DE102019001739A1 - Vorrichtung zur Verknüpfung binärer optischer Signale zur faseroptischen Umsetzung von Logikgattern - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Verknüpfung binärer optischer Signale, umfassend mindestens ein optisches Logikgatter mit einer Eingangsseite zum Empfang von mindestens einem optischen Signal und einer Ausgangsseite zur Ausgabe von einem optischen Lichtsignal, wobei an der Eingangsseite das mindestens eine optische Signal mit einem diffraktiven optischen Element wechselwirkt, so dass ein Interferenzmuster entsteht.
Die Vorrichtung umfasst ferner Logikgatter sowie Logikverknüpfungen und deren Anwendungen auf faseroptischer Basis, bestehend aus optischen Logikgatter-Anordnungen zur Auswertung monochromatischer, kohärenter, binärer, „hell“- (logisch „1“) oder „dunkel“-(logisch „0“) Signale von ein oder mehreren, gleichartigen Signallichtquellen.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der faseroptischen Logikgatter und betrifft die Realisierung von Logikgattern sowie Logikverknüpfungen und deren Anwendungen auf faseroptischer Basis.
• Stand der Technik
• Basierend auf Logikgattern wurden bis zum Jahr 1955 bereits erste Logikgatter und Logikverknüpfungen auf elektronischer Basis wie US2950461A realisiert. Hierzu grenzt sich die vorliegende Erfindung dadurch ab, dass Logikgatter sowie -verknüpfungen oder -anwendungen auf rein faseroptischer Basis realisiert werden.
  Weiterführend wurden im Bereich der Optik diverse Patente und Erfindungen erarbeitet, welche jedoch auf anderen Prinzipien als der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Interferenz- und Beugungsprinzipien basieren oder nicht als rein optische Konzepte anzusehen sind.
  Hierzu sind die folgenden Beispiele zu nennen:
• - US7263262B1 beschreibt rein optische Logikgatter basierend auf der Verarbeitung der Eingangssignale durch die Resonanzfrequenz eines nichtlinearen Elements.
• - US5078464A aus dem Jahr 1990 beschreibt Logikgatter basierend auf dem Prinzip „time-shift-keying“.
• - US4932739A beschreibt Logikgatter basierend auf der Polarisation von Lichteingangssignalen.
Darüber hinaus verzichtet die rein faseroptische Erfindung auf weiterführende optische oder optoelektronische Komponenten wie Interferometer oder Ähnliches, wodurch diese sich zu Erfindungen wie US2936380A oder US6810407B 1 abgrenzt.
Darüber hinaus sind Erfindungen wie DE102012208772B4 zu nennen, welche zwar optische Gitter mit Beugungs- und Interferenzeffekten beschreiben, jedoch nicht die Möglichkeit der faseroptischen Realisierung oder der Realisierung von Logikelementen aufzeigen. Ebenso wurden Endflächen von Glasfasern bereits als Sende- und Empfangseinheit wie in EP0961426A2 beschrieben, welche jedoch darüber hinaus keinerlei Bezug zur vorliegenden Erfindung aufweisen.
Zusammengefasst stellt die vorliegende Erfindung einen neuartigen Ansatz basierend auf der rein faseroptischen Anwendung von Interferenz- und Beugungsphänomenen zur Realisierung von Logikgattern, -verknüpfungen sowie deren Anwendungen dar.
• Darstellung der Erfindung
• Jegliche vielschichtige Elektronik basiert heutzutage auf den elektrischen Signalen integrierter Schaltungen (engl.: integrated circuits, IC). Diese bestehen aus verschiedensten elementaren Bauteilen wie Transistoren oder Dioden, welche zusammen logische Operationen wie zum Beispiel Konjunktionen, Disjunktionen, Kontravalenzen oder Negationen ausführen können. Abhängig von der Funktion dieser s.g. Logikgatter werden Eingangssignale zu einem Ausgangssignal weiterverarbeitet. Wie für jedes, auf elektrischen Leitern basierendes System, stellen elektromagnetische Störfelder auch hier ein Problem dar.
