RU2044338C1

RU2044338C1 - Logic unit realizing maximum and minimum operations

Info

Publication number: RU2044338C1
Authority: RU
Inventors: М.Л. Арестова; А.Ю. Быковский
Original assignee: Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН
Priority date: 1992-06-18
Filing date: 1992-06-18
Publication date: 1995-09-20

Abstract

FIELD: optical logic gates. SUBSTANCE: logic unit has two photodetectors, electronic unit for comparing amplitudes made in form of electronic comparator, and light guide communication system, which has to be two light guide X-shaped couplers with control electrodes. Two outputs of the electrodes are integrated by common output of light guide commutation circuit. Information signals are introduced into light guide communication circuit, which gets out either larger signal (MAXIMUM operation), or lower signal (MINIMUM operation) to common output depending on connection of optical inputs of light guide commutation circuit, and polarity of connection of inverting and non-inverting inputs of electron comparator. Double-level electric output signal of the comparator switches both light guide X-shaped couplers simultaneously. EFFECT: improved precision; improved reliability of operation. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптоэлектронным логическим вентилям небулевой логики, которые предполагается использовать в схемах оптической обработки информации. The invention relates to optoelectronic logic gates of non-zero logic, which are supposed to be used in optical information processing schemes.

Известны разнообразные конструкции оптических логических вентилей, основанных на принципах двоичной булевой логики [1] В этих конструкциях используются волноводные и волоконные структуры, квантоворазмерные полупроводниковые элементы, жидкокристаллические клапаны. Такие конструкции реализуют булевы двоичные вентили И, ИЛИ, НЕ, составляющие полное множество логических функций в булевой логике. A variety of designs of optical logic gates based on the principles of binary Boolean logic are known [1]. These designs use waveguide and fiber structures, quantum-sized semiconductor elements, and liquid crystal valves. Such constructions implement Boolean binary gates AND, OR, NOT, which make up the complete set of logical functions in Boolean logic.

Однако такие наборы логических вентилей не позволяют реализовать системы обработки информации, основанные на принципах непрерывной и многозначной логики, требующих применения иных полных множеств логических функций и, соответственно, других наборов логических вентилей. Для создания систем непрерывной и многозначной логики требуется разработать логические вентили, реализующие, например, полные системы Россера-Тьюкетта, Уэбба, Поста, либо специальные пороговые вентили. However, such sets of logic gates do not allow the implementation of information processing systems based on the principles of continuous and multi-valued logic, requiring the use of other complete sets of logic functions and, accordingly, other sets of logic gates. To create systems of continuous and multi-valued logic, it is necessary to develop logical gates that implement, for example, complete Rosser-Tukett, Webb, Post systems, or special threshold gates.

Наиболее сложными и важными логическими операциями в системах непрерывной и многозначной логики являются операции МАХIMUM MINIMUM, смысл которых заключается в выделении наибольшего или наименьшего сигнала из всех сигналов, подаваемых на входы устройства, и выдаче этого выделенного сигнала на выход устройства. The most complex and important logical operations in continuous and multi-valued logic systems are MAXIMUM MINIMUM operations, the meaning of which is to extract the largest or smallest signal from all signals supplied to the device inputs and to issue this dedicated signal to the device output.

В настоящее время не известны оптоэлектронные логические устройства, реализующие операции МАХIMUM MINIMUM, что сдерживает развитие оптоэлектронных систем обработки информации, основанных на принципах непрерывной и многозначеной логики. Currently, optoelectronic logic devices that implement MAXIMUM MINIMUM operations are not known, which hinders the development of optoelectronic information processing systems based on the principles of continuous and multi-valued logic.

Устройствами, являющимися наиболее близким к изобретению по достигаемому эффекту, а именно в отношении способности реализовать операции MAXIMUM MINIMUM, являются микроэлектронные напрерывно-логические операторы напряжения и тока, осуществляющие операции MAXIMUM MINIMUM, для электрических сигналов и реализуемые в виде пассивных (диодных) схем, либо в виде активных микроэлектронных устройств, на основе операционных усилителей с диодами в цепи обратной связи [2] Последний вид устройств обладает более высокими характеристиками и в наибольшей мере может быть рассмотрен в качестве прототипа. The devices that are closest to the invention in terms of the effect achieved, namely with regard to the ability to implement MAXIMUM MINIMUM operations, are microelectronic continuous-logic voltage and current operators that perform MAXIMUM MINIMUM operations for electrical signals and implemented as passive (diode) circuits, or in the form of active microelectronic devices, based on operational amplifiers with diodes in the feedback circuit [2] The latter type of devices has higher characteristics and to the greatest extent possible be considered as a prototype.

Принцип действия микроэлектронного логического вентиля МАХMUM MINIMUM [2] заключается в сравнении по величине подаваемых на входы электрических сигналов и выдаче на выход винтиля соответственно наибольшего или наименьшего по величине сигнала из числа подаваемых на входы. Сигналы подаются на входы непрерывно. Указанное микроэлектронное устройство включает в себя два операционных усилителя, каждый из которых в цепи отрицательной обратной связи имеет два диода, подключенных во встречных направлениях. Сигналы с операционных усилителей подаются на общий выход через диоды цепи обратной связи таким образом, что для любой полярности сигнала в любой момент времени два диода оказываются подключенными к общему выходу навстречу друг другу. В зависимости от соотношения напряжений на выходе операционных усилителей один из диодов постоянно оказывается запертым, а сигнал через отпертый диод подается на общий выход. При положительных напряжениях работает одна пара диодов, а при отрицательных значениях работает другая пара диодов. При необходимости выходной сигнал может подаваться на дополнительный выходной операционный усилитель. The principle of operation of the MAXMUM MINIMUM microelectronic logic gate [2] consists in comparing the magnitude of the electrical signals supplied to the inputs and the output of the screw, respectively, of the largest or smallest magnitude of the signal fed to the inputs. Signals are fed to the inputs continuously. The specified microelectronic device includes two operational amplifiers, each of which in the negative feedback circuit has two diodes connected in opposite directions. The signals from the operational amplifiers are fed to the common output through the diodes of the feedback circuit so that for any polarity of the signal at any time, two diodes are connected to the common output towards each other. Depending on the ratio of the voltages at the output of the operational amplifiers, one of the diodes is constantly locked, and the signal through the unlocked diode is fed to the common output. With positive voltages, one pair of diodes works, and with negative values, another pair of diodes works. If necessary, the output signal can be supplied to an additional output operational amplifier.

