RU2020549C1

RU2020549C1 - Optical adder

Info

Publication number: RU2020549C1
Authority: RU
Inventors: С.В. Соколов
Priority date: 1992-06-22
Filing date: 1992-06-22
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: optical digital equipment. SUBSTANCE: to organize binary adding of like digits of codes of addends the optical bistable elements are used, which have threshold of operation to be equal to level of logic unit. Communication between the elements is performed by means of waveguide branches. The second stage of adding is used for adding with transfer signal from junior digit. The stage is identical to optical circuit of adding of digits of addends (of the first stage). EFFECT: improved efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптической цифровой технике и может быть использовано при синтезе оптических вычислительных машин. The invention relates to optical digital technology and can be used in the synthesis of optical computers.

Известны оптические сумматоры, построенные на основе использования волноводных переключателей, управляемых электрически, или управляемых транспарантов, способы управления которыми могут быть различны (электрооптический, акустооптический и т. д. ) [1]. Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному является оптический сумматор, содержащий в каждом разряде оптические переключающие элементы [2]. Known optical adders, built on the basis of the use of waveguide switches, electrically controlled, or controlled transparencies, the control methods of which can be different (electro-optical, acousto-optical, etc.) [1]. The closest in technical execution to the proposed one is an optical adder containing optical switching elements in each category [2].

Недостатками данных сумматоров являются невысокое быстродействие (≥ 0,1 мкс), обусловленное необходимостью использования электронных схем управления переключением волноводов, управляемых транспарантов, схем организации переноса и т.д., что исключает возможность достижения быстродействия, характерного для чисто оптических переключающих устройств (потенциально равного 10^-12 с); сложность конструкции, порожденная применением смешанной - оптико-электронной технологии, реализацией операции суммирования на базе представления логическими функциями, способами кодирования переменных (фазовый, амплитудно-пространственный, поляризационный и т. д.) и пр.; низкая помехозащищенность, обусловленная реализуемыми способами кодирования информации (из-за неизбежных фазовых искажений при передаче сигналов, из-за ограничений динамического диапазона транспарантов, из-за невозможности выполнения разных логических операций при одинаковых условиях и т.д.).The disadvantages of these adders are their low speed (≥ 0.1 μs), due to the need to use electronic switching control circuits for waveguides, controlled banners, transfer organization circuits, etc., which excludes the possibility of achieving a speed characteristic of purely optical switching devices (potentially equal ^10-12 s); the complexity of the design generated by the use of mixed-optical-electronic technology, the implementation of the summation operation based on the presentation of logical functions, methods of encoding variables (phase, amplitude-spatial, polarization, etc.), etc .; low noise immunity due to the implemented methods of encoding information (due to inevitable phase distortions in the transmission of signals, due to limitations of the dynamic range of banners, due to the impossibility of performing various logical operations under the same conditions, etc.).

Изобретение направлено на решение следующих задач: обеспечения управления процессом суммирования только за счет оптических сигналов, что существенно повышает быстродействие сумматора; использования при разработке конструкции сумматора только оптической технологии при минимальном числе функциональных единиц оптических элементов, что значительно упрощает сумматор и повышает его технологичность; обеспечения возможности применения обычного двоичного кодирования слагаемых, что повышает помехозащищенность сумматора. The invention is aimed at solving the following problems: providing control of the summation process only due to optical signals, which significantly increases the speed of the adder; when developing the design of the adder only optical technology with a minimum number of functional units of optical elements, which greatly simplifies the adder and increases its manufacturability; providing the possibility of using conventional binary coding of the terms, which increases the noise immunity of the adder.

Подобные задачи в настоящее время особенно остро стоят в связи с разработкой чисто оптических ЦВМ, обладающих потенциально возможным для оптических устройств быстродействием. Such problems are currently particularly acute in connection with the development of purely optical digital computers, which have the potential for optical devices speed.