  An diesem Punkt setzt diese Erfindung über eine Anordnung zur faseroptischen Umsetzung von Logikgattern an. Durch die Funktionsweise von faseroptischen Wellenleitern, Lichtsignale über nichtleitende Materialen zu übertragen, konnten deren Vorteile gegenüber elektrischen Leitern ausgenutzt werden, um einen neuartigen faseroptischen Ansatz für bekannte Logikgatter (AND, OR, NOT, XOR, etc.) sowie bestimmte Logikverknüpfungen und Anwendungen, wie die eines Addierers, auf rein optischer Basis zu entwickeln. Durch die Minimierung der Anzahl der elektronischen Komponenten, reduziert auf Lichtquelle und optoelektronische Auswerteeinheit, durch einen glasfaserbasierten Aufbau der Logikarchitektur, machen insbesondere den Einsatz in explosionsgefährdeten, elektromagnetisch störanfälligen, strahlungsempfindlichen, chemisch problematischen, sowie schwer zugänglichen Einsatzbereichen attraktiv. Hierbei kann die Sende- und Auswerteeinheit aufgrund der sehr geringen Übertragungsverluste im faseroptischen Leiter eine große Distanz von den optischen Logikgattern entfernt sein, was beispielsweise bei großen Anlagen die Möglichkeit von zentral organisierten Rechnerzentren bietet. Weiterhin sind bestimmte faseroptische Logikverknüpfungen, im Gegensatz zum elektrischen Analogon nicht auf die Reihenschaltung verschiedener Logikgatter angewiesen, sondern auch als eigenständiges Gatter bei ähnlichem Platzbedarf realisierbar. Darüber hinaus sind für die beschriebenen Logikschaltungen sowie deren Verknüpfungen und Anwendungen sehr schnelle Schaltzeiten zu erwarten.
  Neben den Vorteilen gegenüber den elektrischen Systemen, ist dabei die Reduzierung um Spiegel- oder Filteranordnungen sowie um weiterführende optoelektronische Systeme zur Größenreduzierung ein Verbesserungsfaktor zu vielen bereits bestehenden optischen Ansätzen. Mögliche Anwendungsbereiche finden sich deshalb beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, in Reaktoren, in rotierenden Systemen wie Generatoren, Motoren, Rotoren, usw.
• Die dargestellte Erfindung beschreibt die Realisierung von Logikgattern (wie AND, OR, NOT, XOR, NOR, etc.) und darüber hinaus Logikverknüpfungen auf faseroptischer Basis.
  Hierzu werden die Beugungs- und Interferenzeffekte genutzt. Das senkrechte Ende eines faseroptischen Leiters, beispielsweise einer Single-Mode-Glasfaser, dient dabei als runde Blende, deren Effekt, unter anderem durch geeignete Beschichtungen, verstärkt werden kann. Werden zwei oder mehr faseroptische Leiter in genügend kleinem Abstand voneinander angeordnet und befinden sich alle Endflächen in einer Austrittsebene, kann das Prinzip einer Doppel- beziehungsweise Mehrfachspaltanordnung angenommen werden.
  Grundsätzlich ist dabei die Reduzierung um Spiegel- oder Filteranordnungen, optoelektronische Linsensysteme etc. zur Größenreduzierung ein Verbesserungsfaktor zu vielen bereits bestehenden Systemen.
  Aufgrund der Beugungs- und Interferenzeffekte können verschiedene Intensitätsverteilungen beobachtet werden. Werden die faseroptischen Leiter an der Austrittsebene als Eingänge mit Licht über einem bestimmten Intensitätsmaximum als logisch 1 und darunter als logisch 0 angesehen, kann ebenfalls eine Ausgangslogik über die Lokalisierung von Kollektoreinheiten und deren spätere Zusammenführung bis zu einer Auswerteeinheit oder einem weiteren Gatter angenommen werden.
  Diese Erfindungsmeldung ermöglicht eine Schaltungsrealisierung aller Logikgatter mit faseroptischem Aufbau und deren Funktionsweise sowie von Logikverknüpfungen und deren Anwendungen wie einem beispielhaft beschriebenen 3Bit-Addierer.
• Wege zur Ausführung der Erfindung
• Nach Bearbeitung des Faserendes eines faseroptischen Leiters, kann dieses als optische Blende wirken. Wie bei Freistrahlaufbauten treten in Abstrahlrichtung, bei passender Dimensionierung der Blende, optische Beugungs- und Interferenzerscheinungen auf. Durch Kombination mehrerer solcher Faserenden, können auf einem Schirm in passendem Abstand Interferenzmuster ähnlich dem eines Doppel-/Mehrfachspaltversuchs erzeugt werden, wie es in 1 bei den Ausgangsmustern (111, 112, 113, 114) dargestellt ist.
