Оптический т-триггер

Оптический т-триггер

Реферат

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:

- 1₁,…, 1₄ - первый, второй, третий и четвертый оптические Y-разветвители;

- 2₁, 2₂ - первый и второй оптические Y-объединители;

- 3₁, 3₂, 3₃, 3₄ - 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 3₁, 3₂, 3₃, 3₄ составляет 1,5 усл(овных) ед(иницы);

- 4 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью 2 усл. ед.;

- 5 - первый оптический трехвходной объединитель со входами 5₁, 5₂, 5₃;

- 6 - второй оптический трехвходной объединитель со входами 6₁, 6₂, 6₃.

Счетным входом «Т» Т-триггера является вход первого оптического Y-разветвителя 1₁, первый выход которого подключен к первому входу первого оптического Y-объединителя 2₁. Второй выход первого оптического Y-разветвителя 1₁ подключен к первому входу второго оптического Y-объединителя 2₂.

Выходы первого и второго оптических Y-объединителей 2₁, 2₂ подключены ко входам первого и второго ОБЭ 3₁, 3₂, соответственно.

Прямые выходы первого и второго ОБЭ 3₁, 3₂ подключены к первым входам 5₁ и 6₁ первого и второго оптических трехвходных объединителей 5 и 6, соответственно.

Инверсные выходы первого и второго ОБЭ 3₁, 3₂ являются поглощающими.

Выход ИИ 4 подключен ко входу второго оптического Y-разветвителя 1₂, первый выход которого подключен ко второму входу 5₂ первого оптического трехвходного объединителя 5, а второй выход - ко второму входу 6₂ второго оптического трехвходного объединителя 6.

Выходы первого и второго оптических трехвходных объединителей 5 и 6 подключены ко входу третьего и четвертого ОБЭ 3₃ и 3₄ соответственно, инверсные выходы которых подключены к третьим входам 6₃ и 5₃ второго и первого оптических трехвходных объединителей 6 и 5, соответственно.

Прямые выходы третьего и четвертого ОБЭ 3₃ и 3₄ подключены ко входам третьего и четвертого оптических Y-разветвителей 1₃ и 1₄ соответственно. Второй выход третьего оптического Y-разветвителя 1₃ подключен ко второму входу второго оптического Y-объединителя 2₂, а второй выход четвертого оптического Y-разветвителя 1₄ подключен ко второму входу первого оптического Y-объединителя 2₁.

Первый выход третьего оптического Y-разветвителя 1₃ является первым (единичным) выходом устройства (Q1), а первый выход четвертого оптического Y-разветвителя 1₄ является вторым (нулевым) выходом устройства (Q2).

Работа устройства протекает следующим образом.

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 1₂, с первого и второго выходов которого оптические потоки с интенсивностями 1 усл. ед. каждый поступают на вторые входы 5₂ и 6₂ 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 3₃, 3₄, соответственно. Так как интенсивности потоков, поступающих на входы третьего и четвертого ОБЭ 3₃ и 3₄, меньше порога их срабатывания, то оптические потоки с интенсивностями 1 усл. ед. каждый проходят на инверсные выходы третьего и четвертого ОБЭ 3₃ и 3₄, поступая далее на третьи входы 6₃ и 5₃ 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 5₂ или 6₂ 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 3₃ или 3₄. Допустим, сработал четвертый ОБЭ 3₄. 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 1₄ поступает на второй вход первого оптического Y-объединителя 2₁ и далее - на вход первого ОБЭ 3₁, на инверсном выходе которого он поглощается.

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 3₄) достаточно обеспечить равенство длины второго разветвления второго оптического Y-разветвителя 1₂ сумме длин первого разветвления второго оптического Y-разветвителя 1₂ и волновода третьего входа 6₃ второго оптического трехвходного объединителя 6 при идентичности параметров всех остальных элементов схемы.

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 1₁ на первые входы первого и второго оптических Y-объединителей 2₁ и 2₂, соответственно. Одна часть этого оптического потока с интенсивностью 0,5 усл. ед. с выхода второго оптического Y-объединителя 2₂ поступает на вход второго ОБЭ 3₂, поглощаясь на инверсном выходе последнего. Одновременно, оптический поток, поступающий на первый вход первого оптического Y-объединителя 2₁, суммируется с оптическим потоком, поступающим на второй вход первого оптического Y-объединителя 2₁, что приводит к появлению на выходе последнего оптического потока с интенсивностью 1,5 усл. ед.

Этот оптический поток с интенсивностью 1,5 усл. ед. поступает на вход первого ОБЭ 3₁, приводя к его срабатыванию. На прямом выходе первого ОБЭ 3₁ возникает оптический поток с интенсивностью 1,5 усл. ед., который поступает на первый вход 5₁ 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 5₁ и с интенсивностью 1 усл. ед. со второго входа 5₂, на вход третьего ОБЭ 3₃ поступает оптический поток с интенсивностью 2,5 усл. ед., приводящий к срабатыванию третьего ОБЭ 3₃ - оптический поток на его инверсном выходе исчезает, на прямом - появляется.

