RU2119182C1

RU2119182C1 - Optical analog-to-digital converter

Info

Publication number: RU2119182C1
Application number: RU96109274A
Authority: RU
Inventors: С.В. Соколов
Original assignee: Ростовское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск им.Гл.маршала Неделина М.И.
Priority date: 1996-05-05
Filing date: 1996-05-05
Publication date: 1998-09-20

Abstract

FIELD: computer engineering, design of computer systems. SUBSTANCE: optical analog-to-digital converter incorporates radiation source, splitters with branchings, couplers, optical bistable elements and optical comparator. EFFECT: increased speed of action of converter. 2 dwg

Description

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании чисто оптических устройств обработки информации и вычислительной техники. The invention relates to specialized computing and can be used to create purely optical information processing devices and computers.

Известны различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), обеспечивающие преобразование аналогового сигнала в двоичный код, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983]. Недостатками данных АЦП являются низкое быстродействие, уменьшающееся с ростом разрядности АЦП, и большая сложность. There are various analog-to-digital converters (ADCs) that provide the conversion of an analog signal into a binary code, based on the use of electronic functional elements [U. Titz, C. Schenck. Semiconductor circuitry. - M.: Mir, 1983]. The disadvantages of these ADCs are low speed, decreasing with increasing ADC capacity, and greater complexity.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является АЦП на основе волноводных модуляторов типа Маха-Цендера [Семенов А. С. и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М. : Радио и связь, 1990. - 176 с., рис. 7, 6], содержащий источник опорного излучения, входной оптический разветвитель, оптические бистабильные элементы (волноводные модуляторы Маха-Цендера) и обеспечивающий преобразование электрического входного сигнала в код Грея. Недостатками данного АЦП являются: невозможность обеспечения аналого-цифрового преобразования оптических сигналов; невозможность преобразования входного аналогового сигнала в стандартный двоичный код, низкое общее быстродействие АЦП, обусловленное необходимостью использования в оконечном каскаде электронных элементов (фотодетектор, усилитель, компаратор) с суммарным временем срабатывания ≥10^-6 с.The closest in technical execution to the proposed device is an ADC based on waveguide modulators of the Mach-Zehnder type [Semenov A. S. et al. Integrated optics for transmission and information processing systems. - M.: Radio and communications, 1990. - 176 p., Fig. 7, 6], containing a reference radiation source, an input optical splitter, optical bistable elements (Mach-Zehnder waveguide modulators) and providing the conversion of the electrical input signal into a Gray code. The disadvantages of this ADC are: the inability to provide analog-to-digital conversion of optical signals; the impossibility of converting the input analog signal to a standard binary code, low overall performance of the ADC, due to the need to use electronic elements (photodetector, amplifier, comparator) with a total response time of ≥10 ^-6 s in the terminal stage.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи цифрового преобразования в стандартный двоичный код как электрических, так и оптических аналоговых сигналов, с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации. The claimed invention is aimed at solving the problem of digital conversion to a standard binary code of both electrical and optical analog signals, with a speed that is potentially achievable for purely optical information processing devices.

