единицы. Вторая часть оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед. со второго выхода третьего оптического Y-разветвителя 1 поступает на второй вход второго оптического Y-объединителя 2 и далее - на вход второго ОБЭ 3.
1
1
2
1
1
2
2
Для перевода триггера в состояние логического нуля необходимо на вход «Т» подать оптический сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. Делясь пополам, он поступает через первый и второй выходы первого оптического Y-разветвителя 1 на первые входы первого и второго оптических Y-объединителей 2 и 2, соответственно. Одна часть этого оптического потока с интенсивностью 0,5 усл. ед. с выхода первого оптического Y-объединителя 1 поступает на вход первого ОБЭ 3, поглощаясь на инверсном выходе последнего. Одновременно оптический поток, поступающий на первый вход второго оптического Y-объединителя 2, суммируется с оптическим потоком, поступающим на второй вход второго оптического Y-объединителя 2, что приводит к появлению на выходе последнего оптического потока с интенсивностью 1,5 усл. ед.
2
2
1
1
2
4
4
Этот оптический поток с интенсивностью 1,5 усл. ед. поступает на вход второго ОБЭ 3, приводя к его срабатыванию. Поэтому на прямом выходе второго ОБЭ 3 возникает оптический поток с интенсивностью 1,5 усл. ед., который поступает на первый вход 6 второго оптического трехвходного объединителя 6. За счет сложения в оптическом трехвходном объединителе 6 двух оптических потоков - с интенсивностью 1,5 усл. ед. на входе 6 и с интенсивностью 1 усл. ед. на входе 6, на вход четвертого ОБЭ 3 поступает оптический поток с интенсивностью 2,5 усл. ед.- оптический поток в четвертом ОБЭ 3 переключается с инверсного выхода на прямой выход.
4
4
4
4
1
1
Далее с прямого выхода четвертого ОБЭ 3 оптический поток с интенсивностью 2,5 усл. ед. поступает на вход четвертого оптического Y-разветвителя 1, где он делится на две части. Первая часть этого потока поступает на первый выход четвертого оптического Y-разветвителя 1, формируя на выходе «Q2» оптический сигнал с интенсивностью 1,25 усл. ед. - состояние перехода триггера из состояния логической единицы в состояние логического нуля. Вторая часть оптического потока с интенсивностью 1,5 усл. ед. со второго выхода четвертого оптического Y-разветвителя 1 поступает на второй вход первого оптического Y-объединителя 2 и далее на вход первого ОБЭ 3.
4
3
3
3
3
Так как на инверсном выходе четвертого ОБЭ 3, оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. исчезает, то на выходе оптического трехвходного объединителя 5 оптический поток изменит величину интенсивности с 2-х усл. ед. на 1 усл. ед. При поступлении оптического потока с выхода второго оптического трехвходного объединителя 5 на вход третьего ОБЭ 3, третий ОБЭ 3 перенаправляет оптический поток с прямого выхода на инверсный. Далее оптический поток с инверсного выхода третьего ОБЭ 3 поступает на третий вход 6 второго оптического трехвходного объединителя 6.
3
3
2
2
2
4
4
4
4
4
1
1
Кроме того, исчезновение оптического потока на прямом выходе третьего ОБЭ 3 приводит к отсутствию оптического потока на первом и втором выходах третьего оптического Y-разветвителя 1, что влечет за собой отсутствие оптического потока на втором входе второго оптического Y-объединителя 2, а также отсутствие оптического потока на выходе «Q1» устройства. Следовательно, на вход второго ОБЭ 3 будет поступать оптический поток с интенсивностью 0,5 усл. ед. при наличии сигнала на входе «Т» с интенсивностью 1 усл. ед., вследствие чего на прямом выходе второго ОБЭ 3 оптический поток формироваться не будет, и на вход четвертого ОБЭ 3 поступит оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. Четвертый ОБЭ 3 своего состояния не изменит, и с прямого выхода последнего оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. поступает на вход четвертого оптического Y-разветвителя 3, где он делится пополам. Первая часть этого потока поступает на первый выход четвертого оптического Y-разветвителя 1, формируя на выходе «Q2» сигнал с интенсивностью 1 усл. ед. - триггер полностью перешел в состояние логического нуля. Вторая часть оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед. со второго выхода третьего оптического Y-разветвителя 1 поступает на второй вход первого оптического Y-объединителя 2 и далее - на вход первого ОБЭ 3.
Дальнейшее функционирование оптического Т-триггера осуществляется по вышеприведенному алгоритму.
Таким образом, осуществляется реализация логических функций Т-триггера и запоминание информации.
-12
Быстродействие оптического Т-триггера определяется динамическими характеристиками оптических бистабильных элементов, быстродействие которых составляет ≈10 с. Для существующих оптических средств обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.