Функциональная схема указанного электронного вентиля сводится к трем группам узлов: входное устройство, включающее входные цепи операционных усилителей, и сами операционные усилители, устройство сравнения амплитуд сигналов, включающее диодных цепи с общим соединением, выходное устройство, к которому относится выходная клемма вентиля или выходной операционный усилитель. The functional circuit of the indicated electronic gate is reduced to three groups of nodes: an input device, including input circuits of operational amplifiers, and operational amplifiers themselves, a device for comparing signal amplitudes, including diode circuits with a common connection, an output device, which includes the output terminal of the valve or output operational amplifier .

Недостатком известного устройства является невозможность использования его в оптоэлектронных логических схемах обработки информации, основные преимущества которых реализуются именно за счет использования оптических межсоединений. Кроме того, для микроэлектронных устройств известные схемы не позволяют реализовать высокие коэффициенты разветвления по выходу и объединения по входу, поскольку в последнем случае резко снижаются шумовые характеристики и помехозащищенность, что делает целесообразной разработку оптоэлектронных схем межсоединений применительно к микроэлектронным схемам непрерывной логики, Оптоэлектронный логический вентиль МАХIMUM MINIMUM соответственно выполняет логические операции МАХIMUM MINIMUM с оптическими входными сигналами, выводя на выход также оптический сигнал. A disadvantage of the known device is the inability to use it in optoelectronic logic circuits for information processing, the main advantages of which are realized precisely through the use of optical interconnects. In addition, for microelectronic devices, known circuits do not allow for high branching coefficients for output and input combining, since in the latter case noise characteristics and noise immunity are sharply reduced, which makes it advisable to develop optoelectronic interconnect circuits as applied to continuous-circuit microelectronic circuits. MAXIMUM Optoelectronic logic gate MINIMUM respectively performs the logical operations MAXIMUM MINIMUM with optical input signals, outputting also tical signal.

Цель изобретения реализования оптоэлектронных логических вентилей непрерывной и многозначной логики. The purpose of the invention is the implementation of optoelectronic logic gates of continuous and multi-valued logic.

Цель изобретения достигается тем, что входное устройство выполнено в виде оптической световодной коммутационной схемы, включающей два световодных Х-образных ответвителя с управляющими электродами и два фотоприемника, каждый из которых оптически связан с одним из входов соответствующего Х-образного ответвителя. Электронное устройство сравнения выполнено в виде электронного компаратора с двухуровневым выходным сигналом, при этом выход одного из фотоприемников соединен с инвертирующим, а выход другого фотоприемника с неинвертирующим входом компаратора; выход компаратора соединен с управляющими электродами обоих Х-образных ответвителей. Выходное устройство выполнено в виде световодного Y-образного ответвителя, образованного двумя объединенными выходами Х-образных ответвителей. Оптическая связь между входами световодных Х-образных ответвителей и фотоприемниками осуществляется одним из трех указанных ниже способов: фотоприемники оптически связаны с входами Х-образных ответвителей посредством светоделительных элементов, установленных перед входами Х-образных ответвителей; фотоприемники оптически связаны с входами Х-образных ответвителей посредством дифракционных элементов, размещенных на входах Х-образных ответвителей; в виде интегральных узлов. The purpose of the invention is achieved in that the input device is made in the form of an optical fiber guide circuit, including two light guide X-shaped couplers with control electrodes and two photodetectors, each of which is optically coupled to one of the inputs of the corresponding X-shaped coupler. The electronic comparison device is made in the form of an electronic comparator with a two-level output signal, while the output of one of the photodetectors is connected to the inverting one, and the output of the other photodetector with a non-inverting input of the comparator; the output of the comparator is connected to the control electrodes of both X-shaped couplers. The output device is made in the form of a light guide Y-shaped coupler formed by two combined outputs of X-shaped couplers. Optical communication between the inputs of the light guide X-shaped couplers and the photodetectors is carried out in one of the three following ways: the photodetectors are optically coupled to the inputs of the X-shaped couplers by means of beam splitting elements installed in front of the inputs of the X-shaped couplers; photodetectors are optically coupled to the inputs of the X-shaped couplers by means of diffraction elements located at the inputs of the X-shaped couplers; in the form of integrated nodes.

Отличием используемой в настоящем устройстве световодной коммутационной схемы от известных волоконных и волноводных схем, используемых в схемах оптической обработки информации, является особое соединение входов и общего выхода, позволяющее выводить на общий вывод либо один, либо другой оптический сигнал, а оставшийся неиспользованным сигнал при этом выводится из устройства с целью снижения рассеиваемой в устройстве мощности, и в случае необходимости используется при объединении ряда заявляемых устройств в более сложные блоки обработки данных. The difference between the optical fiber and waveguide circuits used in this device from the known fiber and waveguide circuits used in optical information processing schemes is a special connection of inputs and a common output, which allows one or another optical signal to be output to the common output, while the signal that is left unused is output from the device in order to reduce the power dissipated in the device, and, if necessary, is used when combining a number of the claimed devices into more complex processing units data threads.

Управление световодной коммутационной схемой осуществляется подачей одного и того же двухуровневого электрического сигнала на управляющие электроды обоих световодных Х-образных ответвителей. Предлагаемая схема позволяет реализовать оптические входы и оптический выход логического устройства, что обеспечивает возможность использования его в схемах оптической обработки информации. The optical fiber switching circuit is controlled by supplying the same two-level electrical signal to the control electrodes of both light-guide X-shaped couplers. The proposed scheme allows the implementation of optical inputs and optical output of a logical device, which makes it possible to use it in optical information processing schemes.

Данная световодная коммутационная схема может быть изготовлена как на основе широко известных волноводных структур (например LiNbO3), так и на основе волоконных ответвителей, и предназначена для работы в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне. Материал, геометрические размеры световодов, радиусы изгиба световодных элементов, интенсивности вводимых оптических сигналов определяются на основе литературных данных применительно к конкретным задачам. This fiber-optic switching circuit can be made both on the basis of widely known waveguide structures (for example, LiNbO3) and on the basis of fiber couplers, and is designed to operate in the optical and near infrared range. The material, the geometric dimensions of the light guides, the bending radii of the light guide elements, the intensities of the input optical signals are determined on the basis of literature data for specific tasks.