Поставленная задача возникает при создании быстродействующих устройств обработки информации в системах управления и связи. The problem arises when creating high-speed information processing devices in control and communication systems.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены три группы и два отдельных оптических бистабильных элемента, три группы и отдельные оптические разветвители, четыре группы оптических ответвлений, группа оптических линий задержки и оптический компаратор, содержащий два дефлектора света, коллимирующую линзу, прямоугольную призму и три выходных разветвителя, управляющие входы обоих дефлекторов являются входами компаратора, информационный вход первого дефлектора соединен с источником постоянного коллимированного одномерного светового потока, а выход оптически связан через нижнюю полуплоскость линзы и отражающую грань призмы с верхней полуплоскостью информационного входа второго дефлектора, оптический центр выхода которого оптически связан со входом второго выходного разветвителя, обе полуплоскости выхода - со входами первого и третьего, а выходы выходных разветвителей являются выходами оптического компаратора, выход источника излучения через разветвления входного оптического разветвителя подключен к входам первого и второго оптических бистабильных элементов, прямые выходы которых являются поглощающими, а инверсный выход первого бистабильного элемента подключен к входу оптического разветвителя, представляющего собой разветвление, последовательно попарно делящееся на разветвления, выходы которых подключены к входам бистабильных элементов первой группы, прямые выходы которых являются поглощающими, а инверсные через соответствующие ответвления первой группы подключены к входам бистабильных элементов второй группы, выходы которых через разветвления оптических разветвителей первой группы подключены непосредственно к входу соответствующего выходного ответвления, выход которого является выходом устройства для соответствующего разряда двоичного кода, и первому входу оптического компаратора, а через оптические линии задержки - к входам бистабильных элементов третьей группы (за исключением линии задержки канала нулевого разряда, выход которой через управляющие разветвления подключен к входам первого и второго бистабильных элементов устройства), при этом вход бистабильного элемента канала старшего разряда соединен с инверсным выходом второго бистабильного элемента устройства, прямой выход каждого бистабильного элемента третьей группы через ответвление второй группы подключен к входу бистабильного элемента канала следующего младшего разряда (кроме выхода бистабильного элемента канала первого разряда, подключенного через ответвление второй группы к входу разветвителя третьей группы в канале нулевого разряда), а инверсный выход подключен к входу разветвителя третьей группы этого же канала, выходы разветвлений которого подключены к входам двух бистабильных элементов четвертой группы данного канала, при этом выход первого бистабильного элемента подключен через первое ответвление четвертой группы к входу бистабильного элемента второй группы этого канала, а выход второго бистабильного элемента через второе ответвление - к входу бистабильного элемента первой группы, причем входы всех вторых бистабильных элементов пар четвертой группы соединены с выходами разветвлений второго разветвителя второй группы, вход которого соединен с третьим выходом оптического компаратора, а входы всех первых бистабильных элементов четвертой группы соединены с выходами разветвлений первого разветвителя второй группы, вход которого соединен с первым выходом оптического компаратора. The essence of the invention lies in the fact that three groups and two separate optical bistable elements, three groups and separate optical splitters, four groups of optical branches, a group of optical delay lines and an optical comparator containing two light deflectors, a collimating lens, a rectangular prism and three output splitters, the control inputs of both deflectors are comparator inputs, the information input of the first deflector is connected to a constant collimated one-dimensional source about the luminous flux, and the output is optically coupled through the lower half-plane of the lens and the reflecting face of the prism with the upper half-plane of the information input of the second deflector, the optical output center of which is optically connected to the input of the second output splitter, both output half-planes are connected to the inputs of the first and third, and the outputs of the output splitters are the outputs of the optical comparator, the output of the radiation source through the branches of the input optical splitter is connected to the inputs of the first and second optical bistable elements, the direct outputs of which are absorbing, and the inverse output of the first bistable element is connected to the input of an optical splitter, which is a branching, sequentially dividing in pairs into branches, the outputs of which are connected to the inputs of the bistable elements of the first group, the direct outputs of which are absorbing and inverse through the corresponding the branches of the first group are connected to the inputs of the bistable elements of the second group, the outputs of which through the branches of the optical splitters are not the first groups are connected directly to the input of the corresponding output branch, the output of which is the output of the device for the corresponding discharge of the binary code, and the first input of the optical comparator, and through the optical delay lines to the inputs of the bistable elements of the third group (except for the delay line of the zero discharge channel, the output of which through the control branching connected to the inputs of the first and second bistable elements of the device), while the input of the bistable channel element of the senior discharge with dinene with the inverse output of the second bistable element of the device, the direct output of each bistable element of the third group through the branch of the second group is connected to the input of the bistable channel element of the next low order (except the output of the bistable channel element of the first discharge connected through the branch of the second group to the input of the third group splitter in the channel zero discharge), and the inverse output is connected to the input of the splitter of the third group of the same channel, the branching outputs of which are connected to the input two bistable elements of the fourth group of this channel, the output of the first bistable element connected through the first branch of the fourth group to the input of the bistable element of the second group of this channel, and the output of the second bistable element through the second branch to the input of the bistable element of the first group, the inputs of all second bistable the elements of pairs of the fourth group are connected to the branch outputs of the second splitter of the second group, the input of which is connected to the third output of the optical comparator, inputs of all the first bistable element of the fourth group are connected to outputs of the first branching coupler of the second group, whose input is connected to a first output optical comparator.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где показана функциональная схема АЦП, и фиг. 2, где приведен вариант исполнения функциональной схемы оптического компаратора. The invention is illustrated in FIG. 1, which shows a functional diagram of the ADC, and FIG. 2, where an embodiment of a functional diagram of an optical comparator is shown.

