ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ ОПТИМАЛЬНОГО ПАРАМЕТРА
OPTIMUM PARAMETER OPTICAL COMPUTER

ентПредлагаемое изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации для решения оптимизационных задач математического программирования.
Известно оптическое вычислительное устройство - оптический дифференциатор [Патент RU 2159461, 2000, 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, оптический фазовый модулятор.
Недостатком вышеописанного аналога является невозможность вычисления оптимального параметра функции.
Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для вычитания оптических сигналов [Патент 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 оптически связанных волноводов и оптический бистабильный элемент.
Существенные признаки вышеописанного аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант, оптический разветвитель, пара оптически связанных волноводов.
Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность вычисления оптимального параметра функции.
Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь, принятый за прототип [Патент RU 2020550 С1, 1994, Оптический функциональный преобразователь / С.В.Соколов]. Нелинейный степенной преобразователь содержит источник когерентного излучения, дифференциатор, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, оптический n-входной объединитель, пару оптически связанных волноводов, оптический модулятор.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический транспарант, оптический n-выходной разветвитель, оптический n-входной объединитель, пара оптически связанных волноводов, оптический модулятор.
Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность вычисления оптимального параметра функции.
5
6
Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию нахождения оптимального параметра функции при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности до 10-10 операций в секунду.
Технический результат достигается тем, что в устройство введены оптический трехвыходной разветвитель, оптический k-выходной разветвитель, группа из (k-1) оптических амплитудных модуляторов, группа из k оптических n-выходных разветвителей, оптический фазовый модулятор, k×n-выходной разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, n групп по k фотоприемников, группа из n преобразователей тока в напряжение, селектор минимального сигнала, группа из n вычитателей электрических сигналов, линейный оптический транспарант, группа (n-1) пар оптически связанных волноводов, интегрированных в соответствующие пьезоэлементы, группа из n пьезоэлементов, оптический n-выходной разветвитель, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя, первый выход которого подключен ко входу оптического k-выходного разветвителя, второй выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу оптического фазового модулятора, третий выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, каждый выход оптического k-выходного разветвителя подключен к информационному входу соответствующего оптического амплитудного модулятора из группы k оптических амплитудных модуляторов, управляющие входы которых являются входами устройства, выход каждого оптического амплитудного модулятора из группы оптических амплитудных модуляторов подключен ко входу соответствующего оптического n-выходного разветвителя из группы k оптических n-выходных разветвителей, j-ый выход каждого i-го оптического n-выходного разветвителя из группы k оптических n-выходных разветвителей подключен к первому входу ij-ого оптического Y-объединителя из k групп по n оптических Y-объединителей (i=1,2,..k; j=1,2,..n), выход оптического фазового модулятора подключен ко входу оптического k×n-выходного разветвителя, ij-й выход которого подключен к ij-му входу матричного оптического транспаранта размерности k×n, каждый ij-й выход которого подключен ко второму входу ij-ого оптического Y-объединителя из k групп по n оптических Y-объединителей (i=1,2,..k; j=1,2,..n), выход ij-ого оптического Y-объединителя из k групп по n оптических Y-объединителей подключен ко входу ij-ого фотоприемника из n групп по k фотоприемников, выход каждого ij-ого фотоприемника в j-й группе по k фотоприемников подключен ко входу j-ого преобразователя тока в напряжение из группы из n преобразователей тока в напряжение (i=1,2,..k; j=1,2,..n) по схеме монтажного «ИЛИ», выход каждого j-ого преобразователя тока в напряжение из группы из n преобразователей тока в напряжение подключен к соответствующему j-му входу селектора минимального сигнала и к первому входу j-го вычитателя электрических сигналов из группы n вычитателей электрических сигналов (j=1,2,..n), выход селектора минимального сигнала подключен ко второму входу каждого j-го вычитателя электрических сигналов из группы n вычитателей электрических сигналов (j=1,2,..n), выход каждого j-го вычитателя электрических сигналов из группы n вычитателей электрических сигналов подключен к управляющему входу j-го пьезоэлемента из группы n пьезоэлементов (j=1,2,..n), каждый j-ый выход оптического n-выходного разветвителя подключен ко входу первого оптического волновода j-ой пары оптически связанных волноводов из группы по n пар оптически связанных волноводов, интегрированных в соответствующий j-ый пьезоэлемент из группы n пьезоэлементов (j=1,2,..n), выход первого оптического волновода j-ой пары оптически связанных волноводов из группы по n пар оптически связанных волноводов подключен к j-му входу оптического n-входного объединителя (j=1,2,..n), а выход второго оптического волновода j-ой пары оптически связанных волноводов из группы по n пар оптически связанных волноводов является поглощающим, выход оптического n-входного объединителя является выходом устройства.
