Оптический вычислитель функции по модулю числа

Оптический вычислитель функции по модулю числа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации в системе остаточных классов, устройствах криптографии, непрерывнологических устройствах.

Известно оптическое вычислительное устройство - оптический дифференциатор [пат.RU 2159461, 2000 г., 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.

Недостатком вышеописанного аналога является невозможность выполнения операции вычисления функции по модулю числа.

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], содержащее оптические усилители, входной оптический разветвитель, две группы оптических транспарантов, оптические разветвления, кольцевое ответвление, оптический компаратор, оптическое ответвление, пару связанных оптических волноводов и оптический бистабильный элемент.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант, оптический разветвитель, пара оптически связанных волноводов.

Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения операции вычисления функции по модулю числа.

Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь [пат. RU 2020550 С1 1994, Оптический функциональный преобразователь / С.В. Соколов], принятый за прототип и содержащий источник когерентного излучения, дифференциатор, оптический разветвитель, оптический транспарант, оптический объединитель, оптически связанные волноводы, оптический модулятор.

Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический транспарант, оптический разветвитель, оптический объединитель, оптически связанные волноводы.

Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность выполнения операции вычисления функции по модулю числа.

Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию вычисления функции по модулю числа при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности до 10⁵-10⁶ операций в секунду.

Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего операцию вычисления функции по модулю числа при одновременном увеличении вычислительной производительности.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптический вычислитель функции по модулю числа, содержащий импульсный источник излучения, оптический k×n - выходной разветвитель, матричный оптический транспарант размерностью k×n, оптический m-входной объединитель (m пропорционально показателю модуля числа), пару оптически связанных волноводов, введены k групп по m оптических параллельно-последовательных преобразователей волокон, (k-1) оптических m-входных объединителей, (k-1) пар оптически связанных волноводов, k фотоприемников, выход источника излучения подключен ко входу оптического k×n-выходного разветвителя, ij-ый выход (i=1, 2,..k; j=1, 2, … n) оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-ому входу матричного оптического транспаранта размерностью k×n, каждый (d·m+j)-й выход в i-м столбце матричного оптического транспаранта размерностью k×n подключен ко (d+1)-му входу j-го оптического параллельно-последовательного преобразователя в i-й группе (i=1, 2, … k; j=1, 2, … m, d=0, 1, 2, … m, …, n/m), выход каждого j-го оптического параллельно-последовательного преобразователя в i-й группе подключен к соответствующему j-му входу i-го m-входного объединителя (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n), выход каждого i-го m-входного объединителя (i=1, 2, … k) подключен ко входному оптическому волноводу соответствующей i-ой пары оптически связанных волноводов, первый выход которой является поглощающим, а второй выход i-ой пары оптически связанных волноводов подключен ко входу соответствующего i-ого фотоприемника, выходы которых являются выходами устройства.

Оптический вычислитель функции по модулю числа - устройство, предназначенное для вычисления функции у(х) по модулю числа р в режиме реального времени и получения новой функции Y(x):

где р - показатель модуля;

Y(x_i) - i-oe значение функции Y(x);

y(x_i) - i-oe значение функции у(х).

Функциональная схема оптического вычислителя функции по модулю числа показана на фигуре 1.

Оптический вычислитель функции по модулю числа содержит:

- 1 - импульсный источник излучения (ИИИ) с интенсивностью k×n усл(овных) ед(иниц), работающий в пико-фемтосекундном диапазоне;

- 2 - оптический k×n-выходной разветвитель;

- 3 - матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции у(х) в координатах у(х), х;

- 4_{(1; 1)}, 4_{(1; 2)}, … 4_(1;m), 4_{(2; 1)}, 4_{(2; 2)}, … 4_{(2; m)}, 4_{(k; 1)}, 4_{(k; 2)}, … 4_{(k; m)}, - k групп no m оптических параллельно-последовательных преобразователей (ОППП), которые могут быть реализованы в виде [8. Соколов С.В., Бугаян И.Р. Схемотехника оптических компьютеров: монография. - Ростов н/Д: Ростовский государственный экономический университет, 2007. - 218 с., стр.49, рисунок 11, поз.4];

- 5₍₁₎, 5₍₂₎, … 5_(k) - k оптических m-входных объединителей;

- 6₍₁₎, 6₍₂₎, … 6_(k) - k пар оптически связанных волноводов (ОСВ) с порогом переключения оптического потока m усл. ед. [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А. Акаев, С.А. Майоров. - M.: Высшая школа, 1988. - 236 с., страница 148, рисунок 5.2].