В основе построения предложенного сумматора лежат следующие принципы: кодирование слагаемых - двоичное: "0" и "1" соответствует отсутствие или наличие оптического сигнала заданной интенсивности; слагаемые поступают на вход сумматора в параллельном коде; разрядность сумматора определяется количеством одинаковых ячеек (разрядов) суммирования. The construction of the proposed adder is based on the following principles: the coding of the terms is binary: "0" and "1" correspond to the absence or presence of an optical signal of a given intensity; terms are input to the adder in parallel code; the capacity of the adder is determined by the number of identical cells (bits) of the summation.

Сущность изобретения состоит в том, что в сумматор, содержащий группу волноводных ответвлений, введены оптические бистабильные элементы, а оба входа ячейки суммирования, параллельное соединение которых образует данный сумматор, объединены первым ответвлением, выход которого подключен к входу первого оптического бистабильного элемента, выход которого подключен к входу второго ответвления, а вход оптически связан по отраженному потоку с входом третьего ответвления, объединенного по выходу с пятым ответвлением, вход которого является входом переноса сигнала переполнения из младшего разряда в четвертое ответвление, выход которого подключен к входу второго ОБЭ, выход которого через седьмое ответвление, объединенное по выходу с вторым ответвлением, подключен к входу оптического транспаранта, выход которого является выходом переноса сигнала переполнения в старший разряд, а вход второго ОБЭ оптически связан по отраженному потоку с входом шестого ответвления, выход которого является выходом данной ячейки сумматора. The essence of the invention lies in the fact that optical bistable elements are introduced into the adder containing the group of waveguide branches, and both inputs of the summing cell, the parallel connection of which forms this adder, are combined by the first branch, the output of which is connected to the input of the first optical bistable element, the output of which is connected to the input of the second branch, and the input is optically coupled through the reflected stream to the input of the third branch, combined at the output with the fifth branch, the input of which is the transfer signal of the overflow signal from the least significant bit to the fourth branch, the output of which is connected to the input of the second RBE, the output of which through the seventh branch, combined by the output with the second branch, is connected to the input of the optical banner, the output of which is the output of the transfer of the overflow signal to the senior discharge, and the input of the second RBE is optically coupled through the reflected stream to the input of the sixth branch, the output of which is the output of this adder cell.

На фиг. 1 приведена функциональная схема ячейки (одного разряда) оптического сумматора; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1. In FIG. 1 shows a functional diagram of a cell (single discharge) of an optical adder; in FIG. 2 - node I in FIG. 1.

Ячейка содержит оптические бистабильные элементы (ОБЭ) 1₁, 1₂, неуправляемые направленные ответвители 2_i, i =

(направления распространения потоков показаны стрелками), оптический транспарант 3 и три входа: Вх.1, Вх. 2 для соответствующих разрядов кодов обоих слагаемых, Вх.П для сигнала переноса из младшего разряда. ОБЭ может быть выполнен, например, в виде трансфазора [1] или какого-либо другого бистабильного элемента, имеющего два устойчивых состояния, в которых наблюдается или полное пропускание входного оптического сигнала (при интенсивности, большей порога срабатывания) или его отражение [2]. Оптические входы Вх.1, Вх.2 объединены в ответвление 2₁, выход которого подключен к входу ОБЭ 1₁. Выход ОБЭ 1₁ оптически связан с входом транспаранта 3 (обеспечивающего уменьшение интенсивности входного потока в 2 раза), а вход - с входом ответвления 2₃, объединенного по выходу с ответвлением 2₅, вход которого является Вх.П данной ячейки и предназначенного для передачи отраженного потока в ответвление 2₄, выход которого подключен к входу ОБЭ 1₂. Выход ОБЭ 1₂ через ответвление 2₇подключен к входу транспаранта 3, выход которого является Вых.П данной ячейки, а вход ОБЭ 1₂ оптически связан с входом передающего отраженный поток ответвления 2₆, выход которого является выходом ячейки сумматора.The cell contains optical bistable elements (RBE) 1 ₁ , 1 ₂ , uncontrolled directional couplers 2 _i , i =