Для достижения технического результата в оптический вычислитель оптимального параметра, содержащий источник когерентного излучения, матричный оптический транспарант размерности k×n, оптический n-выходной разветвитель, оптический n-входной объединитель, пару оптически связанных волноводов, оптический амплитудный модулятор, введены оптический трехвыходной разветвитель, оптический k-выходной разветвитель, группа из (k-1) оптических амплитудных модуляторов, группа из k оптических n-выходных разветвителей, оптический фазовый модулятор, k×n-выходной разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, n групп по k фотоприемников, группа из n преобразователей тока в напряжение, селектор минимального сигнала, группа из n вычитателей электрических сигналов, линейный оптический транспарант, группа (n-1) пар оптически связанных волноводов, интегрированных в соответствующие пьезоэлементы, группа из n пьезоэлементов, оптический n-выходной разветвитель, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя, первый выход которого подключен ко входу оптического k-выходного разветвителя, второй выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу оптического фазового модулятора, третий выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, каждый выход оптического k-выходного разветвителя подключен к информационному входу соответствующего оптического амплитудного модулятора из группы k оптических амплитудных модуляторов, управляющие входы которых являются входами устройства, выход каждого оптического амплитудного модулятора из группы оптических амплитудных модуляторов подключен ко входу соответствующего оптического n-выходного разветвителя из группы k оптических n-выходных разветвителей, j-ый выход каждого i-го оптического n-выходного разветвителя из группы k оптических n-выходных разветвителей подключен к первому входу ij-ого оптического Y-объединителя из k групп по n оптических Y-объединителей (i=1,2,..k; j=1,2,..n), выход оптического фазового модулятора подключен ко входу оптического k×n-выходного разветвителя, ij-й выход которого подключен к ij-му входу матричного оптического транспаранта размерности k×n, каждый ij-й выход которого подключен ко второму входу ij-ого оптического Y-объединителя из k групп по n оптических Y-объединителей (i=1,2,..k; j=1,2,..n), выход ij-ого оптического Y-объединителя из k групп по n оптических Y-объединителей подключен ко входу ij-ого фотоприемника из n групп по k фотоприемников, выход каждого ij-ого фотоприемника в j-й группе по k фотоприемников подключен ко входу j-ого преобразователя тока в напряжение из группы из n преобразователей тока в напряжение (i=1,2,..k; j=1,2,..n) по схеме монтажного «ИЛИ», выход каждого j-ого преобразователя тока в напряжение из группы из n преобразователей тока в напряжение подключен к соответствующему j-му входу селектора минимального сигнала и к первому входу j-го вычитателя электрических сигналов из группы n вычитателей электрических сигналов (j=1,2,..n), выход селектора минимального сигнала подключен ко второму входу каждого j-го вычитателя электрических сигналов из группы n вычитателей электрических сигналов (j=1,2,..n), выход каждого j-го вычитателя электрических сигналов из группы n вычитателей электрических сигналов подключен к управляющему входу j-го пьезоэлемента из группы n пьезоэлементов (j=1,2,..n), каждый j-ый выход оптического n-выходного разветвителя подключен ко входу первого оптического волновода j-ой пары оптически связанных волноводов из группы по n пар оптически связанных волноводов, интегрированных в соответствующий j-ый пьезоэлемент из группы n пьезоэлементов (j=1,2,..n), выход первого оптического волновода j-ой пары оптически связанных волноводов из группы по n пар оптически связанных волноводов подключен к j-му входу оптического n-входного объединителя (j=1,2,..n), а выход второго оптического волновода j-ой пары оптически связанных волноводов из группы по n пар оптически связанных волноводов является поглощающим, выход оптического n-входного объединителя является выходом устройства.
Оптический вычислитель оптимального параметра - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции определения оптимального параметра β функции у:
,
1
2
k
где х - аргумент функции F, Х∈x,x,…,x;
1
2
n
β - искомый параметр, определяемый из числа возможных β, β, …, β.
1
2
k
i
i
j
Процесс определения оптимального параметра функции осуществляется для функции у, заданной в виде обучающей динамической выборки y, у, …, угде y - значение функции у при i-ом значении аргумента х (i=1,2,..,k). Оптимальный параметр β выбирается из следующего условия:
Функциональная схема оптического вычислителя оптимального параметра показана на фигуре 1.
