RU2020551C1

RU2020551C1 - Optical comparator

Info

Publication number: RU2020551C1
Authority: RU
Inventors: С.В. Соколов
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: specialized computer technology. SUBSTANCE: two input information and two control splitters are introduced into the comparator. Each information splitter has input to be input of the comparator; the information splitter has group of waveguide branches optically coupled together. The branches splits to two branches more in such a manner, that any subsequent branch of the group has to be the second branch of previous one. The first branches of both groups have to be optically coupled waveguides provided with corresponding two branches of the first control splitter. Like branches of both information splitters have inputs connected. Output parts of all the branches of the first information splitter have to be optically coupled waveguides with branch of the second control splitter, which has output to be output of the comparator. EFFECT: improved reliability of operation; improved efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании оптических вычислительных машин. The invention relates to specialized computing and can be used to create optical computers.

Известны компараторы, предназначенные для сравнения амплитуд входных сигналов и формирования признака их равенства в виде выходного сигнала заданного уровня [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983]. Known comparators designed to compare the amplitudes of the input signals and the formation of a sign of their equality in the form of an output signal of a given level [Titze U., Schenk K. Semiconductor circuitry. - M.: Mir, 1983].

Недостатком таких компараторов является низкое быстродействие, обусловленное их электронным исполнением, ограничивающим скорость обработки входной информации временем неизбежных переходных процессов. The disadvantage of such comparators is the low speed due to their electronic performance, limiting the speed of processing input information to the time of inevitable transients.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является система оптически связанных волноводов [Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: ВШ, 1988, с. 131, рис. 5.2], недостатком которой является отсутствие возможности сравнения двух входных оптических сигналов по амплитуде. The closest in technical execution to the proposed device is a system of optically coupled waveguides [Akayev A.A., Mayorov S.A. Optical methods of information processing. - M .: VSH, 1988, p. 131, Fig. 5.2], the disadvantage of which is the inability to compare the two input optical signals in amplitude.

Изобретение направлено на решение задачи сравнения как когерентных, так и некогерентных оптических сигналов по амплитуде. Подобная задача возникает при создании оптических систем обработки информации и связи, а также полностью оптических вычислительных машин, все операции которых осуществляются только световыми сигналами при оптическом управлении. The invention is directed to solving the problem of comparing both coherent and incoherent optical signals in amplitude. A similar problem arises when creating optical information processing and communication systems, as well as completely optical computing machines, all of whose operations are carried out only by light signals during optical control.

Сущность изобретения состоит в том, что в компаратор введены два входных информационных и два управляющих разветвителя, причем каждый информационный разветвитель, вход которого является одним из входов компаратора, содержит группу оптически связанных между собой волноводных ответвлений, разветвляющихся на два так, что каждое последующее ответвление данной группы является вторым разветвлением предыдущего, первые ответвления обеих групп являются оптически связанными волноводами с соответствующими двумя разветвлениями первого управляющего разветвителя, а одноименные ответвления обоих информационных разветвителей объединены по выходу, при этом выходные участки всех ответвлений первого информационного разветвителя являются оптически связанными волноводами с ответвлением второго управляющего разветвителя, выход которого является выходом компаратора. The essence of the invention lies in the fact that two input information and two control splitters are introduced into the comparator, each information splitter, the input of which is one of the inputs of the comparator, contains a group of waveguide branches optically interconnected, branching into two so that each subsequent branch of this groups is the second branch of the previous one, the first branches of both groups are optically coupled waveguides with the corresponding two branches of the first control yayuschego splitter, and branches the same name information of both couplers are combined on the output, the output portions of all the branches of the first information splitter waveguides are optically connected with the second control branch coupler whose output is the output of the comparator.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного компаратора. The drawing shows a functional diagram of the proposed comparator.

Оптический компаратор содержит первый 1 и второй 2 входные информационные разветвители и первый 3 и второй 4 управляющие разветвители. Входной разветвитель 1(2), вход которого является входом компаратора, представляет собой N оптически связанных между собой волноводных ответвлений 1₁,..., 1_N(2₁, . . . , 2_N), разветвляющихся на два так, что (i+1)-е ответвление 1_i+1(2_i+1) является вторым разветвлением i-го ответвления 1_i(2_i),i=1,

. Одноименные ответвления 1_j, 2_jобъединены по выходу. Первый управляющий разветвитель 3 содержит два ответвления 3₁, 3₂. Ответвление 3₁ представляет собой волновод, оптически связанный с ответвлением 1₁, ответвление 3₂ - волновод, оптически связанный с ответвлением 2₁. Второй управляющий разветвитель (ответвление) 4, выход которого является выходом компаратора, представляет собой волновод, оптически связанный с выходными участками ответвлений 1₁, . ..,1_N. (Так как для обеспечения работы компаратора световой поток на выходе ответвления 1_i должен быть уменьшен в два раза, то в качестве одного из путей такого уменьшения на чертеже пунктиром показаны дополнительные ответвления, делящие выходной поток на два).The optical comparator contains the first 1 and second 2 input information splitters and the first 3 and second 4 control splitters. The input splitter 1 (2), the input of which is the input of the comparator, is N optically interconnected waveguide branches 1 ₁ , ..., 1 _N (2 ₁ , ..., 2 _N ), branching into two so that ( i + 1) -th branch 1 _{i + 1} (2 _{i + 1} ) is the second branch of the i-th branch 1 _i (2 _i ), i = 1,