(directions of the flow distribution are shown by arrows), optical transparency 3 and three inputs: Vkh.1, Vkh. 2 for the corresponding bits of the codes of both terms, Bx.P for the carry signal from the least significant bit. RBE can be performed, for example, in the form of a transformer [1] or some other bistable element having two stable states in which either a complete transmission of the input optical signal is observed (at an intensity higher than the response threshold) or its reflection [2]. Optical inputs Вх.1, Вх.2 are combined in the branch 2 ₁ , the output of which is connected to the input of the RBE 1 ₁ . The output of the RBE 1 _{1 is} optically connected to the input of the transparency 3 (providing a 2-fold decrease in the input stream intensity), and the input is connected to the input of the branch 2 ₃ , combined by the output with the branch 2 ₅ , the input of which is Vx.P of this cell and intended for transmission reflected stream to branch 2 ₄ , the output of which is connected to the input of RBE 1 ₂ . The output of the RBE 1 ₂ through branch 2 _{7 is} connected to the input of the banner 3, the output of which is the Output.P of this cell, and the input of the RBE 1 _{2 is} optically connected to the input of the branch returning the reflected stream 2 ₆ , the output of which is the output of the adder cell.

Для исключения дополнительного рассеивания отраженного от ОБЭ светового потока за счет попадания в ответвления, передающие прямой (входной) оптический сигнал, место контактного соединения таких ответвлений выполняется полупрозрачным, что характерно для большинства видов соединений волноводов и легко обеспечивается технологически [1, 2], ОБЭ 1₁ и ответвления 2₁ - 2₃ являются, по существу, первой ступенью ячейки сумматора, предназначенной для суммирования соответствующих одноименных разрядов обоих слагаемых, остальные элементы схемы - второй ступенью, предназначенной для суммирования с сигналом переноса из младшего разряда.To exclude additional scattering of the light flux reflected from the RBE due to getting into the branches transmitting a direct (input) optical signal, the contact point of such branches is translucent, which is typical for most types of waveguide connections and is easily provided technologically [1, 2], RBE 1 ₁ and branch 2 ₁ - March ₂ are substantially the first stage adder cell destined for summing the same corresponding bits of both terms, the remaining circuit elements - Auto second stage designed for summing a carry signal of the least significant bit.

Последовательное включение N рассмотренных ячеек образует N-разрядный параллельный оптический сумматор. The sequential inclusion of N considered cells forms an N-bit parallel optical adder.

Оптический сумматор работает следующим образом. The optical adder operates as follows.

На входы ячейки сумматора Вх.1, 2 поступают оптические коды одноименных разрядов обоих слагаемых, интенсивности световых потоков которых суммируются далее в ответвлении 2₁. Если на оба входа поступили единичные оптические сигналы ("1 + 1"), то интенсивность светового потока в ответвлении 2₁ оказывается выше пороговой (в данном случае полагают уровень U срабатывания ОБЭ выше 1 усл. ед.: U > 1), ОБЭ 1₁срабатывает и на входе ответвления 2₂ формируется световой поток интенсивности 2 усл.ед. Данный световой поток поступает на Вых.П сумматора в качестве сигнала переноса "1" в старший разряд для обеспечения интенсивности данного оптического сигнала, равной 1 усл. ед. , на выходе ответвления 2₂ установлен оптический транспарант 3, уменьшающий интенсивность потока в 2 раза (подобного ослабления можно добиться и за счет выбора соответствующего материала и длины ответвления 2₂).The optical codes of the same discharges of both terms are received at the inputs of the adder Bx.1, 2 cell, the light flux intensities of which are summed further in branch 2 ₁ . If single optical signals ("1 + 1") were received at both inputs, then the light flux intensity in branch 2 ₁ turns out to be higher than the threshold (in this case, the RBE response level U is assumed to be higher than 1 conventional unit: U> 1), RBE 1 _{1 is} triggered and at the input of the branch 2 ₂ a luminous flux of intensity 2 srvc. This luminous flux arrives at the output of the adder as a transfer signal "1" in the senior discharge to ensure the intensity of this optical signal equal to 1 srvc. units , an optical transparency 3 is installed at the output of branch 2 ₂ , which reduces the flow intensity by 2 times (a similar attenuation can also be achieved by choosing the appropriate material and branch length 2 ₂ ).