  Stellt die Einspeisung von Licht in einen faseroptischen Leiter die Eingangslogik dar, liegt bei Einspeisung eine logische 1 und entsprechend eine logische 0 bei keiner Lichteinspeisung an, so kann auch eine entsprechende Ausgangslogik durch den geometrischen Aufbau konzipiert werden. Aus diesen Eingangs-Ausgangs-Zusammenhängen können beliebige Logikgatter aufgebaut werden, welche die Grundlage aller Logikoperationen, wie Addierer, Multiplikator, Multiplexer etc., legen.
  Die Ausführung basiert auf der faseroptischen Realisierung beliebiger Logikgatter. 4 bis 10 stellen dabei die Möglichkeiten beispielhafter Realisierungen von Logikgattern dar. Hierzu wird kohärentes Licht durch eine Lichtquelle, wie zum Beispiel einen Laser, in einen faseroptischen Leiter (100) eingebracht und anschließend auf die benötigte Anzahl an faseroptischer Leitern, beispielsweise mittels eines Kopplers, aufgeteilt. Somit liegt kohärentes Licht in allen faseroptischen Leitern nach der Aufteilung vor. Werden diese faseroptischen Leiter alle an einer Austrittsebene (105) senkrecht durchtrennt, entsteht jeweils ein offenes Ende des faseroptischen Leiters an dem Licht austritt.
  Um an dieser Ebene Beugungserscheinungen in Form einer Blende zu realisieren, muss zum einen der Kernradius der Faser möglichst klein gewählt werden, weshalb sich zum Beispiel Singlemode-Fasern eignen können. Diese haben, wie in 2 schematisch dargestellt, einen Faserkerndurchmesser (101) von wenigen µm und einen Manteldurchmesser (109) von zum Beispiel circa 125 µm. Zum anderen kann die Blendenwirkung beispielsweise durch eine lichtundurchlässige Beschichtung des Mantels vergrößert werden. Schematisch sind die zu beschichtenden Bereiche (110) in 2 dargestellt.
  Um nun die beschriebenen Logikgatter aus 4 bis 12 zu realisieren, kann ein offenes faseroptisches Leiterende an der Austrittsebene mit den beschriebenen Eigenschaften als Einfachspalt interpretiert werden, wodurch die entsprechenden Beugungs- und Interferenzerscheinungen zu beobachten sind. Werden zwei oder mehr faseroptische Leiter nebeneinander beziehungsweise parallel mit einer möglichst senkrechten Austrittsfläche in der Austrittsebene (105) wie in 3 dargestellt beispielhaft angeordnet, so entsteht ein Doppelbeziehungsweise Mehrfachspalt. Als Blendendurchmesser dient jeweils der Faserkern als Spaltabstand der Abstand der Faserkerne der faseroptischen Leiter.
  Projiziert eine der Anordnungen aus 4 bis 12 Licht auf einen Schirm in ausreichender Distanz in z-Richtung ergibt sich im Fernfeld ein entsprechendes Interferenz- beziehungsweise Fraunhofer'sches Beugungsmuster.
  Stellt man sich die Gesamtanordnung in kartesischen Koordinaten, mit Ursprung im Austrittspunkt des ersten faseroptischen Leiters in der Zeichnungsebene, wie in 1 analog zu 4 bis 12, vor, bedeutet das, dass für das Beispiel von zwei faseroptischen Leitern mit der Austrittsebene z = 0, also einem Doppelspalt mit Spaltabstand in y-Richtung und einem Abstand zum Schirm in z-Richtung, ein Interferenzmaximum 0. Ordnung auf dem Schirm mittig zwischen beiden faseroptischen Leitern in y-Richtung ausbildet. Folglich beschreibt die z-Richtung den Abstand von Austrittsebene (105) und Kollektoreinheiten, die x- und y-Richtung die zweidimensionale Ausrichtung der faseroptischen Leiter sowie der Kollektoreinheiten (106). Am Beispiel nur eines faseroptischen Leiters würde sich das Hauptmaximum idealerweise an der gleichen y-Koordinate befinden wie der faseroptische Leiter selbst.
  Versieht man die faseroptischen Leiter der Gesamtanordnungen der 4 bis 11 vor der Austrittsebene (105) mit einem Eingangssignal des ersten (102) und zweiten (103) faseroptischen Leiters, können die eben erläuterten Effekte kombiniert werden:
• - Eingang liegt auf logisch 0: Intensität des ausgekoppelten Lichtes liegt unter einem bestimmten Schwellenwert. Hier sind keine oder nur geringe Beugungs- und Interferenzerscheinungen zu beobachten.