- 7₍₁₎, 7₍₂₎, … 7_(k) - k фотоприемников (ФП).

Выход ИИ 1 подключен ко входу оптического k×n-выходного разветвителя 2.

Каждый ij-ый выход оптического k×n-выходного разветвителя 2 подключен к ij-му входу МОТ 3 (i=1, 2, …, k; j=1, 2, …, n).

Каждый (d·m+j)-й выход в i-м столбце МОТ 3 подключен ко (d+1)-му входу ОППП 4_{(i; j)} (i=1, 2, … k; j=1, 2, … m, d=0, 1, 2, … m, …, n/m; m пропорционально показателю модуля числа р).

Выход каждого ij-го ОППП 4_{(i; j)} подключен к соответствующему j-му входу i-го m-входного объединителя 5_(i) (i=1, 2, … k; j=1, 2, … m).

Выход каждого i-го m-входного объединителя 5_(i) подключен ко входному оптическому волноводу соответствующей i-ой пары ОСВ 6_(i), первый выход которой является поглощающим, а второй выход i-ой пары ОСВ 6_(i) подключен ко входу соответствующего i-ого ФП 7_(i), выходы которых являются выходами устройства.

Пример изображения графика функции у(х) в координатах у(х), х показан на фигуре 2.

Схема i-ой пары ОСВ 6_ij показана на фигуре 3.

Работа оптического вычислителя функции по модулю числа происходит следующим образом. С выхода ИИИ 1 импульсный оптический поток с длительностью ΔT и интенсивностью k×n усл. ед. поступает на вход оптического k×n-выходного разветвителя 2.

На всех выходах оптического k×n-выходного разветвителя 2 формируются оптические потоки единичной интенсивности, поступающие далее на вход МОТ 3. На МОТ 3 записано изображение графика функции у(х) в координатах у(х), х (фигура 2 - заштрихованная область), имеющее единичную функцию пропускания (остальная часть транспаранта является поглощающей). Следовательно, на выходе МОТ 3 будет сформировано изображение графика функции у(х) в координатах у(х), х в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков).

Каждый (d·m+j)-й единичный поток в i-м столбце МОТ 3 поступает на (d+1)-й вход ОППП 4_{(i; j)} (i=1, 2, … k; j=1, 2,..m, d=0, 1, 2, … m, …, n/m).

После формирования изображений графика функции у(х)на МОТ 3 и окончания импульса излучения ИИИ1 работа k групп по m ОППП 4_{(1; 1)}, 4_{(1; 2)}, … 4_{(1; m)}, 4_{(2; 1)}, 4_{(2; 2)}, … 4_{(2; m)}, 4_{(k; 1)}, 4_{(k; 2)}, … 4_{(k; m)} происходит следующим образом.

В первый момент времени после прекращения импульса излучения ИИИ1 в каждой i-й группе (i-й столбец МОТ) совокупность оптических потоков до уровня р (фигура 2) проходит с первых входов ОППП 4_{(i; 1)}, 4_{(i; 2)}, … 4_{(i; m)} на входы i-го m-входного объединителя 5_(i) (первый шаг). Далее объединенный поток с выхода i-го m-входного объединителя 5_(i) поступает на вход пары i-й ОСВ 6_(i). Если на вход пары ОСВ 6_(i) поступает оптический поток с интенсивностью менее m усл. ед., то он проходит через входной оптический волновод на второй выход пары ОСВ 6_(i), переключения оптического потока не происходит. Если на вход пары ОСВ 6_(i) поступает оптический поток с интенсивностью m и более усл. ед., то происходит переключение оптического потока из входного оптического волновода в выходной, оптически связанный со входным, - т.е. на первый выход пары ОСВ 6_(i), где этот поток поглощается. (При этом на втором выходе пары ОСВ 6_(i) оптический поток отсутствует).

