DE1297907B

DE1297907B - Optical arithmetic unit

Info

Publication number: DE1297907B
Application number: DE1966P0041132
Authority: DE
Inventors: Schmidt; Dipl-Phys Dr Uwe
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1966-12-31
Filing date: 1966-12-31
Publication date: 1969-06-19

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Rechenwerk zur Addition binärer Zahlen, bei dem die Binärwerte mit optischer Frequenz als Laserstrahlen eingegeben werden.The invention relates to an optical arithmetic unit for adding binary Numbers in which the binary values are entered as laser beams with optical frequency will.

Aufgabe der Erfindung ist es, mittels solcher Strahlen Rechnungen nach binärem Code durchzuführen, wobei sich die im binären Code üblichen Summen- und Übertragungsbedingungen bei Anwesenheit bzw. Abwesenheit der Strahlen ergeben.The object of the invention is to calculate calculations by means of such beams to be carried out according to binary code, whereby the sum- and result in transmission conditions in the presence or absence of the rays.

Nur in der Amplitude moduliertes Licht, z. B. im Sinne einer Aus-Ein-Schaltung eines Lichtstrahls, als Binär-Code zu verwenden und damit entsprechende Rechenoperationen, z. B. eine Addition, durchzuführen, bereitet Schwierigkeiten, da die Aufnehmer amplitudenselektiv sein müssen, um z. B. bei einem Übertrag die doppelte Lichtmenge von der einfachen genau unterscheiden zu können. Eine verhältnismäßig kleine Amplitudenänderung der Strahlung würde bereits zu unbrauchbaren Ergebnissen führen. Die Erfindung schlägt daher einen anderen Weg vor und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein zwei als Bits dienende Strahlen unterschiedlicher Richtung aufnehmendes Element aus einem linear und einem nichtlinear transparenten Material vorgesehen ist, deren Brechungsindices derart gewählt sind, daß der eine Strahl an der Grenzschicht bei Abwesenheit des anderen Strahls total reflektiert und beim Auftreffen beider Strahlen an der Schicht durchgelassen wird, und aus dem reflektierten bzw. durchgelassenen Strahl ein Summenergebnis gewonnen ist und beim Auftreffen beider Strahlen der nicht mehr total reflektierte Strahl ein Übertragssignal darstellt.Only light modulated in amplitude, e.g. B. in the sense of an off-on circuit of a light beam, to be used as binary code and thus corresponding arithmetic operations, z. B. to carry out an addition, causes difficulties, since the pickups are amplitude-selective must be to z. B. with a carry, twice the amount of light of the simple one to be able to distinguish exactly. A relatively small change in amplitude of the Radiation would already lead to useless results. The invention suggests therefore a different approach and is characterized by having two as bits serving rays of different directions receiving element from a linear and a non-linearly transparent material is provided whose refractive indices are chosen such that the one beam at the boundary layer in the absence of the totally reflected from the other beam and when both beams hit the layer is transmitted, and a sum result from the reflected or transmitted beam is won and when both rays hit the one that is no longer totally reflected Beam represents a carry signal.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further developments of the invention are characterized in the subclaims.

Der Rechenvorgang erfolgt in einem einzigen simultanen Prozeß auf optischem Wege, d. h., es brauchen nur die den einzelnen Summanden bzw. Bits zugeordneten Lichtstrahlenaufteilungen eingestellt zu werden. Die Geschwindigkeit des neuen Rechenwerks ist dann im wesentlichen durch die Lichtgeschwindigkeit gegeben und liegt damit in der Größenordnung 10-9 sec.The calculation process takes place in a single simultaneous process optical path, d. That is, only those assigned to the individual summands or bits are required Beam splits to be adjusted. The speed of the new arithmetic unit is then essentially given by the speed of light and thus lies in the order of 10-9 sec.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.The drawing shows exemplary embodiments of the invention.

F i g. 1 erläutert das Grundprinzip der benutzten Logikschaltung. Darin bedeutet Ml ein lineares, optisch transparentes Material, Brechungsindex n1, M2 ein nichtlineares, optisch transparentes Material, Brechungsindex n2.F i g. 1 explains the basic principle of the logic circuit used. Ml means a linear, optically transparent material, refractive index n1, M2 a non-linear, optically transparent material, refractive index n2.

Die Brechungsindices n1 und n2 der Materialien Ml und M2 können so gewählt werden, daß der Lichtstrahl L1 an der Grenze Ml - M2 normalerweise Totalreflexion erleidet. Bei Einstrahlung von L2 an der in der F i g. 1 bezeichneten Stelle S kann jedoch der Brechungsindex n2 so groß werden, daß n2 = n1 ist. In diesem Falle tritt L1 in das Medium M2 ein und verläßt dieses in Richtung L,". Diese Erscheinung tritt insbesondere bei Verwendung von Laserlicht auf (vgl. den Aufsatz von C h i a o , C a r m i r e und T o w n e s in »Physical Review Letters« vom 12.10.64).The refractive indices n1 and n2 of the materials Ml and M2 can be chosen so that the light beam L1 normally undergoes total reflection at the boundary Ml-M2. With irradiation from L2 at the in FIG. 1, however, the refractive index n2 can be so large that n2 = n1. In this case, L1 enters the medium M2 and leaves it in the direction of L. "This phenomenon occurs particularly when laser light is used (cf. the article by C hi ao, C armire and T ownes in" Physical Review Letters "from 10/12/64).