Еще одна важная особенность настоящего устройства заключается в том, что сравнение логическизх уровней двух сигналов осуществляется стандартным электронным компаратором, выполненным на базе операционного усилителя и имеющим двухуровневый выходной сигнал, в отличие от непрервыного сигнала в схеме сравнения амплитуд сигналов со встречно включенными диодами, использумой в прототипе. В этом случае точность сравнения логических уровней двух сигналов определяется техническими параметрами промышленно освоенных микросхем, а не точностью подбора пар диодов в цепи обратной связи в схеме прототипа. Это проедоставляет преимущества как в отношении точности сравнения сигналов, так и в отношении удобства разработки и наладки логических вентилей. Для преобразования двух оптических сигналов в электрические сигналы часть интенсивности обоих оптических сигналов непрерывно подается на фотоприемники с помощью светоделительных элементов, размещаемых перед входами световодных Х-образных ответвителей, либо дифракрационных элементов, изготавливаемых на входах световодных X-образных ответвителей, либо за счет интегрального исполнения фотоприемников и входов световодных Х-образных ответвителей. Another important feature of this device is that the comparison of the logical levels of the two signals is carried out by a standard electronic comparator based on an operational amplifier and having a two-level output signal, in contrast to a continuous signal in the circuit for comparing signal amplitudes with on-board diodes used in the prototype . In this case, the accuracy of comparing the logical levels of two signals is determined by the technical parameters of industrially developed circuits, and not the accuracy of the selection of pairs of diodes in the feedback circuit in the prototype circuit. This provides advantages both in terms of accuracy of signal comparison and in terms of ease of development and adjustment of logic gates. To convert two optical signals into electrical signals, a part of the intensity of both optical signals is continuously fed to photodetectors using beam-splitting elements placed in front of the inputs of the light-guide X-shaped couplers, or diffraction elements manufactured at the inputs of the light-guiding X-shaped couplers, or due to the integrated design of the photodetectors and inputs of light guide X-shaped couplers.

Третья особенность устройства заключается в том, что выходное устройство вентиля выполняется в виде световодного Y-образного ответвителя, что обеспечивает возможность работы как с некогерентными, так и с когерентными оптическими сигналами. The third feature of the device is that the output device of the valve is in the form of a light guide Y-shaped coupler, which makes it possible to work with both incoherent and coherent optical signals.

Исполнения устройства, реализующие операции МАХIMUM или MINIMUM, выполняются на основе одного и того же набора элементов, при этом выбор операции МАХIMUM или MINIMUM определяется лишь коммутацией разных входов световодной коммутационной схемы и электронного компаратора. The device versions that implement the MAXIMUM or MINIMUM operations are performed on the basis of the same set of elements, while the choice of the MAXIMUM or MINIMUM operation is determined only by switching different inputs of the fiber-optic switching circuit and the electronic comparator.

На фиг. 1 и 2 показана схема устройства. In FIG. 1 and 2 shows a diagram of a device.

На фиг. 1 показано устройство, в котором оптическая связь между входами световодных Х-образных ответвителей и фотоприемниками осуществлена светоделительными элементами 1 и 2, размещенными перед входами световодных Х-образных ответвителей 5-8. Входами 5-8 световодных Х-образных ответвителей являются начальные участки от торцов световодов до управляющих электродов 10 и 11. Светоделительный элемент 1 оптически связан с фотоприемником 3, а также либо с входом 6 световодного Х-образного ответвителя, либо с входом 5. Выход фотоприемника 3 соединен либо с неинвертирующим, либо с инвертирующим входом электронного компаратора 9, выполненного на операционном усилителе. Светоделительный элемент 2 оптически связан с фотоприемником 4, а также либо с входом 8, либо с входом 7. Выход фотоприемника 4 подсоединен либо к инвертирующему входу, либо неинвертирующему входу электронного компаратора 9. Выход электронного компаратора 9 соединен с управляющими электродами 10 и 11 двух световодных Х-образных ответствителей, объединенных общим выходом 14 и составляющих световодную коммутационную схему, обозначенную черными жирными линиями. Первый из световодных Х-образных ответвителей, составляющих световодную коммутационную схему, включает в себя входы 5 и 6, выход 12 и общий выход 14, управляющий электрод 10. Второй из световодных Х-образных ответвителей, составляющих световодную коммутационную схему, включает в себя входы 7 и 8, выход 13 и общий выход 14, управляющий электрод 11, при этом оба световодных Х-образных ответвителя имеют общий выход 14, являющийся выходным устройством всего логического устройства и представляющий собой световодный Y-образный ответвитель. In FIG. 1 shows a device in which the optical coupling between the inputs of the light guide X-shaped couplers and the photodetectors is made by the beam splitting elements 1 and 2 located in front of the inputs of the light guide X-shaped couplers 5-8. The inputs 5-8 of the light guide X-shaped couplers are the initial sections from the ends of the light guides to the control electrodes 10 and 11. The beam splitter 1 is optically coupled to the photodetector 3, and also to the input 6 of the light guide X-shaped coupler, or to the input 5. Photodetector output 3 is connected either to a non-inverting or to an inverting input of an electronic comparator 9 made on an operational amplifier. The beam splitter 2 is optically coupled to the photodetector 4, as well as to either the input 8 or the input 7. The output of the photodetector 4 is connected either to the inverting input or to the non-inverting input of the electronic comparator 9. The output of the electronic comparator 9 is connected to the control electrodes 10 and 11 of the two light guide X-shaped detectors, combined by a common output 14 and constituting a light guide circuit, indicated by black bold lines. The first of the light guide X-shaped couplers constituting the light guide switching circuit includes inputs 5 and 6, the output 12 and the common output 14, the control electrode 10. The second of the light guide X-shaped couplers constituting the light guide switching circuit includes inputs 7 and 8, output 13 and common output 14, control electrode 11, while both light guide X-shaped couplers have a common output 14, which is the output device of the entire logic device and is a light guide Y-shaped coupler.