Оптический вычислитель оптимального параметра содержит:
- 1 - источник когерентного излучения (ИКИ) с амплитудой излучения 3×k×n усл(овных) ед(иниц);
- 2 - трехвыходной оптический разветвитель, третий выход которого имеет коэффициент пропускания 1/k;
- 3 - k-выходной оптический разветвитель;
1
2
k
- 4, 4,..., 4 - k оптических амплитудных модуляторов (ОАМ);
1
2
k
- 5, 5,…, 5 - k оптических n-выходных разветвителей;
- 6 - оптический фазовый модулятор (ОФМ), обеспечивающий постоянный сдвиг фазы оптического потока на π;
- 7 - k×n-выходной оптический разветвитель;
j
i
- 8 - матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n, у которого функция пропускания ij-го пикселя пропорциональна F(β,x), (i=1,2,..k; j=1,2,..n);
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
- 9, 9, … 9; 9, 9,... 9; …; 9, 9,... 9 - k групп по n оптических Y-объединителей;
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
- 10, 10, … 10; 10, 10, … 10; …; 10, 10, … 10 - n групп по k фотоприемников (ФП);
1
2
n
- 11, 11,.., 11 - n преобразователей тока в напряжение (ПТН), которые могут быть, например, реализованы в виде ПТН, описанных в [Искусство схемотехники: в 2 т.Т 1 / П.Хоровиц, У.Хилл, - М.: Мир, 1986 - страница 165, рисунок 3.15];
- 12 - селектор минимального сигнала (CMC), который может быть выполнен, например, в виде CMC, описанного в [А.с. СССР №1223259, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.];
- 13 - вычитатель электрических сигналов (ВЭС), который может быть, например, реализован в виде вычитателя, описанного в [Искусство схемотехники: в 2 т.Т 1 / П.Хоровиц, У.Хилл, - М.: Мир, 1986 - страница 166, рисунок 3.17];
- 14 - n-выходной оптический разветвитель;
j
- 15 - линейный оптический транспарант (ЛОТ), у которого функция пропускания j-го пикселя пропорциональна значению j-го параметра функции β;
11
12
21
22
n1
n2
- 16, 16, 16, 16,.., 16, 16 - n пар оптически связанных волноводов (ОСВ);
1
2
n
11
12
21
22
n1n2
- 17, 17,... 17 - n пьезоэлементов (ПЭ), в которые интегрированы соответствующие пары ОСВ 16, 16, 16, 16,.., 16 таким образом, что при отсутствии на управляющем входе ПЭ управляющего сигнала, изменяющего расстояние между ОСВ, оптическая связь в парах ОСВ отсутствует, появляясь только при наличии управляющего сигнала выше порогового уровня срабатывания ПЭ;
- 18 - n-входной оптический объединитель.
Выход ИКИ 1 подключен ко входу трехвыходного оптического разветвителя 2, первый выход которого подключен ко входу k-выходного оптического разветвителя 3; второй выход ИКИ 1 подключен ко входу ОФМ 6; третий выход ИКИ1 подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя 14.
1
2
k
1
2
k
1
2
k
1
2
k
1
2
k
i
ij
Каждый выход 3, 3,.., 3 оптического k-выходного разветвителя 3 подключен к информационному входу соответствующего ОАМ 4, 4,.., 4, управляющие входы которых являются входом устройства для подачи на них значений у у,.., y динамической обучающей выборки. Выход каждого ОАМ 4, 4,.., 4 подключен ко входу соответствующего оптического n-выходного разветвителя 5, 5,.., 5, j-ый выход каждого i-го оптического n-выходного разветвителя 5 подключен к первому входу ij-ого оптического Y-объединителя 9 (i=1,2,..k; j=1,2,...n).
ij
Выход ОФМ 6 подключен ко входу оптического k×n-выходного разветвителя 7. Каждый ij-ый выход оптического k×n-выходного разветвителя 7 подключен к ij-му входу МОТ 8. Каждый ij-ый выход МОТ 8 подключен ко второму входу соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 9 (i=1,2,..k; j=1,2,..n).
ij
ij
Выход ij-го оптического Y-объединителя 9 подключен ко входу ij-ого ФП 10 (i=1,2,..k; j=1,2,..n).
ij
j
Выход каждого ij-го ФП 10 в j-ой группе ФП подключен ко входу j-го ПТН 11 по схеме монтажного «ИЛИ» (i=1,2,..k; j=1,2,..n).
j
j
j
j
j
Выход каждого j-ого ПТН 11 подключен к j-му входу CMC 12 и к первому входу j-го ВЭС 13 (j=1,2, (n). Выход CMC 12 подключен ко второму входу каждого j-го ВЭС 13 (j=1,2, (n). Выход каждого j-го ВЭС 13 подключен к управляющему входу j-го ПЭ 17(j=1,2, (n).