• - Eingang liegt auf logisch 1: Intensität des ausgekoppelten Lichtes liegt über einem bestimmten Schwellenwert. Hier sind Beugungs- und Interferenzerscheinungen zu
beobachten.
Die Intensität der Eingangssignale kann beispielsweise als Ausgangssignal eines vorhergehenden Logikgatters oder der Lichtquelle selbst interpretiert werden.
Zum Auffangen des Ausgangssignals wird der Schirm durch entsprechende Kollektoreinheiten (106) ersetzt:
• - Liegt ein Intensitätsmaximum niedriger Ordnung am Ort einer Kollektoreinheit (106) vor, so kann als Ausgangssignal an dieser Kollektoreinheit eine logische 1 angenommen werden.
• - Liegt kein Intensitätsmaximum niedriger Ordnung am Ort einer Kollektoreinheit (106) vor, so kann als Ausgangssignal an dieser Kollektoreinheit eine logische 0 angenommen werden.
Die 4 bis 12 zeigen oftmals mehrere Kollektoreinheiten. Für den Fall, dass mehrere Kollektoreinheiten (106) benötigt werden, kann das Licht über eine bestimmte Lichtzusammenführung, beispielsweise einem Koppler, aus den Kollektoreinheiten (106) zusammengeführt und anschließend zur Auswerteeinheit (107) oder weiterführenden Gattern via faseroptischer Leiter (100) übertragen werden. Das Gesamtausgangssignal der Gatter aus 4 bis 11 kann folgendermaßen beschrieben werden:
• - Lag bei mindestens einer der Kollektoreinheiten ein Maximum niedriger Ordnung vor, so kann das Gesamtausgangssignal des Gatters als logisch 1 interpretiert werden.
• - Lag bei keinem der Kollektoreinheiten ein Maximum niedriger Ordnung vor, so kann das Gesamtausgangssignal des Gatters als logisch 0 interpretiert werden.
Diese Kollektoreinheit kann beispielsweise durch einfach zu integrierende Kollimatoren mit faseroptischer Anbindung und Ausrichtung auf die Wellenlängen der Lichtquelle realisiert werden. Anschließend wird über einen faseroptischen Leiter (100) das Licht zu einer Auswerteeinheit (107) wie einer Photodiode weitergeleitet. Anstatt der Auswerteeinheit kann im Falle von mehreren hintereinandergeschalteten Logikgattern das Licht hinter der Kollektoreinheit (106) als entsprechendes Eingangssignal für Folgegatter verwendet werden. Eine Verknüpfung beziehungsweise Reihenschaltung mehrerer Logikgatter kann teilweise auch in einer Ebene realisiert werden, wodurch mehrfache Interferenzvorgänge reduziert werden können. Dies wird im späteren Verlauf am Beispiel der Logikverknüpfung Y = (A AND B) OR C mittels 11 sowie anhand einer Anwendung solcher Verknüpfungen, beispielsweise durch einen 3-Bit Addierer mittels 12 und 13, erläutert.
• Im Folgenden sollen die Logikgatter AND, OR, XOR, NAND, NOR und XNOR beispielhaft mit zwei Eingängen und einem Ausgang, das Logikgatter NOT mit einem Eingang und einem Ausgang, anhand der 4 bis 10 erläutert werden. Die Erweiterung auf mehrere Eingänge kann entsprechend erfolgen, wie die Beispiele in 11 und 12 beschreiben. Für alle Figuren wird der Anschaulichkeit halber angenommen, dass sie sich in einem kartesischen Koordinatensystem befinden. Die Austrittsebene (105) beschreibt die Ebene z = 0. Die Kollektoreinheiten (106) sind in der Ebene z = z_0 mit dem Abstand z_0 zur Austrittsebene angeordnet. Der erste faseroptische Leiter in der Austrittsebene (105) ist an der Stelle y = 0, der zweite an der Stelle y = y_0, der dritte an der Stelle y = 2·y_0 und so weiter angebracht, falls nicht anders beschrieben. Das erste Eingangssignal wird durch den ersten faseroptischen Leiter in y-Richtung, das zweite durch den zweiten und so weiter beschrieben, falls keine andere Nummerierung dargestellt ist. Dies entspricht in den 4 bis 12 einer Nummerierung von unten nach oben. Anstelle der Auswerteeinheit (107) kann das Ausgangssignal des Logikgatters auch als Eingangssignal weiterer Logikgatter dienen.
• 4 stellt eine mögliche Anordnung eines AND-Logikgatters mit der folgenden Wahrheitstabelle dar:

  Eingang 1	Eingang 2	Ausgang
  0	0	0
  0	1	0
  1	0	0
  1	1	1

  Die Kollektoreinheit (106) ist hierbei bei y = 0,5·y_0 angebracht. Es wird keine zusätzliche Lichtzusammenführung (108) benötigt:
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 0 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 0 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 1 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 1 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106), womit eine logische 1 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• 5 stellt eine mögliche Anordnung eines OR-Logikgatters dar mit der folgenden Wahrheitstabelle dar:

  Eingang 1	Eingang 2	Ausgang
  0	0	0
  0	1	1
  1	0	1
  1	1	1

  Die Kollektoreinheiten (106) sind hierbei bei y = 0, y = 0,5·y_0 und y = y_0 angebracht. Es wird eine zusätzliche Lichtzusammenführung (108) benötigt:
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 am faseroptischen Leiter 2 eine logische 0 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheiten (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 0 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106) y = 0, womit eine logische 1 nach der Lichtzusammenführung (108) an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 1 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106) y = y_0, womit eine logische 1 nach der Lichtzusammenführung (108) an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 1 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106) y = 0,5·y_0, womit eine logische 1 nach der Lichtzusammenführung (108) an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• 6 stellt eine mögliche Anordnung eines NOT-Logikgatters mit der folgenden Wahrheitstabelle dar:

  Eingang 1	Ausgang
  0	1
  1	0

  Bei diesem Gatter liegt nur ein Eingangsfaseroptischer Leiter bei y = 0 vor. Zudem gibt es einen weiteren faseroptischen Leiter (104) bei y = y_0, welcher direkt mit der Lichtquelle verbunden ist und somit dauerhaft auf logisch 1 liegt. Zusätzlich liegt der Vorteil dieser Anordnung darin, dass die Signalstärke durch die direkte Verbindung zur Lichtquelle verbessert beziehungsweise erneuert wird. Die Kollektoreinheit (106) ist hierbei bei y = y_0 angebracht. Es wird keine zusätzliche Lichtzusammenführung (108) benötigt:
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106) y = y_0, womit eine logische 1 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
Beispiele für die Ausgangsmuster (115,116) sind in 6 dargestellt.
• 7 stellt eine mögliche Anordnung eines XOR-Logikgatters mit der folgenden Wahrheitstabelle dar:

  Eingang 1	Eingang 2	Ausgang
  0	0	0
  0	1	1
  1	0	1
  1	1	0

  Die Kollektoreinheiten (106) sind hierbei bei y = 0 und y = y_0 angebracht. Es wird eine zusätzliche Lichtzusammenführung (108) benötigt:
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 0 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheiten (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 0 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106) y = 0, womit eine logische 1 nach der Lichtzusammenführung (108) an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 1 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106) y = y_0, womit eine logische 1 nach der Lichtzusammenführung (108) an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 1 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheiten (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• 8 stellt eine mögliche Anordnung eines NAND-Logikgatters mit der folgenden Wahrheitstabelle dar:

  Eingang 1	Eingang 2	Ausgang
  0	0	1
  0	1	1
  1	0	1
  1	1	0

• Zusätzlich zu den beiden faseroptischen Leitern bei y = 0 und y = y_0 liegt ein zusätzlicher faseroptischer Leiter, welcher direkt mit der Lichtquelle verbunden und damit dauerhaft auf logisch 1 liegt bei y = -y_0 an. Das Prinzip ist die Kombination eines UND- und eines NOT-Gatters mit dem Vorteil, dass die Signalintensität durch die direkte Verbindung zur Lichtquelle verbessert beziehungsweise erneuert wird. Die Kollektoreinheit (106) ist hierbei bei y = y_0 angebracht. Es wird keine zusätzliche Lichtzusammenführung (108) benötigt:
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 0 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106) y = 0, womit eine logische 1 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 0 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106) y = 0, womit eine logische 1 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 1 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106) y = 0, womit eine logische 1 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 und am faseroptischen Leiter 2 eine logische 1 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• 9 stellt eine mögliche Anordnung eines NOR-Logikgatters mit der folgenden Wahrheitstabelle dar:

  Eingang 1	Eingang 2	Ausgang
  0	0	1
  0	1	0
  1	0	0
  1	1	0

  Das erste Eingangssignal wird durch den ersten faseroptischen Leiter bei y = 0 und x = 0, das zweite Eingangssignal wird durch den dritten faseroptischen Leiter bei y = y_0 und x = 0 beschrieben. Der zweite faseroptische Leiter befindet sich bei y = 0,5·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot \text{y}\_0$

  

  in der Austrittsebene und liegt direkt an der Lichtquelle an, also dauerhaft auf logisch 1. Die Anordnung der drei faseroptischen Leiter in der Austrittsebene ist ebenfalls in 9 schematisch dargestellt. Die Kollektoreinheit (106) ist hierbei bei y = 0,5·y_0 und der gleichen x-Koordinate wie der faseroptische Leiter 2 angebracht. Es wird keine zusätzliche Lichtzusammenführung (108) benötigt:
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 und am faseroptischen Leiter 3 eine logische 0 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106) y = 0,5·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot \text{y}\_\mathrm{0,}$
  
  womit eine logische 1 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 und am faseroptischen Leiter 3 eine logische 0 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 und am faseroptischen Leiter 3 eine logische 1 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 und am faseroptischen Leiter 3 eine logische 1 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• 10 stellt eine mögliche Anordnung eines XNOR-Logikgatters mit der folgenden Wahrheitstabelle dar:

  Eingang 1	Eingang 2	Ausgang
  0	0	1
  0	1	0
  1	0	0
  1	1	1

  Das erste Eingangssignal wird durch den ersten faseroptischen Leiter bei y = 0 und x = 0, das zweite Eingangssignal wird durch den dritten faseroptischen Leiter bei y = 2·y_0 und x = 0 beschrieben. Der zweite faseroptische Leiter befindet sich bei y = y_0 und x = 0 in der Austrittsebene. Die Anordnung der drei faseroptischen Leiter in der Austrittsebene ist ebenfalls in 10 schematisch dargestellt. Die Kollektoreinheit (106) ist hierbei bei y = y_0 und x = 0 angebracht. Es wird keine zusätzliche Lichtzusammenführung (108) benötigt:
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 und am faseroptischen Leiter 3 eine logische 0 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106) y = y_0 und x = 0, womit eine logische 1 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 und am faseroptischen Leiter 3 eine logische 0 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 0 und am faseroptischen Leiter 3 eine logische 1 an, so liegt kein Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106), womit eine logische 0 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• - Liegt am faseroptischen Leiter 1 eine logische 1 Liegt am faseroptischen Leiter 3 eine logische 1 an, so liegt das 0. Hauptmaximum im Bereich der Kollektoreinheit (106) y = y_0 und x = 0, womit eine logische 1 an der Auswerteeinheit (107) anliegt.
• Wie bereits erwähnt ist auch eine Logikverknüpfung wie sie am Beispiel Y = (A AND B) OR C in 11 erläutert wird, in einer Ebene darstellbar. Das bedeutet, dass die Reihenschaltung mehrerer Logikgatter nicht zwingend notwendig ist, sondern die Verknüpfung durch eine Faseranordnung ohne den mehrmaligen Interferenz- beziehungsweise Beugungsvorgang realisiert werden kann.
  11 stellt eine mögliche Anordnung der Logikverknüpfung Y = (A AND B) OR C mit der folgenden Wahrheitstabelle dar:

  Eingang 1	Eingang 2	Eingang 3	Ausgang
  0	0	0	0
  0	0	1	1
  0	1	0	0
  0	1	1	1
  1	0	0	0
  1	0	1	1
  1	1	0	1
  1	1	1	1

  Das erste Eingangssignal wird durch den ersten faseroptischen Leiter (117) bei y = 0 und x = 0, das zweite Eingangssignal wird durch den zweiten faseroptischen Leiter (102) bei y = y_0 und x = 0 und das dritte Eingangssignal wird durch den dritten faseroptischen Leiter (103) bei y = 0,5·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot \text{y}\_0$