Спустя время задержки между входами ОППП 4_{(i; j)} совокупность оптических потоков от уровня р до уровня 2р (фигура 2) проходит со вторых входов ОППП 4_{(i; 1)}, 4_{(i; 2)}, … 4_{(i; m)} на входы i-го m-входного объединителя 5_(i) (второй шаг) и на выходе пары ОСВ 6_(i) будет сформирован соответствующий оптический поток, аналогично как в первом шаге и т.д.

Таким образом, в конце каждого шага значение плоского оптического потока i-го столбца МОТ3 уменьшается на m усл. ед. Количество таких шагов определяется отношением n/m. Суммарное время задержек между входами ОППП 4_{(i; j)} не должно превышать величину ΔT. Так как значение плоского оптического потока в i-м столбце МОТ3 соответствует значению функции у(х_i), а m пропорционально показателю модуля числа р, то следовательно через n/m шагов на выходе пары ОСВ 6_(i) будет сформирован оптический поток интенсивностью, пропорциональной значению функции Y(х_i).

Следовательно, на выходах пар ОСВ 6₍₁₎, 6₍₂₎, … 6(k) спустя n/m шагов будет сформирован оптический поток интенсивностью, описываемой формулой (1).

Наличие фотоприемников ФП необходимо для задержки появления сигнала на выходе устройства до того, как пройдут все n/m шагов уменьшения оптического потока на m. Для этого ФП могут быть выполнены на основе фотодиодов. На выходе i-ого ФП 7_(i) будет присутствовать электрический сигнал, пропорциональный значению функции Y(x_i), следовательно, на выходах ФП 7₍₁₎, 7₍₂₎, … 7_(k) будет сформирован электрический сигнал, величиной (ток или напряжение), пропорциональной функции Y(x) в соответствии с равенством, описываемого формулой (1).

Быстродействие оптического вычислителя функции по модулю числа определяется суммарным временем задержки распространения сигнала в i-й группе ОППП 4_{(i; 1)}, 4_{(i; 2)}, … 4_(i;m), быстродействием пар ОСВ 6₍₁₎, 6₍₂₎, … 6_(k) и фотоприемников. Время задержки пары оптически связанных волокон составляет порядка 10^-12 с, а фотоприемники, выполняемые в традиционном варианте на основе фотодиодов, имеют частоту среза порядка 10⁹ Гц. Для существующих систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

Оптический вычислитель функции по модулю числа, содержащий импульсный источник излучения, оптический k×n - выходной разветвитель, матричный оптический транспарант размерностью k×n, оптический m-входной объединитель (m пропорционально показателю модуля числа), пара оптически связанных волноводов, отличающийся тем, что в него введены k групп по m оптических параллельно-последовательных преобразователей волокон, (k-1) оптических m-входных объединителей, (k-1) пар оптически связанных волноводов, k фотоприемников, выход источника излучения подключен ко входу оптического k×n - выходного разветвителя, ij-й выход (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n) оптического k×n - выходного разветвителя подключен к ij-му входу матричного оптического транспаранта размерностью k×n, каждый (d·m+j)-й выход в i-м столбце матричного оптического транспаранта размерностью k×n подключен ко (d+1)-мy входу j-го оптического параллельно-последовательного преобразователя в i-й группе (i=1, 2, … k; j=1, 2, …m, d=0, 1, 2, … m, …, n/m), выход каждого j-гo оптического параллельно-последовательного преобразователя в i-й группе подключен к соответствующему j-му входу i-го m-входного объединителя (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n), выход каждого i-го m-входного объединителя (i=1, 2, … k) подключен ко входному оптическому волноводу соответствующей i-й пары оптически связанных волноводов, первый выход которой является поглощающим, а второй выход i-й пары оптически связанных волноводов подключен ко входу соответствующего i-го фотоприемника, выходы которых являются выходами устройства.