1
2
n
11
21
n1
12
22
n2
12
22
n2
11
21
n1
1
2
n
Каждый выход 14, 14,..., 14 оптического n-выходного разветвителя 14 подключен к соответствующему входу ЛОТ 15, выходы которого подключены ко входам первых оптических волноводов 16, 16,..., 16, оптически связанных со вторыми оптическими волноводами 16, 16,..., 16 в соответствующих парах ОСВ. Выходы вторых оптических волноводов 16, 16,..., 16 соответствующих пар ОСВ являются поглощающими. Выходы первых оптических волноводов 16, 16,…, 16 пар ОСВ подключены к соответствующим входам 18, 18,..., 18 оптического n-входного объединителя 18, выход которого является выходом устройства.
Работа оптического вычислителя оптимального параметра протекает следующим образом.
С выхода ИКИ 1 световой когерентный поток с амплитудой 3×k×n усл. ед. поступает на вход трехвыходного оптического разветвителя 2. С первого выхода трехвыходного оптического разветвителя 2 оптический поток с амплитудой k×n усл. ед. поступает на вход k-выходного оптического разветвителя 3. Со второго выхода трехвыходного оптического разветвителя 2 оптический поток с амплитудой k×n усл. ед. поступает на вход ОФМ 6. С третьего выхода трехвыходного оптического разветвителя 2 оптический поток с амплитудой n усл. ед. поступает на вход n-выходного оптического разветвителя 14.
1
2
k
1
2
k
1
2
k
1
2
k
i
i
С каждого выхода 3, 3,..., 3 k - выходного оптического разветвителя 3 оптический поток амплитудой n усл. ед. поступает на информационный вход 9 соответствующего ОАМ 4, 4,..., 4. На управляющие входы ОАМ 4, 4,..., 4 подаются значения у, у,..., y динамической обучающей выбор,ки. С выхода каждого 1-го ОАМ 4 формируется оптический поток с амплитудой, пропорциональной у×n усл. ед. (i=1,2, (k).
i
i
i
i
i
ij
Далее каждый i-й оптический поток с амплитудой, пропорциональной у×n усл. ед., с выхода i-го ОАМ 4 поступает на вход i-го оптического n-выходного разветвителя 5 (i=1,2,..k). С каждого j-го выхода i-го оптического n-выходного разветвителя 5 оптический поток с амплитудой, пропорциональной у усл. ед., поступает на первый вход соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 9 (i=1,2,...k; j=1,2,...n).
ij
j
i
i
j
j
i
ij
Одновременно с выхода ОФМ 6 оптический поток с амплитудой k×n усл. ед. и фазой, инвертированной на π, поступает на вход оптического k×n-выходного разветвителя 7. С каждого ij-го выхода 7 оптического k×n-выходного разветвителя 7 ij-й оптический поток с амплитудой 1 усл. ед. поступает на ij-й вход МОТ 8, с каждого ij-го выхода которого формируется оптический поток с амплитудой, пропорциональной F(β,x), т.е. значению функции у при i-ом значении аргумента х и j-ом значении параметра β(i=1,2,...k; j=1,2,...n). Каждый такой ij-й оптический поток с амплитудой, пропорциональной F(β,x), поступает на второй вход соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 9 (i=1,2,..., k; j=1,2,...,n).
ij
i
j
i
ij
Таким образом, на первый вход ij-го оптического Y-объединителя 9 поступает оптический поток с амплитудой, пропорциональной у усл. ед., а на второй вход - оптический поток, сдвинутый по фазе на π, с амплитудой, пропорциональной F(β,x) (i=1,2,...,k; j=1,2,...,n). Интерферируя, данные световые потоки формируют на входе соответствующего ij-го ФП 10 оптический поток с интенсивностью, пропорциональной
i
j
i
i
j
i
2
ij
2
(y-F(β,x)) (i=1,2,...,k; j=1,2,...,n). На выходе ij-го ФП 10 формируется сигнал в виде электрического тока с силой, пропорциональной (у-F(β, х)) (i=1,2,...,k; j=1,2,...,n).