На фиг. 2 представлен более компактный способ исполнения оптической связи между входами световодных Х-образных ответвителей и фотоприемниками, который целесообразно использовать в ряде случаев. Фотоприемники 3 и 4, оптически связанные с входами световодных Х-образных ответвителей, выполнены в этом случаев в виде интегральных узлов, объединяющих фотоприемники и входы световодных Х-образных ответвителей. Светоделительные элементы 1 и 2 в данном варианте исполнения оптической связи отсутствуют. При этом неизменными являются соединения фотоприемников 3 и 4 с электронным компаратором 9, электронного компаратора 9 с управляющими электродами 10 и 11, а также исполнение световодных Х-образных ответвителей. Объединение световодных Х-образных ответвителей в общий выход 14, как и в первом варианте исполнения оптической связи, реализуется в виде световодного Y-образного ответвителя. Принцип действия и реализуемые функции заявляемого устройства при этом не меняются. In FIG. Figure 2 shows a more compact way of performing optical communication between the inputs of the light guide X-shaped couplers and photodetectors, which is advisable to use in some cases. The photodetectors 3 and 4, optically coupled to the inputs of the light guide X-shaped couplers, are made in this case in the form of integrated units combining the photodetectors and the inputs of the light guide X-shaped couplers. There are no beam splitting elements 1 and 2 in this embodiment of the optical communication. At the same time, the connections of photodetectors 3 and 4 with the electronic comparator 9, the electronic comparator 9 with the control electrodes 10 and 11, as well as the design of the light guide X-shaped couplers are unchanged. The combination of the light guide X-shaped couplers into a common output 14, as in the first embodiment of the optical communication, is implemented as a light guide Y-shaped coupler. The principle of operation and the implemented functions of the claimed device does not change.

Третий способ исполнения оптической связи заключается в том, что сверху на входах 6 и 8 или 5 и 7 световодных Х-образных ответвителей изготавливаются стандартные дифракционные элементы, не показанные на фиг. 2, но оптически связанные с фотоприемниками 3 и 4, установленными над входами 6, 8 или 5, 7. Соединение остальных элементов аналогично двум указанным выше вариантам исполнения оптической связи между входами световодных Х-образных ответвителей и фотоприемниками. A third way of performing optical communication is that on top of the inputs 6 and 8 or 5 and 7 of the light guide X-shaped couplers, standard diffraction elements are produced, not shown in FIG. 2, but optically coupled to photodetectors 3 and 4 mounted above the inputs 6, 8, or 5, 7. The connection of the remaining elements is similar to the two optical communication options described above between the inputs of the light guide X-shaped couplers and photodetectors.

Три перечисленных выше способа исполнения оптической связи в световодной коммутационной схеме существенно не изменяют функций и принципов действия заявляемого устройства, однако влияют на величины коэффициента объединения по входам, процедуру юстировки оптической части схемы, а также на стоимость изготовления устройства. Соответственно выбор того или иного способа исполнения оптической связи производится в зависимости от условий конкретной задачи. Three of the above methods for the implementation of optical communication in a fiber-optic switching circuit do not significantly change the functions and principles of operation of the inventive device, however, they affect the values of the input coupling coefficient, the alignment procedure of the optical part of the circuit, and also the cost of manufacturing the device. Accordingly, the choice of one or another method of performing optical communication is made depending on the conditions of a particular task.

Общий принцип работы настоящего устройства состоит в следующем. В случае реализации операции МАХIMUM устройство выводит на выход устройства наибольший по интенсивности из сигналов, подаваемых на входы. В случае реализации операции МINIMUM устройство выводит на выход наименьший по интенсивности из сигналов, подаваемых на входы. В основе устройства использованы свойства световодного Х-образного ответвителя, представляющего собой два близко расположенных оптических волновода или отрезка волокна, связь между которыми регулируется подачей напряжения на управляющий электрод. Соединение двух световодных Х-образных ответвителей в световодную коммутационную схему с общим выходом позволяет выводить на общий выход устройства либо один, либо другой из оптических сигналов, подаваемых на входы, в зависимости от их логического уровня. Сравнение логических уровней входных сигналов и соответствующее переключение световодной коммутационной схемы осуществляются электронным компаратором, производящим сравнение амплитуд электрических сигналов. При этом часть интенсивности обоих оптических сигналов преобразуется в электрические сигналы с помощью фотоприемников. The general principle of operation of this device is as follows. In the case of the implementation of operation MAXIMUM, the device outputs to the output of the device the highest in intensity of the signals supplied to the inputs. In the case of the MINIMUM operation, the device outputs the lowest in intensity of the signals supplied to the inputs. The device is based on the properties of a light guide X-shaped coupler, which is two closely spaced optical waveguides or fiber segments, the connection between which is regulated by supplying voltage to the control electrode. The connection of two fiber-optic X-shaped couplers into a fiber-optic switching circuit with a common output allows to output either one or the other of the optical signals supplied to the inputs to the device’s common output, depending on their logical level. Comparison of the logical levels of the input signals and the corresponding switching of the fiber-optic switching circuit are carried out by an electronic comparator that compares the amplitudes of the electrical signals. In this case, part of the intensity of both optical signals is converted into electrical signals using photodetectors.