АЦП содержит источник постоянного излучения 1, входной оптический разветвитель с разветвлениями 1₁, 1₂, первый оптический бистабильный элемент (ОБЭ)2, оптический разветвитель 3 с разветвлениями 3₀,...,3_N, три группы ОБЭ по (N + 1) и N элементов в каждой: 4_i0,...4_iN, i = 1, 2, 4₃₁,...,4_3N; первую группу из (N + 1) оптических ответвлений 5₀,...5_N, первую группу из (N + 1) оптических разветвителей 6₀,...,6_N с двумя разветвлениями 6_1i, 6_2i; выходные ответвления 7₀,...,7_N, группу из (N + 1) оптических линий задержки (ОЛЗ) 8₀, . . . , 8_N; оптический компаратор 9, вторую группу оптических разветвителей, состоящую из двух оптических разветвителей 9₁₀, 9₂₀ с (N + 1) разветвлениями в каждом, второй ОБЭ 10, управляющее парное разветвление 11, третью группу из (N + 1) оптических разветвителей 12₀,...,12_N с двумя разветвлениями 12_1i, 12_2i; вторую группу из N оптических ответвлений 13₁,...13_N; четвертую группу из (N + 1) пар ОБЭ 14_i1, 14_i2,

третью группу из (N + 1) пар оптических ответвлений 15_1i, 15_2i,

.The ADC contains a source of constant radiation 1, an input optical splitter with branches 1 ₁ , 1 ₂ , the first optical bistable element (RBE) 2, an optical splitter 3 with branches 3 ₀ , ..., 3 _N , three groups of RBEs according to (N + 1 ) and N elements in each: 4 _i0 , ... 4 _iN , i = 1, 2, 4 ₃₁ , ..., 4 _3N ; the first group of (N + 1) optical branches 5 ₀ , ... 5 _N , the first group of (N + 1) optical splitters 6 ₀ , ..., 6 _N with two branches 6 _1i , 6 _2i ; output branches 7 ₀ , ..., 7 _N , a group of (N + 1) optical delay lines (OLS) 8 ₀ ,. . . , 8 _N ; optical comparator 9, the second group of optical splitters, consisting of two optical splitters 9 ₁₀ , 9 ₂₀ with (N + 1) branches in each, the second RBE 10, the controlling pair branching 11, the third group of (N + 1) optical splitters 12 ₀ , ..., 12 _N with two branches 12 _1i , 12 _2i ; the second group of N optical branches 13 ₁ , ... 13 _N ; the fourth group of (N + 1) RBE pairs 14 _i1 , 14 _i2 ,

the third group of (N + 1) pairs of optical branches 15 _1i , 15 _2i ,

.

В качестве ОБЭ может быть использован, например, трансфазор [Акаев А.А., Майоров С. А. Оптические методы обработки информации. - М: ВШ, 1988] или другое оптическое бистабильное устройство [Семенов А.С., Смирнов В.Л., Шмалько А. В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М.: Радио и связь, 1990. - рис. 7.14, стр. 189], имеющее пороговую или гистерезисную характеристику (там же, стр. 188). При этом под инверсным выходом ОБЭ понимается выход, на котором появляется сигнал при значении уровня входного сигнала меньше порогового, в трансфазоре это выход для отраженного потока, в связанных волноводах - выход входного волновода и т.д. В предложенном устройстве ОБЭ 4_ij

имеют гистерезисную характеристику, ОБЭ 2, 10 и 14_ij (

j = 1, 2) - пороговую.For example, transphase can be used as RBE [Akaev A.A., Mayorov S.A. Optical methods of information processing. - M: VSh, 1988] or other optical bistable device [Semenov AS, Smirnov VL, Shmalko AV Integrated optics for transmission and processing of information. - M .: Radio and communications, 1990. - Fig. 7.14, p. 189] having a threshold or hysteresis characteristic (ibid., P. 188). In this case, the inverse output of the RBE is understood as the output at which the signal appears when the input signal level is less than the threshold, in the transphase it is the output for the reflected flux, in coupled waveguides it is the output of the input waveguide, etc. In the proposed device RBE 4 _ij

have a hysteresis characteristic, RBE 2, 10 and 14 _ij (

j = 1, 2) is the threshold.

ОЛЗ 8_i может быть выполнена в виде оптического волокна постоянной длины L=C•τ_олз, где C - скорость света, τ_олз- требуемое время задержки.OLZ 8 _i can be made in the form of an optical fiber of constant length L = C • τ _olz , where C is the speed of light, τ _olz is the required delay time.