  

  beschrieben. Die Anordnung der drei faseroptischen Leiter in der Austrittsebene ist ebenfalls in 11 schematisch dargestellt. Die Kollektoreinheiten (106) sind hierbei bei y = 0,5·y_0 und x = 0, y = 0,5·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot \text{y}\_\mathrm{0,}$

  

  y = 0,5·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{4}\cdot \text{y}\_\mathrm{0,}$

  

  y = 0,25·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{4}\cdot \text{y}\_0$

  

  sowie y = 0,75 y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{4}\cdot \text{y}\_0$

  

  angebracht. Es wird eine zusätzliche Lichtzusammenführung (108) benötigt.
  Für die folgenden logischen Eingangssignale liegt folglich kein Hauptmaximum in einer Kollektoreinheit, weshalb an der Auswerteeinheit (107) eine logische 0 anliegt:
• - A = 0, B = 0, C = 0
• - A = 0, B = 1, C = 0
• - A = 1, B = 0, C = 0
• Für die folgenden logischen Eingangssignale liegt folglich ein Hauptmaximum in einer Kollektoreinheit, weshalb an der Auswerteeinheit (107) eine logische 1 anliegt:
• - A = 0, B = 0, C = 1
• - A = 0, B = 1, C = 1
• - A = 1, B = 0, C = 1
• - A = 1, B = 1, C = 0
• - A = 1, B = 1, C = 1
• 12 und 13 stellen eine mögliche Anwendung dieser Logikverknüfungsanordnungen am Beispiel eines 3-Bit Volladdierers mit der folgenden Wahrheitstabelle dar:

  Eingang 1	Eingang 2	Eingang 3	Übertrag Ü	Summe S
  0	0	0	0	0
  0	0	1	0	1
  0	1	0	0	1
  0	1	1	1	0
  1	0	0	0	1
  1	0	1	1	0
  1	1	0	1	0
  1	1	1	1	1

  12 beschreibt die Verknüpfung der aus 4 bis 10 bekannten Logikgatter. 13 beschreibt die Lösung der Logikverknüpfungen innerhalb einer Ebene. In beiden Figuren liegen zwei Ausgänge vor. Ausgang S, welcher stellvertretend die Summe beschreibt, sowie Ausgang Ü, welcher stellvertretend den Übertrag beschreibt.
• In 12 wird der 3-Bit Volladdierer nach dem folgenden Prinzip entworfen:
• Der Übertrag Ü und die Summe S sind durch die folgende Logikverknüpfung realisiert:
  • Übertrag Ü = {[Eingang 1 AND Eingang 2] OR Eingang 3]} OR {[Eingang 1 XOR Eingang 2] AND Eingang 3}.
  • Summe S = {[NOT (Eingang 3)] AND [Eingang 1 XOR Eingang 2]} OR {Eingang 3 AND (Eingang 1 NXOR Eingang 2)}.
• In 13 wird der 3-Bit Volladdierer nach dem folgenden Prinzip entworfen:
• Das erste Eingangssignal wird durch den ersten faseroptischen Leiter bei y = 0 und x = 0, das zweite Eingangssignal wird durch den zweiten faseroptischen Leiter bei y = y_0 und x = 0 und das dritte Eingangssignal wird durch den dritten faseroptischen Leiter bei y = 0,5·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot \text{y}\_0$
  
  beschrieben. Die Anordnung der drei faseroptischen Leiter in der Austrittsebene ist ebenfalls in 12 schematisch dargestellt.
• Die Kollektoreinheiten (106) für den Übertrag Ü sind hierbei bei y = 0,5·y_0 und x = 0, y = 0,25·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{4}\cdot \text{y}\_\mathrm{0,}$
  
  y = 0,75·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{4}\cdot \text{y}\_0$
  
  sowie y = 0,5·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{4}\cdot \text{y\_0}$
  
  angebracht. Es wird eine zusätzliche Lichtzusammenführung (108) benötigt.
• Die Kollektoreinheiten (106) für die Summe S sind hierbei bei y = 0 und x = 0, y = y_0 und x = 0, y = 0,5·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot \text{y}\_0$
  
  sowie y = 0,5·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{4}\cdot \text{y}\_0$
  
  angebracht. Es wird eine zusätzliche Lichtzusammenführung (108) benötigt.
• Da beide eine Kollektoreinheit bei y = 0,5·y_0 und $\text{x}=\frac{\sqrt{3}}{4}\cdot \text{y}\_0$
  