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1). Информационные сигналы I1 и I2 вводятся либо во входы 6 и 8, либо во входы 5 и 7 световодных Х-образных ответвителей. Для сравнения логических уровней сигналов светоделительные элементы 1 и 2 направляют часть интенсивности информационных сигналов I1 и I2 на фотоприемники 3 и 4 соответственно. Сигналы с фотоприемников 3 и 4 подаются на неинвертирующий и инвертирующий входы электронного компаратора 9, производящего сравнение входных напряжений, поступающих с выхода фотоприемников 3 и 4. Подача управляющего напряжения на управляющие электроды 10 и 11 осуществляется с выхода электронного компаратора 9, имеющего двухуровневый выходной сигнал. В зависимости от соотношения напряжений, подаваемых на инвертирующий и неинвентирующий входы электронного компаратора 9, на его выходе возникает либо напряжение +U, либо напряжение -U. Если сигнал на неинвертирующем входе компаратора 9 больше по величине, чем сигнал на инвертирующем входе компаратора 9, то выходное напряжение компаратора составит +U. Если сигнал на неинвертирующем входе компаратора 9, меньше по величине, чем сигнал на инвертирующем входе, то выходной сигнал компаратора составит величину -U. В случае наиболее известных волноводных структур на LiNbO₃, напряжению +U должно соответствовать напряжение +5 В, напряжению -U должно соответствовать напряжение 0 В, что соответствует стандартным режимам эксплуатации микросхем.The device operates as follows (see Fig. 1). Information signals I1 and I2 are introduced either into the inputs 6 and 8, or into the inputs 5 and 7 of the light guide X-shaped couplers. To compare the logical levels of the signals, the beam splitting elements 1 and 2 direct part of the intensity of the information signals I1 and I2 to the photodetectors 3 and 4, respectively. The signals from photodetectors 3 and 4 are fed to the non-inverting and inverting inputs of the electronic comparator 9, which compares the input voltages coming from the output of the photodetectors 3 and 4. The control voltage is supplied to the control electrodes 10 and 11 from the output of the electronic comparator 9, which has a two-level output signal. Depending on the ratio of the voltages supplied to the inverting and non-inverting inputs of the electronic comparator 9, either voltage + U or voltage -U appears at its output. If the signal at the non-inverting input of the comparator 9 is larger in magnitude than the signal at the inverting input of the comparator 9, then the output voltage of the comparator will be + U. If the signal at the non-inverting input of the comparator 9 is smaller in magnitude than the signal at the inverting input, the output signal of the comparator will be -U. In the case of the most well-known waveguide structures on LiNbO ₃ , the voltage + U must correspond to a voltage of +5 V, the voltage -U must correspond to a voltage of 0 V, which corresponds to standard operating modes of microcircuits.

Для других материалов напряжения могут составлять другие величины и их следует подбирать так, чтобы обеспечить 100%-ную связь между световодами, или полное отсутствие связи между близкорасположенными световодами в световодном Х-образном ответвителе. При подаче с электронного компаратора 9 на управляющий электрод 10 напряжения -U между участком световода, показанным жирной черной линией на фиг. 1 и соединяющим вход 5 и выход 12, и между участком световода (обозначенным такой же жирной линией), соединяющим вход 6 и общий выход 14, имеется связь, в результате чего свет, запущенный во вход 6, выйдет в выход 12, не попадая при этом в общий выход 14, и наоборот, свет, запущенный во вход 5, выйдет в общий выход 14, не попадая в выход 12. Аналогично при подаче -U на управляющий электрод 11 свет, запущенный во вход 8, выйдет в общий выход 14, не попадая в выход 13, и наоборот, свет, поданный во вход 7, выйдет на выход 13, не попадая на общий выход 14. For other materials, the voltages can be other values and should be selected so as to ensure 100% coupling between the optical fibers, or the complete absence of coupling between the adjacent optical fibers in the X-shaped light guide. When a voltage -U is applied from the electronic comparator 9 to the control electrode 10 between a portion of the light guide shown in bold black line in FIG. 1 and connecting the input 5 and the output 12, and between the portion of the fiber (indicated by the same bold line) connecting the input 6 and the common output 14, there is a connection, as a result of which the light launched into the input 6 will exit to the output 12, without getting this to the common output 14, and vice versa, the light launched into the input 5, will go out to the common output 14, without going to the output 12. Similarly, when -U is applied to the control electrode 11, the light launched into the input 8 will go out to the common output 14, without entering output 13, and vice versa, the light supplied to input 7 will exit to output 13, without entering general output 14.

Если с входа электронного компаратора 9 подается сигнал +U, то связь между светводами в световодных Х-образных ответвителях будет нарушена и свет, поданный на вход 6, выйдет на общий выход 14, не попадая на выход 12. Аналогично в этом же случае свет, поданный на вход 8, выйдет на выход 13, не попадая на общий выход 14. Таким образом коммутация оптического сигнала в схеме осуществляется двухуровневым выходным сигналом электронного компаратора, выполняющим в данном случае функции электронного устройства сравнения амплитуд двух электрических сигналов. If the signal + U is supplied from the input of the electronic comparator 9, then the connection between the light guides in the X-shaped light guide tubes will be disrupted and the light fed to the input 6 will go to the common output 14, without going to the output 12. Similarly, in the same case, the light applied to input 8, will be output 13 without reaching general output 14. Thus, the optical signal in the circuit is switched by a two-level output signal of the electronic comparator, which in this case functions as an electronic device for comparing the amplitudes of two electric signals in.