При суммировании остальных комбинаций разрядов ("0+0", "0+1", "1+0") интенсивность потока на выходе ответвления 2₁ оказывается меньше пороговой - происходит полное отражение данного светового потока от поверхности ОБЭ 1₁, поступающего далее по ответвлению 2₃ на вход ОБЭ 1₂. В ответвлении 2₄ происходит суммирование с оптическим сигналом переноса из младшего (по отношению к данному) разряда, поступающим по ответвлению 2₅ с входа Вх.П. ОБЭ 1₂ совместно с ответвлениями 2₄-2₇ играет роль второй ступени суммирования, где осуществляется сложение с сигналом переноса из младшего разряда - работа элементов схемы при этом аналогична вышеизложенной. Возникающий сигнал переноса поступает по ответвлению 2₇ на Вых.П, а на выходе ячейки сумматора Вых. формируется оптический сигнал, равный соответствующему разряду суммы входных кодов.When summing up the remaining combinations of discharges ("0 + 0", "0 + 1", "1 + 0"), the flux intensity at the output of branch 2 ₁ turns out to be lower than the threshold - this light flux completely reflects from the RBE surface 1 ₁ , which flows further along branch 2 ₃ to the input of the RBE 1 ₂ . In the branch 2 ₄ there is a summation with the optical transfer signal from the lowest (relative to this) discharge, coming in on the branch 2 ₅ from the input Vkh.P. RBE 1 ₂ together with branches 2 ₄ -2 ₇ plays the role of the second stage of summation, where addition with the transfer signal from the lower order is performed - the operation of the circuit elements is similar to the above. The resulting transfer signal is supplied by branch 2 ₇ to Output.P, and at the output of the adder cell, Output. an optical signal is generated equal to the corresponding discharge of the sum of the input codes.

Следует отметить, что наряду с таким достоинством рассмотренной оптической схемы, как отсутствие электронного управления, приводящее к повышению помехоустойчивости, быстродействия и точности, существенным является простота ее исполнения, обусловленная как минимальным количеством составных элементов, так и простотой их связей, что позволяет обеспечить высокую технологичность предложенной схемы сумматора при практической реализации. It should be noted that along with the advantage of the considered optical scheme, such as the lack of electronic control, which leads to increased noise immunity, speed and accuracy, the simplicity of its execution is essential, due to both the minimum number of constituent elements and the simplicity of their connections, which ensures high manufacturability the proposed adder circuit in practical implementation.

Claims

OPTICAL SUMMER containing optical switching elements in each discharge, characterized in that an optical transparency is inserted into it, optical switching elements are made in the form of transformers, and optical communications are in the form of fiber-optic branches, with the inputs of the first and second operands in each discharge adder combined by a first branch, the output of which is connected to the input of the first transformer, which is connected through the reflected stream to the input of the second branch, combined by the output from the third branch m and connected to the input of the fourth branch, the output of which is connected to the input of the second transformer, which is connected through the reflected stream to the input of the fifth branch, the output of which is connected to the output of the sum of this discharge of the adder, the transfer input from the previous discharge of the adder is connected to the input of the third branch, the outputs of the first and the second transformer connected to the inputs of the sixth and seventh branches, respectively, the outputs of which are combined and connected to the input of the optical banner, the output of which is connected to the output transfer to the next digit of the adder.