Далее с прямого выхода третьего ОБЭ 3₃ оптический поток с интенсивностью 2,5 усл. ед. поступает на вход третьего оптического Y-разветвителя 1₃, где делится на две части. Первая часть этого потока поступает на первый выход третьего оптического Y-разветвителя 1₃, 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 1₃ поступает на второй вход второго оптического Y-объединителя 2₂ и далее на вход второго ОБЭ 3₂.

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 2₄ оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед., четвертый ОБЭ 3₄ перенаправляет входной оптический поток с прямого выхода на инверсный. Далее этот оптический поток с инверсного выхода четвертого ОБЭ 3₄ поступает на третий вход 5₃ первого оптического трехвходного объединителя 5.

Кроме того, исчезновение оптического потока на прямом выходе четвертого ОБЭ 3₄ приводит к отсутствию оптического потока на выходах четвертого оптического Y-разветвителя 1₄, что влечет за собой отсутствие оптического потока на втором входе первого оптического Y-объединителя 1₁, a также отсутствие оптического потока на выходе «Q2». Следовательно, на вход первого ОБЭ 3₁ 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 3₁ оптический поток формироваться не будет, и на вход третьего ОБЭ 3₃ поступает теперь оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. Третий ОБЭ 3₃ своего состояния не изменит, и с прямого выхода последнего оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. поступает на вход третьего оптического Y-разветвителя 1₃, где он делится пополам. Первая часть этого потока поступает на первый выход третьего оптического Y-разветвителя 1₃, 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 1₃ поступает на второй вход второго оптического Y-объединителя 2₂ и далее - на вход второго ОБЭ 3₂.

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 1₁ на первые входы первого и второго оптических Y-объединителей 2₁ и 2₂, соответственно. Одна часть этого оптического потока с интенсивностью 0,5 усл. ед. с выхода первого оптического Y-объединителя 1₁ поступает на вход первого ОБЭ 3₁, поглощаясь на инверсном выходе последнего. Одновременно оптический поток, поступающий на первый вход второго оптического Y-объединителя 2₂, суммируется с оптическим потоком, поступающим на второй вход второго оптического Y-объединителя 2₂, что приводит к появлению на выходе последнего оптического потока с интенсивностью 1,5 усл. ед.

Этот оптический поток с интенсивностью 1,5 усл. ед. поступает на вход второго ОБЭ 3₂, приводя к его срабатыванию. Поэтому на прямом выходе второго ОБЭ 3₂ возникает оптический поток с интенсивностью 1,5 усл. ед., который поступает на первый вход 6₁ второго оптического трехвходного объединителя 6. За счет сложения в оптическом трехвходном объединителе 6 двух оптических потоков - с интенсивностью 1,5 усл. ед. на входе 6₁ и с интенсивностью 1 усл. ед. на входе 6₂, на вход четвертого ОБЭ 3₄ поступает оптический поток с интенсивностью 2,5 усл. ед.- оптический поток в четвертом ОБЭ 3₄ переключается с инверсного выхода на прямой выход.

Далее с прямого выхода четвертого ОБЭ 3₄ оптический поток с интенсивностью 2,5 усл. ед. поступает на вход четвертого оптического Y-разветвителя 1₄, где он делится на две части. Первая часть этого потока поступает на первый выход четвертого оптического Y-разветвителя 1₄, 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 1₄ поступает на второй вход первого оптического Y-объединителя 2₁ и далее на вход первого ОБЭ 3₁.

Так как на инверсном выходе четвертого ОБЭ 3₄, 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 3₃, третий ОБЭ 3₃ перенаправляет оптический поток с прямого выхода на инверсный. Далее оптический поток с инверсного выхода третьего ОБЭ 3₃ поступает на третий вход 6₃ второго оптического трехвходного объединителя 6.

Кроме того, исчезновение оптического потока на прямом выходе третьего ОБЭ 3₃ приводит к отсутствию оптического потока на первом и втором выходах третьего оптического Y-разветвителя 1₃, что влечет за собой отсутствие оптического потока на втором входе второго оптического Y-объединителя 2₂, а также отсутствие оптического потока на выходе «Q1» устройства. Следовательно, на вход второго ОБЭ 3₂ 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 3₂ оптический поток формироваться не будет, и на вход четвертого ОБЭ 3₄ поступит оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. Четвертый ОБЭ 3₄ своего состояния не изменит, и с прямого выхода последнего оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. поступает на вход четвертого оптического Y-разветвителя 3₄, где он делится пополам. Первая часть этого потока поступает на первый выход четвертого оптического Y-разветвителя 1₄, 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 1₄ поступает на второй вход первого оптического Y-объединителя 2₁ и далее - на вход первого ОБЭ 3₁.

Дальнейшее функционирование оптического Т-триггера осуществляется по вышеприведенному алгоритму.

Таким образом, осуществляется реализация логических функций Т-триггера и запоминание информации.

Быстродействие оптического Т-триггера определяется динамическими характеристиками оптических бистабильных элементов, быстродействие которых составляет ≈10^-12 с. Для существующих оптических средств обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

Оптический Т-триггер, содержащий два оптических бистабильных элемента, отличающийся тем, что в него 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.