Логическая операция МАХIMUM реализуется в случае, если сигнал с фотоприемника 3 подается на неинвертирующий вход компаратора, а сигнал с фотоприемника 4 подается на инвертирующий вход сигнал I1 подается на вход 6, сигнал I2 подается на вход 8. Если величина сигнала I1 больше величины I2, то на выходе электронного компаратора 9 возникает большее напряжение +U. Данное напряжение +U подается одновременно на управляющие электроды 10 и 11 обоих ответвителей. При этом величина +U соответствует напряжению, нарушающему связь между участком световода, соединяющим вход 5 и выход 12, и участком световода, соединяющим вход 6 и общим выходом 14 в первом из световодных Х-образных ответвителей; при этом также будет нарушена связь между участком световода, соединяющим вход 7 и общий выход 14, и участком световода, соединяющим вход 7 и общий выход 14, и участком световода, соединяющим вход 8 и выход 13 во втором световодном Х-образном ответвителе. В этом случае сигнал I1 (за исключением потерь) от входа 6 передается на общий выход логического устройства 14. Соответственно сигнал I2 (за исключением потерь) не может перейти в участок световода, соединяющий вход 7 и общий выход 14, и распространяется на выход 14, и распространяется на выход 13. В случае, если сигнал I1 меньше сигнала I2, то при неизменном подключении входов электронного компаратора к фотоприемникам на выходе электронного компаратора 9 напряжение составит меньшее значение -U из двух возможных значений +U и -U, что создаст связь между световодом, соединяющим вход 5 с выходом 12, и световодом, соединяющим вход 6 и общий выход 14, а также между участком световода, соединяющим вход 7 с общим выходом 14, и участком, соединяющим вход 8 с выходом 13. В этом случае больший по величине сигнал I2 будет (с учетом потерь) перекачиваться с входа 8 на общий выход 14. В то же самое время меньший сигнал I1 перекачивается с входа 6 на выход 12. Таким образом на общий выход 14 выводится больший из двух сигналов, что реализует операцию МАХIMUM. The logical operation MAXIMUM is implemented if the signal from photodetector 3 is fed to the non-inverting input of the comparator, and the signal from photodetector 4 is fed to the inverting input, signal I1 is fed to input 6, signal I2 is fed to input 8. If the value of signal I1 is greater than I2, then the output of the electronic comparator 9 there is a greater voltage + U. This voltage + U is applied simultaneously to the control electrodes 10 and 11 of both taps. In this case, the value + U corresponds to the voltage disrupting the connection between the fiber section connecting the input 5 and the output 12, and the fiber section connecting the input 6 and the common output 14 in the first of the light guide X-shaped couplers; in this case, the connection between the fiber section connecting the input 7 and the common output 14 and the fiber section connecting the input 7 and the common output 14 and the fiber section connecting the input 8 and output 13 in the second light guide X-shaped coupler will also be broken. In this case, the signal I1 (with the exception of losses) from the input 6 is transmitted to the common output of the logical device 14. Accordingly, the signal I2 (with the exception of losses) cannot pass to the section of the fiber connecting the input 7 and the common output 14, and is distributed to the output 14, and extends to output 13. If the signal I1 is less than the signal I2, then with the inputs of the electronic comparator connected to the photodetectors at the output of the electronic comparator 9, the voltage will be the lower value -U of the two possible values + U and -U, which will create a connection between with a fiber guide connecting input 5 to output 12, and a light guide connecting input 6 and a common output 14, as well as between a section of a fiber connecting input 7 to a common output 14, and a section connecting input 8 to output 13. In this case, a larger signal I2 will be (taking into account losses) pumped from input 8 to general output 14. At the same time, the smaller signal I1 is pumped from input 6 to output 12. Thus, the larger of the two signals is output to common output 14, which implements the MAXIMUM operation.

Логическая операция MINIMUM осуществляется в том, случае, если фотоприемник 3 подключен к неинвертирующему входу электронного компаратора 9, а фотоприемник 4 подключен к инвертирующему входу электронного компаратора 9, как и в случае вентиля МАХIMUM, однако сигналв I1 и I2 подаются на входы 5 и 7 соответственно, а входы 6 и 8 не используются. Если сигнал I1 больше сигнала I2, то на выходе электронного компаратора 9 возникает напряжение +U, нарушающее связь между световодами в световодных Х-образных ответвителях, и сигнал I1 с входа 7 передается на общий выход 14. При этом сигнал на выходе 13 отсутствует. Если сигнал I1 меньше I2, то на выходе компаратора 9, а соответственно и на управляющих электродах 10 и 11, возникает меньшее напряжение -U из двух возможных значений. В этом случае существует связь между световодами в световодных Х-образных ответвителях, и сигнал I1 с входа 5 передается на общий выход 14, но не перекачивается на выход 12. Напротив, сигнал I2, подаваемый на вход 7, перекачивается на выход 13, но не передается на общий выход 14. Таким образом, на общем выходе устройства 14 возникает меньший из сигналов, то есть I1. The logical MINIMUM operation is carried out if the photodetector 3 is connected to the non-inverting input of the electronic comparator 9, and the photodetector 4 is connected to the inverting input of the electronic comparator 9, as in the case of the MAXIMUM valve, however, the signals in I1 and I2 are applied to inputs 5 and 7, respectively , and inputs 6 and 8 are not used. If the signal I1 is greater than the signal I2, then the voltage + U appears at the output of the electronic comparator 9, breaking the connection between the optical fibers in the X-shaped light guide, and the signal I1 from input 7 is transmitted to the common output 14. There is no signal at the output 13. If the signal I1 is less than I2, then at the output of the comparator 9, and, accordingly, at the control electrodes 10 and 11, a lower voltage -U of two possible values occurs. In this case, there is a connection between the optical fibers in the X-shaped optical waveguides, and the signal I1 from input 5 is transmitted to the common output 14, but is not transferred to output 12. On the contrary, the signal I2 supplied to input 7 is transferred to output 13, but not transmitted to the common output 14. Thus, on the common output of the device 14, the smaller of the signals, that is, I1, occurs.

Операция МАХIMUM реализуется в том случае, если сигнал I1 подается на вход 5, а сигнал I2 подается на вход 7, сигнал с фотоприемника 3 подается на инвертирующий вход электронного компаратора 9, а сигнал с фотоприемника 4 подается на неинвертирующий вход электронного компаратора 9. В случае, если I1 больше I2, на выходе электронного компаратора 9 будет создаваться напряжение -U, что создаст связь между участком световода, соединяющим вход 5 и выход 12, а также участком, соединяющим вход 6 с общим выходом 14. Во втором световодном Х-образном ответвителе также возникает связь между световодом, соединяющим вход 7 с общим выходом 14, и участком, соединяющим вход 8 с выходом 13. В последнем случае меньший сигнал I2 выходит на выход 12, а больший сигнал I1 выводится на общий выход 14. Если сигнал I1 меньше I2, то на выходе электронного компаратора напряжение составит +U, что нарушит связь в световодных Х-образных ответвителях. Соответственно на общий выход 14 будет выведен больший сигнал I2 с входа 7. The MAXIMUM operation is implemented if the signal I1 is fed to input 5 and the signal I2 is fed to input 7, the signal from photodetector 3 is fed to the inverting input of the electronic comparator 9, and the signal from photodetector 4 is fed to the non-inverting input of the electronic comparator 9. In , if I1 is greater than I2, the voltage -U will be generated at the output of the electronic comparator 9, which will create a connection between the fiber section connecting the input 5 and the output 12, as well as the section connecting the input 6 to the common output 14. In the second light guide X-shaped coupler also there is a connection between the optical fiber connecting input 7 to a common output 14 and the section connecting input 8 to output 13. In the latter case, a smaller signal I2 goes to output 12, and a larger signal I1 is output to common output 14. If signal I1 is less than I2, then the voltage at the output of the electronic comparator will be + U, which will interfere with the communication in the X-shaped optical fiber couplers. Accordingly, a larger signal I2 from input 7 will be output to the common output 14.