. Branches of the

same name

1 _j , 2 _{j are} combined in output. The first control splitter 3 contains two

branches

3 ₁ , 3 ₂ . Branch 3 ₁ is a waveguide optically coupled to branch 1 ₁ , branch 3 ₂ is a waveguide optically coupled to branch 2 ₁ . The second control splitter (branch) 4, the output of which is the output of the comparator, is a waveguide optically coupled to the output sections of the branches 1 ₁ ,. .., 1 _N. (Since in order to ensure the operation of the comparator, the luminous flux at the output of branch 1 _i must be halved, as one of the ways to reduce this, additional branches dividing the output flux by two are shown in dashed lines).

Работает компаратор следующим образом. The comparator works as follows.

Сравниваемые оптические сигналы с интенсивностями соответственно I₁и I₂ поступают на входы оптических разветвителей 1 и 2, где происходит их разветвление в ответвлениях 1_i и 2_i последовательно на два, т.е. интенсивность потока в i-м ответвлении обоих разветвителей меньше входной в 2ⁱ раз. На вход разветвителя 3 в течение всего времени работы компаратора подан световой поток постоянной интенсивности I (I > > I_i), формирующий в ответвлениях 3₁, 3₂ потоки с требуемой интенсивностью, обеспечивающей возможность переброса излучения в связанный с данным оптический волновод. Так как оптически связанным с ответвлением 3₁является ответвление (волновод) 1₁, а с ответвлением 3₂, - соответственно ответвление 2₁, то при появлении в ответвлениях 1₁, 2₁сигналов с интенсивностями I

2, I₂/2, достаточными для обеспечения переключения светового потока из ответвлений 3₁ и (или) 3₂, происходит переброс излучения в ответвления 1₁ и (или) 2₁. Аналогично происходит переброс излучения и далее - из ответвления 1₁ в оптически связанное с ним ответвление 1₂ (из 2₁ соответственно в 2₂), если для этого оказывается достаточно величины интенсивности I₁/4 (I₂/4). В итоге осуществляется переключение излучения из ответвления 3₁ (3₂) в ответвление 1_i (2_j), где i, j - номер последнего ответвления, на вход которого поступает оптический сигнал с интенсивностью I₁ ˙2^-i (I₂ _˙2^-j), еще достаточной для осуществления процесса переключения (так как интенсивность I₁˙2^-(i+3) (I₂˙2^-(j+1) уже этого не обеспечивает). Так как выходы одноименных ответвлений объединены, то в случае появления в одноименных ответвлениях 1_k, 2_k излучения, "переброшенного" из ответвлений 3₁, 3₂, на выходе ответвления 1_k появляется сигнал интенсивности ≈ I. Формирование такого сигнала на выходе любого из ответвлений 1_k означает равенство сигналов I₁ и I₂ в силу того, что составляющие I₁₍₂₎ ˙2^-k обеспечивают уровень интенсивности переключения, а I₁₍₂₎ ˙2^-(k+1) уже нет. В остальных случаях, когда I₁/2^k ≠ I₂/2^k и переключение излучения из ответвлений 3₁, 3₂ осуществляется в разноименные волокна 1_i, 2_j, i≠j, выходные сигналы интенсивности ≈ I/2 появляются на выходах двух ответвлений 1_i и 1_j. Далее световой поток, сформированный на выходе волокна 1_m, проходя по волокну, ослабляется в два раза (например, за счет дополнительного разветвления - на чертеже показано пунктиром или выбора соответствующего коэффициента затухания выходного участка ответвления и т.п.). Тем самым на выходе одного из волноводных ответвлений 1_m формируется световой поток с интенсивностью ≈ I/2 (обеспечивающей возможность дальнейшего оптического переключения) лишь в случае I₁ = I₂. (В противном случае на выходах каких-либо двух ответвлений 1_i, 1_j формируются потоки с интенсивностями ≈ I/4). Так как на вход разветвителя 4 в течение всего времени работы компаратора подан постоянный оптический сигнал интенсивности U << I, обеспечивающий в случае появления в одном из оптически связанных с разветвителем 4 ответвлений 1_m оптического сигнала с интенсивностью I/2 переключение светового сигнала из ответвления 1_m в разветвитель 4, то при выполнении равенства I₁ = I₂ на выходе разветвителя 4 (выходе компаратора) появляется оптический сигнал интенсивности I/2 + U ≈I/2. Если I₁ ≠ I₂, то максимально возможная интенсивность оптического сигнала на выходах ответвлений 1_k ≈ I/4 и переключение излучения в разветвителе 4 не происходит - единичный сигнал (уровня I/2) на выходе компаратора отсутствует (уровень интенсивности U в данном случае соответствует нулевому уровню).The compared optical signals with intensities I ₁ and I _2, respectively, are fed to the inputs of the