  benötigen, wird diese über eine zusätzliche Lichtzusammenführung (108) an die entsprechenden Lichtzusammenführungen (108) der Auswerteeinheit der Summe S (118) und der des Übertrags Ü (119) übergeben.
• Figurenliste
• 1: Interferenz- und Beugungserscheinungen am faseroptischen Leiterende
• 2: Aufbau faseroptischer Wellenleichter
• 3: Mögliche geometrische Anordnungen der faseroptischen Leiter an Austrittsebene.
• 4: Beispielanordnung eines AND-Gatters.
• 5: Beispielanordnung eines OR-Gatters.
• 6: Beispielanordnung eines NOT-Gatters.
• 7: Beispielanordnung eines XOR-Gatters.
• 8: Beispielanordnung eines NAND-Gatters.
• 9: Beispielanordnung eines NOR-Gatters.
• 10: Beispielanordnung eines XNOR-Gatters.
• 11: Beispielanordnung einer Logikverknüpfung Y = (A AND B) OR C.
• 12: 3-Bit Volladdierer mittels Logikverknüpfungen
• 13: 3-Bit Volladdierer in einer Interferenzebene
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• US 2950461 A [0002]
• US 7263262 B1 [0002]
• US 5078464 A [0002]
• US 4932739 A [0002]
• US 2936380 A [0002]
• US 6810407 B [0002]
• DE 102012208772 B4 [0002]
• EP 0961426 A2 [0002]

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Verknüpfung binärer optischer Signale, umfassend - mindestens ein optisches Logikgatter mit einer Eingangsseite zum Empfang von mindestens einem optischen Signal und einer Ausgangsseite zur Ausgabe von mindestens einem optischen Lichtsignal, wobei an der Eingangsseite das mindestens eine optische Signal mit einem diffraktiven optischen Element wechselwirkt, so dass ein Interferenzmuster entsteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei - sich hinter dem diffraktiven optischen Element innerhalb des Interferenzmuster-Strahlungsfelds eine Anordnung von ein oder mehreren, ein Ausgangssignal aufnehmenden Monomode-Glasfasern (Ausgangsglasfasern) befindet, wobei sich die dem diffraktiven optischen Element zugewandten Frontflächen der Ausgangsglasfasern in einer ersten Eben befinden und bevorzugt in Bereichen angeordnet sind, in denen Interferenzmaxima entstehen können.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das diffraktive, optische Element aus ein oder mehreren Monomode-Glasfasern besteht, in die die ein oder mehreren optischen Eingangssignale eingekoppelt sind, deren Frontflächen in einer parallel zur ersten Eben beabstandet zweiten Ebene angeordnet sind und deren Kerndurchmesser, entsprechend einer Lochblende diffraktiv wirken.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - mehrere der Ausgangsglasfasern in Richtung Ausgang miteinander verbunden sind, um gemeinsam als Ende einer Ausgangsglasfaser in der Ebene der Ausgangsseite zu enden.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - ein oder mehrere der Eingangsglasfasern eingangsseitig dauerhaft über eine der Signallichtquellen mit einem spezifizierten binären optischen Signal gespeist werden können.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die optische Logikgatter-Anordnung dadurch gebildet wird, dass ein oder mehrere der optischen Logikgatter hintereinander angeordnet werden, indem die Ausgangglasfasern des oder der Vorgänger mit den Eingangsglasfasern des oder der Nachfolger verbunden sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Anordnung der Eingangsglasfasern, die das diffraktive optische Element bilden und die Anordnung der das Ausgangssignal aufnehmenden Monomode-Glasfasern dreidimensionaler Natur ist, wobei die Glasfasern nicht nur in einer Ebene nebeneinander, sondern auch übereinander angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ferner umfasst - Logikgatter sowie Logikverknüpfungen und deren Anwendungen auf faseroptischer Basis, bestehend aus optischen Logikgatter-Anordnungen zur Auswertung monochromatischer, kohärenter, binärer, „hell“- (logisch „1“) oder „dunkel“- (logisch „0“) Signale von ein oder mehreren, gleichartigen (gleiche Wellenlänge, kohärent, gleiche Phasenlage) Signallichtquellen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Bauelemente des Logikgatters keine nichtlinearen optischen Bauelemente, optische Verstärker oder Resonatoren enthalten.

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