Gemäß der Erfindung können nun optische Leiter in der Anordnung nach F i g. 2 verknüpft werden: Am Punkt S befinde sich wieder das Material M2, ansonsten seien die Leiter Il . . . L2 mit Material Ml gefüllt. Die Ummantelung ist nicht eingezeichnet. Bei Fehlen des Lichtstrahls L2 aus Richtung 1 verläßt L1 aus Richtung 2 das Netzwerk als L1' in Richtung 3, bei vorhandenem Lichtstrahl L2 aus Richtung 1 verläßt L1 das System jedoch als Ll" in Richtung 4, L2 geht als LZ in Richtung 5 weiter.According to the invention, optical conductors in the arrangement according to FIG. 2 are linked: At point S there is again the material M2, otherwise the conductors II. . . L2 filled with material Ml. The sheathing is not shown. If the light beam L2 from direction 1 is absent, L1 leaves the network as L1 'in direction 3 from direction 2, but if there is a light beam L2 from direction 1, L1 leaves the system as L1 "in direction 4, L2 continues as LZ in direction 5.

Neben dieses Anordnung nach F i g. 2 ist noch die Anordnung nach F i g. 3 möglich.In addition to this arrangement according to FIG. 2 is still the arrangement according to F i g. 3 possible.

Der wesentliche Unterschied zu der Anordnung nach F i g. 2 besteht darin, daß L1" in Richtung 4 (bei Vorhandensein von L2) in dem Leiter absorbiert oder anderweitig vernichtet wird. Ansonsten bleibt die Betriebsweise dieselbe. Zur besseren Addition wird noch eine Verknüpfung zweier Lichtstrahlen nach F i g. 4 benötigt.The main difference to the arrangement according to FIG. 2 consists in the fact that L1 ″ in direction 4 (if L2 is present) is absorbed or otherwise destroyed in the conductor. Otherwise, the mode of operation remains the same. For better addition, a combination of two light beams according to FIG. 4 is required.

In dieser Verknüpfungsanordnung werden lediglich zwei Strahlen, nach Ausführungsbeispiel von F i g. 2 und 3, L1' und L2" - aus LZ abgeleitet - zusammengeführt und verlassen die Verknüpfungsanordnung in jedem Falle in Richtung R. Die Verknüpfungsanordnungen werden nun ihrerseits gemäß F i g. 5 verbunden.In this link arrangement there are only two rays, after Embodiment of FIG. 2 and 3, L1 'and L2 "- derived from LZ - merged and leave the linkage arrangement in each case in the direction R. The linkage arrangements are now in turn according to FIG. 5 connected.

Das Netzwerk nach F i g. 5 hat folgende Logik: L1 L2 L1' I 0 0 0 0 0 il 1 0 1 0 0 III 0 1 0 1 0 IV 1 1 0 0 1 Summe Übertrag Da L2 (F i g. 2) bzw. L2' und L1' (F i g. 3) zusammengeführt sind, tritt am Summenausgang L2" bzw. L1' in den Positionen 1I und III das Signal 1, in den Positionen I und IV das Signal 0 auf, wobei in Position IV über 4" der Übertrag zur Verfügung steht. Die Anordnung nach F i g. 5 wurde deshalb gewählt, weil der Strahl L2, der die Totalreflexion steuert, nicht zum Erlöschen gebracht werden kann, wenn die Totalreflexion aufgehoben ist.The network according to FIG. 5 has the following logic: L1 L2 L1 ' I 0 0 0 0 0 il 1 0 1 0 0 III 0 1 0 1 0 IV 1 1 0 0 1 Total carry Since L2 (FIG. 2) or L2 'and L1' (FIG. 3) are brought together, signal 1 occurs at the sum output L2 "and L1 'in positions 1I and III, and in positions I and IV the signal 0, whereby in position IV via 4 "the carry is available. The arrangement according to FIG. 5 was chosen because the beam L2, which controls the total reflection, cannot be extinguished when the total reflection is canceled.