optical splitters

1 and 2, where they branch out in the

branches

1 _i and 2 _i sequentially into two, i.e. the flow intensity in the ith branch of both splitters is 2 ⁱ times less than the input one. A constant-intensity luminous flux I (I>> I _i ) is supplied to the splitter 3 input over the entire time the comparator is operating, which forms fluxes in the

branches

3 ₁ , 3 ₂ with the required intensity, which makes it possible to transfer radiation to the optical waveguide associated with this. Since optically connected with branch is _March 1st branch (waveguide) is a 1: ₁ and with a branch March _2, - respectively branch ₁ 2, then the appearance of a branch 1 _1, 2 ₁ signals from the intensities I

2, I _2/2 , sufficient to ensure switching of the light flux from branches 3 ₁ and (or) 3 ₂ , radiation is transferred to branches 1 ₁ and (or) 2 ₁ . Similarly radiation transfer occurs and then - from branch 1 ₁ at the associated optical branch 1 ₂ (of February _1, respectively 2 _2), if this value is sufficient intensity I _1/4 (I _2/4). As a result, the radiation is switched from branch 3 ₁ (3 ₂ ) to branch 1 _i (2 _j ), where i, j is the number of the last branch to the input of which an optical signal with an intensity of I _{1 1} 2 ^-i (I ₂ _˙ 2 ^-j ), which is still sufficient for the switching process (since the intensity I ₁ ˙2 ^{- (i + 3)} (I ₂ ˙2 ^{- (j + 1)} does not already provide this). Since the outputs of the branches of the same name are combined, then in the corresponding case of the branches 1 _k, 2 _k radiation "slung" from the branching March _1, 3 _2, one output tap signal intensity appears _k I. Formation of such a signal at the output of any of the branches 1, _k is equal signals I ₁ and I ₂ by the fact that the components I _{1 (2)} ˙2 ^-k provide switching level intensity, I _{1 (2)} ˙2 ^{- ( k} is no longer ^{+ 1).} in other cases, when i _1/2 ^k ≠ i _2/2 ^k and emission switching of taps on March _1, 3 ₂ is in the unlike fiber 1 _i, 2 _j, i ≠ _j, the output intensity signals ≈ I / 2 appear at the outputs of two

branches

1 _i and 1 _j . Further, the luminous flux formed at the fiber exit 1 _m , passing through the fiber, is attenuated by half (for example, due to additional branching - shown in dotted lines in the drawing or selection of the corresponding attenuation coefficient of the branch exit section, etc.). Thus, at the output of one of the waveguide branches 1 _m , a luminous flux with an intensity ≈ I / 2 (providing the possibility of further optical switching) is formed only in the case of I ₁ = I ₂ . (Otherwise, flows with intensities ≈ I / 4 are formed at the outputs of any two branches 1 _i , 1 _j ). Since a constant optical signal of intensity U << I is applied to the input of splitter 4 during the entire operation time of the comparator, which ensures that in one of the optically coupled 4 branches 1 _{m of an} optical signal with intensity I / 2 switches the light signal from branch 1 _m into splitter 4, then when the equality I ₁ = I _{2 is} fulfilled, an optical signal of intensity I / 2 + U ≈I / 2 appears at the output of splitter 4 (output of the comparator). If I ₁ ≠ I ₂ , then the maximum possible intensity of the optical signal at the branch outputs 1 _k ≈ I / 4 and the radiation does not switch in the splitter 4 - there is no single signal (level I / 2) at the output of the comparator (intensity level U in this case corresponds to level zero).

Следует отметить, что вместо разветвителя 4, оптически связанного с ответвлениями 1₁ - 1_N, можно использовать на их выходах оптические бистабильные элементы с порогом срабатывания I/2 - логика работы компаратора остается при этом прежней. Быстродействие рассмотренного компаратора определяется, по существу, временем прохождения сигнала с входа разветвителя 3 на выход разветвителя 4 и имеет порядок 10^-10 - 10^-11 с.It should be noted that instead of splitter 4, which is optically coupled to branches 1 ₁ - 1 _N , it is possible to use optical bistable elements with an operation threshold I / 2 at their outputs - the logic of the comparator remains the same. The speed of the considered comparator is determined, in essence, by the signal transit time from the input of the splitter 3 to the output of the splitter 4 and has the order of 10 ^-10 - 10 ^-11 s.

Claims

An OPTICAL COMPARATOR containing optically coupled waveguide branches, characterized in that for the operation of comparing two optical signals in amplitude, two input information and two control splitters are introduced into it, each information splitter, the input of which is one of the inputs of the comparator, contains a group of optically coupled between themselves waveguide branches, branching into two so that each subsequent branching of this group is the second branching of the previous the branching of both groups are optically coupled waveguides with the corresponding two branches of the first control splitter, and the branches of the same name of the two information splitters are combined at the output, while the output sections of all the branches of the first information splitter are branching the waveguides with the branching of the second control splitter, the output of which is the output of the device .