Логическая операция МINIMUM осуществляется в том, случае, если сигнал с фотоприемника 3 подается на инвертирующий вход электронного компаратора 9, а сигнал с фотоприемника 4 подается на неинвертирующий вход электронного компаратора 9, но сигналы I1 и I2 подаются на пару входов 6 и 8 соответственно. В случае, если I1 больше I2, на выходе электронного компаратора 9 будет создаваться напряжение -U, что создаст связь между участком световода, соединяющим вход 5 и выход 12, а также участком, соединяющим вход 6 с общим выходом 14. Во втором световодном Х-образном ответвителе также возникает связь между световодом, соединяющим вход 7 с общим выходом 14, и участком, соединяющим вход 8 с выходом 13. В указанном случае больший сигнал I1 выводится на выход 12, а меньший сигнал I2 выводится на общий выход 14. Если сигнал I1 меньше I2, то на выходе электронного компаратора 9 напряжение составит величину +U, что нарушит связь в световодных Х-образных ответвителях. Соответственно меньший из сигналов I1 будет с входа 6 выведен на общий выход 14. The logical MINIMUM operation is carried out if the signal from the photodetector 3 is fed to the inverting input of the electronic comparator 9, and the signal from the photodetector 4 is fed to the non-inverting input of the electronic comparator 9, but the signals I1 and I2 are supplied to the pair of inputs 6 and 8, respectively. If I1 is greater than I2, the voltage -U will be generated at the output of the electronic comparator 9, which will create a connection between the fiber section connecting the input 5 and the output 12, as well as the section connecting the input 6 to the common output 14. In the second optical fiber X- In the case of a shaped coupler, there is also a connection between the optical fiber connecting input 7 to a common output 14 and the section connecting input 8 to output 13. In this case, a larger signal I1 is output 12, and a smaller signal I2 is output 14. If signal I1 less than I2, then the output of the electronic compar of the torus 9, the voltage will be + U, which will disrupt the connection in the X-shaped light guide. Accordingly, the smaller of the signals I1 will be output from input 6 to the common output 14.

Достоинством предлагаемой схемы является то, что выбор операции MAXIMUM MINIMUM осуществляется не только выбором пар входов 6 и 8 или 5 и 7 для ввода оптического сигнала, то и переключением инвертирующего и неинвертирующего входом компаратора 9 относительно выходов фотоприемников 3 и 4. The advantage of the proposed scheme is that the choice of the MAXIMUM MINIMUM operation is carried out not only by the choice of pairs of inputs 6 and 8 or 5 and 7 for the input of the optical signal, but also by switching the inverting and non-inverting input of the comparator 9 relative to the outputs of the photodetectors 3 and 4.

В случае исполнения оптической связи между фотоприемниками и входами световодных Х-образных ответвителей за счет изготовления дифракуционных элементов на входах световодных Х-образных ответвителей или изготовления фотоприемников в интегральных узлах с входами световодных Х-образных ответвителей, способ ввода оптических информационных сигналов в устройство показан на фиг. 2. Сигналы I1 и I2 вводятся непосредственно во входы 6 и 8 или 5 и 7 световодных Х-образных ответвителей. In the case of optical communication between the photodetectors and the inputs of the light guide X-shaped couplers due to the manufacture of diffraction elements at the inputs of the light guide X-shaped couplers or the manufacture of photodetectors in integrated nodes with the inputs of the light guide X-shaped couplers, the method of inputting optical information signals to the device is shown in FIG. . 2. Signals I1 and I2 are input directly to the inputs 6 and 8 or 5 and 7 of the light guide X-shaped couplers.

В случае использования дифракционных элементов, изготовленных на входах световодных Х-образных ответвителей, часть интенсивности сигналов направляюется на фотоприемники 3 и 4, размещенные над входами 6 и 8 или 5 и 7, и, соответственно, над дифракционными элементами. Коммутация остальных элементов и принцип работы при этом не меняются. In the case of using diffraction elements manufactured at the inputs of X-ray fiber optic guides, part of the signal intensity is sent to photodetectors 3 and 4, located above the inputs 6 and 8 or 5 and 7, and, respectively, above the diffraction elements. The switching of the remaining elements and the principle of operation do not change.

В случае использования интегрального исполнения фотоприемников 3, 4 и входов световодных Х-образных ответвителей 6, 8 или 5, 7 эти элементы граничат друг с другом и оптическая связь осуществляется за счет того, что электромагнитное поле световой волны, распространяющейся в световоде, оказывается отличным от нуля на некотором небольшом расстоянии вглубь фотоприемника. При этом конкретное исполнение световода и конструкция фотоприемника подбираются так, чтобы подобрать определенным образом характер затухания электромагнитного поля световой волны на границе световод-фотоприемник, что определяется прежде всего диэлектрическими проницаемостями материалов. При этом фотоприемник, относимый к разряду поверхностно-чувствительных, регистрирует электромагнитное поле так называемой затухающей части ("хвоста") световой электромагнитной волны. In the case of using the integrated design of the photodetectors 3, 4 and the inputs of the light guide X-shaped couplers 6, 8 or 5, 7, these elements are adjacent to each other and the optical connection is due to the fact that the electromagnetic field of the light wave propagating in the light guide is different from zero at some small distance deep into the photodetector. In this case, the specific design of the fiber and the design of the photodetector are selected so as to select in a certain way the nature of the attenuation of the electromagnetic field of the light wave at the interface between the fiber and the photodetector, which is determined primarily by the dielectric constant of the materials. In this case, the photodetector, classified as surface-sensitive, registers the electromagnetic field of the so-called damped part (“tail”) of the light electromagnetic wave.

Первый из указанных выше способов исполнения оптической связи между фотоприемниками и входами световодных Х-образных ответвителей наиболее удобен для реализации в волоконном варианте, где световодная коммутационная схема представляет собой соответствующим образом спаянные волоконные Х-образные ответвители, а единственное условие, накладываемое на конструкцию светоделительных элементов, заключается в обеспечении отвода на фотоприемники необходимой части интенсивности информационных оптических сигналов, передаваемых со светоделительных элементов на входы волоконных Х-образных ответвителей. The first of the above methods for performing optical communication between the photodetectors and the inputs of the fiber-optic X-shaped couplers is most convenient for implementation in the fiber version, where the fiber-optic switching circuit is suitably soldered fiber X-shaped couplers, and the only condition imposed on the design of the beam splitting elements consists in providing the necessary part of the intensity of information optical signals transmitted from the beam splitter to the photodetectors -negative elements to the inputs of the X-shaped fiber couplers.