Die Strahlen L1 und L2 nach F i g. 6 bedeuten zwei binäre Zahlen: L1 = 10011 und L2 = 01101, wobei die Anwesenheit eines Strahles den Wert »1« und die Abwesenheit den Wert »0« bedeutet. Die Addition geht wie folgt vor sich: Bei ausreichender Anzahl von Elementen nach F i g. 5 wird das Ergebnis die Reihe R der Elemente nach F i g. 6 nach unten in Form von Lichtstrahlen verlassen, im vorliegenden Fall R1 an »a« als 1 und die übrigen Elemente an »a« als 0, so daß 100000 mit Übertrag R entsteht und demgemäß ein Element R mehr benötigt wird. Die Multiplikation liegt als Erweiterung nahe, indem man eine genügende Anzahl Einheiten R hintereinanderschaltet und bei jeder neuen Einheit den Multiplikanden entsprechend dem nächsten Digitalwert des Multiplikators als L1 einspeist.The rays L1 and L2 according to FIG. 6 mean two binary numbers: L1 = 10011 and L2 = 01101, where the presence of a ray has the value »1« and the absence means the value "0". The addition works as follows: At sufficient number of elements according to FIG. 5 the result will be the row R Elements according to FIG. 6 left down in the form of rays of light, in the present Case R1 at "a" as 1 and the remaining elements at "a" as 0, so that 100000 with carry R arises and accordingly one more element R is required. The multiplication lies as an extension, by connecting a sufficient number of units R in series and for each new unit the multiplicand corresponding to the next digital value of the multiplier as L1.

Die Einspeisung der Strahlen 4 und L2 kann z. B. über als Lichtleitungsfasern dienende optische Fibern aus photochromem Glas erfolgen, die für den Wert »0« durch einen Außenimpuls an den Stellen P1 . . . bzw. Chl ... in den absorbierenden Zustand übergeführt werden, wie F i g. 7 zeigt: ein Impuls L1 oder L2 kann sich dann nicht in die folgende Einheit R fortpflanzen. Alle Fibern für die Impulse L1 bzw. L2 lassen sich dann vol den photochromen Abschnitten zu einem Bündel B1 bzw. B2 zusammenfassen und können dann integral durch einen Lichtimpuls »beschickt« werden. Entsprechend kann auch das Ergebnis am Ausgang der Elemente R in photochromen Glas gespeichert werden. Die Ansteuerung des photochromen Glases kann z. B. durch einen an sich bekannten digitalen Lichtstrahlablenker erfolgen, da das photochrome Glas etwa im Sinne einer bistabilen Kippstufe entweder in den Absorptionszustand oder in den Durchlaßzustand überführbar ist.The feeding of the beams 4 and L2 can, for. B. using optical fibers made of photochromic glass serving as optical fibers, which for the value "0" by an external pulse at points P1. . . or Chl ... are converted into the absorbing state, as shown in FIG. 7 shows: an impulse L1 or L2 cannot then propagate into the following unit R. All fibers for the pulses L1 or L2 can then be combined into a bundle B1 or B2 using the photochromic sections and can then be "charged" integrally by a light pulse. Correspondingly, the result at the output of the elements R can also be stored in photochromic glass. The control of the photochromic glass can, for. B. be done by a known digital light beam deflector, since the photochromic glass can be converted into either the absorption state or the transmission state, for example in the sense of a bistable flip-flop.

Bei Impulslängen von 2 ns würde mit einem Energieverbrauch von 10-4 Ws zu rechnen sein.With pulse lengths of 2 ns, the energy consumption would be 10-4 Ws to be expected.

Claims

Claims: 1. Optical arithmetic unit for adding binary numbers, in which the binary values with optical frequency are entered as laser beams, characterized in that two beams serving as bits are different Direction receiving element made of a linear (Ml) and a non-linear (M2) transparent Material is provided whose refractive indices are chosen such that the one Beam (L1) totally reflected at the boundary layer in the absence of the other beam (L2) (Li ') and when both rays strike the layer it is transmitted (L1 ") and a sum result from the reflected (Lr ') or transmitted beam (L2') is won, and when both rays (L ,, L2) strike it is no longer total reflected beam represents a carry signal (L1 ").

2. Optical arithmetic unit according to claim 1, characterized in that the per se totally reflective beam (L1) after passing through the boundary layer (Ml, M2) by means of photochromic glass is absorbed.

3. Optical arithmetic unit according to claim 1 or 2, characterized in that that a totally reflective beam non-absorbing element with a this beam absorbing element is combined and totally reflected Rays of both elements are merged.

4. Optical arithmetic unit according to claim 1 or one of the following, characterized in that the radiation guide is optical Fibers are used.

5. Optical arithmetic unit according to claim 1 or one of the following, characterized in that the optical fibers are at least partly made of photochromic Glass, which is converted into the absorption state by an external light pulse is.

6. Optical arithmetic unit according to claim 1 or one of the following, characterized in that that the result values are stored in photochromic glass.

7. Optical arithmetic unit according to claim 1 or one of the following, characterized in that for control a digital light deflector is used in the photochromic glass. B. Optical Arithmetic unit according to Claim 4, characterized in that the optical fibers at least partly from an optically or thermally erasable phosphor, such as. B. with Eu and Sm doped SrS.