ij
j
j
j
j
Так как выход ij-го ФП 10 в j-ой группе ФП подключен ко входу j-го ПТН 11 по схеме монтажного «ИЛИ», то на вход j-го ПТН 11, работа которого описана в [Искусство схемотехники: в 2 т. Т 1 / П.Хоровиц, У.Хилл, - М.: Мир, 1986 - страница 165, рисунок 3.15], поступает электрический ток с силой, пропорциональной  (i=1,2,...,k; j=1,2,...,n). На выходе j-го ПТН 11 формируется электрический сигнал в виде напряжения, величина которого пропорциональна  (i=1,2,...,k; j=1,2,...,n). Этот сигнал поступает на j-ый вход CMC 12, работа которого описана в [А.с. СССР №1223259, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.], и на первый вход j-го ВЭС 13 (i=1,2,...k; j=1,2,...n). С выхода CMC 12 снимается напряжение, величина которого пропорциональна , что соответствует условию, описываемому формулой (1).
j
Таким образом, на первый входного ВЭС 13, работа которого описана в [Искусство схемотехники: в 2 т. Т 1 / П.Хоровиц, У.Хилл, - М.: Мир, 1986 - страница 166, рисунок 3.17], поступает электрический сигнал в виде напряжения, пропорционального , а на второй вход - электрический сигнал в виде напряжения, пропорционального .
j
j
1
2
n
1
2
n
Нулевой электрический сигнал будет на выходе того j-ого ВЭС 13, где  - для того j-го значения параметра β, для которого выполняется условие, описываемое формулой (1) (i=1,2,...k; j=1,2,...n). Сигналы с выходов ВЭС 13, 13,..., 13 поступают на управляющие входы соответствующих ПЭ 17, 17,..., 17.
j
11
21
n1
Одновременно оптический поток с амплитудой n усл. ед. с третьего выхода оптического трехвыходного разветвителя 3 поступает на вход оптического n-выходного разветвителя 14, на каждом выходе которого формируется оптический поток с амплитудой 1 усл. ед. Эти n потоков с единичной амплитудой поступают на соответствующие входы ЛОТ 15, формируя на его каждом j-ом выходе световой поток с амплитудой, пропорциональной j-му значению параметра β. Далее эти оптические потоки поступают на входы соответствующих первых оптических волноводов 16, 16,...,16 пар ОСВ.
i
i1
i2
i1
i2
i1
j
Тот ПЭ 17, на управляющем входе которого будет нулевой сигнал (что эквивалентно выполнению условия, описываемого формулой (1)), не изменит начального расстояния между ОСВ 16 и 16, не допускающего переключения оптического потока из первого оптического волновода 16 во второй оптический волновод 16. Этот оптический поток из первого оптического волновода 16 с амплитудой, пропорциональной j-му значению параметра β, поступает на соответствующий вход оптического n-входного объединителя 18 и далее - на выход устройства.
1
2
i-1
i+1
n
11
12
21
22
(i-1)1
(i-1)2
(i+1)1
(i+1)2
n1
n2
Остальные ПЭ 17, 17, …, 17, …, 17, …, 17, на управляющих входах которых будет присутствовать ненулевой сигнал, изменят расстояния между соответствующими ОСВ 16, 16, 16, 16,.., 16, 16, 16, 16,…, 16, 16, что приведет к переключению оптических потоков во вторые оптические волноводы ОСВ и дальнейшему их поглощению.
j
Таким образом, на выходе оптического n-входного объединителя 18 будет сформирован оптический поток с амплитудой, пропорциональной j-му значению параметра β, оптимальному по условию (1).
-9
8
Быстродействие оптического вычислителя оптимального параметра определяется, в основном, динамическими характеристиками фотоприемников, селектора минимального сигнала, преобразователей тока в напряжение, вычитателей электрических сигналов и пьезоэлементов. Быстродействие фотоприемников, выполненных в традиционном варианте - на основе фотодиодов, составляет порядка 10 с, быстродействие пьезоэлементов составляет порядка 10 Гц. Селектор минимального сигнала, выполненный на лавинных фотодиодах, имеет время срабатывания ≈80…100 пс. Преобразователи тока в напряжение и вычитатели электрических сигналов, построенные на основе операционных усилителей и реализованные на основе ПЛИС (ПАИС), имеют быстродействие ~2,5-3 мкс [Щерба А. Программируемые аналоговые ИС Anadigm: применение конфигурируемых аналоговых модулей в составе программы AnadigmDesigner2 / А.Щерба // Компоненты и технологии. - 2007. - №12]. Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.