Второй способ исполнения оптической связи, требующий изготовления дифракционных элементов на световодах, наиболее целесообразен в случае изготовления заявляемого устройства на основе планарных волноводов на кремнии или LiNbO3, поскольку способы травления дифракционных решеток сверху на планарных волноводах хорошо известны. The second method of optical communication, which requires the manufacture of diffraction elements on optical fibers, is most appropriate in the case of manufacturing the inventive device based on planar waveguides on silicon or LiNbO3, since methods of etching diffraction gratings from above on planar waveguides are well known.

Третий способ исполнения оптической связи, использующий интегральное исполнение фотоприемников и световодных Х-образных ответвителей, наиболее оправдан для реализации интегрального варианта реализации всего логического устройства, в котором все элементы, включая оптическую коммутационную схему, электронный компаратор и фотоприемники, целесообразно изготовить в интегральном исполнении на одном чипе. The third way of performing optical communication, using the integrated design of photodetectors and X-shaped light guide tubes, is most justified for implementing an integrated embodiment of the entire logic device, in which it is advisable to produce all elements, including the optical switching circuit, electronic comparator and photodetectors, on one the chip.

Для всех трех способов исполнения оптической связи в устройстве не имеется ограничений на конкретное исполнение устройств фокусировки света на входы световодов, а также на конкретный вид светоделительных и дифракционных элементов. Для конкретного применения следует выбрать необходимую длину волны и диапазон интенсивности световых сигналов, согласно которым осуществляется выбор вида световода и марки волокна или волновода, а также фотоприемников и марки электронного компаратора, представляющего собой интегральную микросхему, например, типа 553СА1. Подбор параметров светоделительных и дифракционных элементов осуществляется с целью минимизации потерь интенсивности сигналов в устройстве. For all three methods of optical communication, the device has no restrictions on the specific design of the light focusing devices at the inputs of the optical fibers, as well as on the specific type of beam splitting and diffraction elements. For a specific application, the necessary wavelength and intensity range of the light signals should be selected, according to which the type of fiber and the type of fiber or waveguide are selected, as well as photodetectors and the brand of the electronic comparator, which is an integrated circuit, for example, type 553CA1. The selection of the parameters of the beam splitting and diffraction elements is carried out in order to minimize the loss of signal intensity in the device.

Для реализации настоящего устройства могут быть использованы стандартные оптические и микроэлектронные изделия и технологические процессы, включая создание оптических волноводов на чипах из LiNbO₃ или Si.To implement this device, standard optical and microelectronic products and technological processes can be used, including the creation of optical waveguides based on LiNbO ₃ or Si chips.

Устройство способно реализовать операции МАХIMUM MINIMUM не только в устройствах непрерывной логики, где оптические сигналы непрерывно подаются на входы, но и в режиме устройства многозначной логики, где на входы подаются импульсные сигналы, амплитуда которых определяет логический уровень сигнала. Поскольку быстродействие фотоприемников, электронного компаратора и световодных Х-образных ответвителей ограничено, то в последнем случае длительность подаваемых импульсов должна быть выбрана большей, чем времена срабатывания указанных оптоэлектронных и электронных элементов. В целом конструкция устройства не накладывает каких-либо ограничений на паметры используемых компонентов и их подбор осуществляется из числа промышленно освоенных микроэлектронных и оптоэлектронных изделий с учетом конкретных практических задач. The device is able to implement MAXIMUM MINIMUM operations not only in continuous logic devices, where optical signals are continuously fed to the inputs, but also in a multi-valued logic device mode, where pulsed signals are fed to the inputs, the amplitude of which determines the logical level of the signal. Since the speed of photodetectors, an electronic comparator, and X-shaped light guide tubes is limited, in the latter case, the duration of the supplied pulses should be chosen longer than the response times of the indicated optoelectronic and electronic elements. In general, the design of the device does not impose any restrictions on the parameters of the components used and their selection is carried out from among industrially developed microelectronic and optoelectronic products, taking into account specific practical problems.

Устройство может быть использовано в оптоэлектронных вычислительных устройствах, работающих на принципах неперывной и многозначной логики, позволяет повысить производительность оптических вычислений за счет использования более сложных видов логических функций, чем это делается в известных оптоэлектронных устройствах, предназначено для реализации новых способов аналого-цифрового преобразования, решения ряда задач неточных вычислений и нечеткого управления. The device can be used in optoelectronic computing devices that operate on the principles of continuous and multi-valued logic, can improve the performance of optical calculations by using more complex types of logical functions than is done in known optoelectronic devices, is designed to implement new methods of analog-to-digital conversion, solutions a number of problems of inaccurate calculations and fuzzy control.

Claims

1. LOGIC DEVICE IMPLEMENTING THE OPERATIONS MAXIMUM & MINIMUM comprising an input device, an electronic device for comparing signal amplitudes and an output device, characterized in that the input device is made in the form of an optical fiber guide circuit comprising two light guide x-shaped couplers with control electrodes and two photodetectors , each of which is optically connected to one of the inputs of the corresponding x-shaped coupler, the electronic comparison device is made in the form of an electronic comparator with uhurovnevym output signal, the output of one of photodetectors connected to the inverting and the other output of the photodetector with the non-inverting inputs of the comparator, the comparator output is connected to the control electrodes of both X-shaped couplers, and the output device is a waveguide

-shaped coupler formed by two combined outputs of x-shaped couplers.

2. The device according to claim 1, characterized in that the photodetectors are optically coupled to the inputs of the x-shaped couplers by means of beam splitting elements installed in front of the inputs of the x-shaped couplers.

3. The device according to claim 1, characterized in that the photodetectors are optically coupled to the inputs of the x-shaped couplers by means of diffraction elements located at the inputs of the x-shaped couplers.

4. The device according to claim 1, characterized in that the optical communication between the inputs of the light guide x-shaped couplers and photodetectors is made in the form of integrated nodes.