Вариант исполнения функциональной схемы оптического компаратора (ОК) 9 приведен на фиг. 2. ОК содержит первый дефлектор 9₁, коллимирующую линзу 9₂, прямоугольную призму 9₃, второй дефлектор 9₄, три выходных разветвителя 9₅ - 9₇, выходы которых являются выходами ОК.An embodiment of the functional diagram of the optical comparator (OK) 9 is shown in FIG. 2. OK contains the first deflector 9 ₁ , a collimating lens 9 ₂ , a rectangular prism 9 ₃ , the second deflector 9 ₄ , three output splitters 9 ₅ - 9 ₇ , the outputs of which are the outputs of OK.

Дефлекторы могут быть выполнены на основе нелинейно-оптических кристаллов (в этом случае сравниваемые сигналы U, U₁ являются оптическими), использования акусто- или электрооптических эффектов и т.д. На фиг. 2 в качестве варианта исполнения дефлекторов приведена реализация дефлекторов 9₁, 9₄ в виде отражающих дефлекторов, управляемых электрическими сигналами [А.И. Ванюрихин, В.П. Герчановская. Оптико-электронные поляризационные устройства. - Киев: Техника, 1984. - рис. 36, стр. 76].Deflectors can be made on the basis of nonlinear optical crystals (in this case, the compared signals U, U ₁ are optical), the use of acousto-or electro-optical effects, etc. In FIG. 2, as an embodiment of the deflectors, the implementation of the deflectors 9 ₁ , 9 ₄ in the form of reflective deflectors controlled by electrical signals is given [A.I. Vanyurikhin, V.P. Gerchanovskaya. Optoelectronic polarization devices. - Kiev: Technique, 1984. - Fig. 36, p. 76].

Управляющие входы дефлекторов 9₁, 9₄ являются входами ОК для сравниваемых сигналов U₁, U. Информационный вход дефлектора 9₁ соединен с источником коллимированного одномерного (точечного) светового потока I₀, а выход через нижнюю полуплоскость коллимирующей линзы 9₂ и оптически связанную с ней отражающую грань прямоугольной призмы 9₃ связан с верхней полуплоскостью информационного входа дефлектора 9₄. Верхняя полуплоскость выхода дефлектора 9₄ оптически связана с первым выходным разветвителем 9₅, центральная часть выхода - со вторым 9₆, нижняя полуплоскость выхода - с третьим 9₇.The control inputs of the deflectors 9 ₁ , 9 ₄ are the OK inputs for the compared signals U ₁ , U. The information input of the deflector 9 _{1 is} connected to the source of the collimated one-dimensional (point) light flux I ₀ , and the output through the lower half-plane of the collimating lens 9 ₂ and optically connected to the reflecting face of the rectangular prism 9 ₃ is connected with the upper half-plane of the information input of the deflector 9 ₄ . The upper exit half-plane of the deflector 9 _{4 is} optically connected with the first output splitter 9 ₅ , the central part of the output - with the second 9 ₆ , the lower half-plane of the output - with the third 9 ₇ .

Выход источника излучения 1 с помощью разветвлений 1₁, 1₂ входного разветвителя подключен к входам ОБЭ 10 и 2, прямые выходы которых являются поглощающими, а инверсный выход ОБЭ 2 подключен к входу оптического разветвителя 3, представляющего собой оптическое разветвление, последовательно попарно делящееся на (N + 1) разветвлений: 3₀,...,3_N. Выход разветвления 3_i подключен к входу ОБЭ первой группы 4_1i, прямой выход которого является поглощающим, а инверсный подключен к входу ответвления 5_i, выход которого подключен к входу ОБЭ второй группы 4_2i

. Выход ОБЭ 4_2i подключен к входу оптического разветвителя первой группы 6_i, первое разветвление которого 6_1i объединено по выходу с первыми разветвителями 6_1j остальных разветвителей 6_j в разветвление 6, выход которого подключен к первому входу ОК 9. Выход второго разветвления 6_2i через ОЛЗ 8_i подключен к входу ОБЭ 4_3i, прямой выход которого через разветвление 13_i подключен к входу ОБЭ 4_3(i-1) (вход ОБЭ 4_3N соединен с инверсным выходом ОБЭ 10), а инверсный - к входу разветвителя 12_i

(вход разветвителя 12₀ соединен непосредственно с выходом ответвления 13₁). Выходы его первого 12_1i и второго 12_2i разветвлений подключены к входам, соответственно, ОБЭ 14_i1 и 14_i2. Входы всех ОБЭ 14_ij соединены также с выходами соответствующих разветвлений разветвителей 9_i0, j = 1, 2, входы которых соединены с выходами ОК 9, второй вход которого является входом устройства U. Прямой выход ОБЭ 14_i1 через ответвление 15_1i подключен к входу ОБЭ 4_2i, а выход ОБЭ 14_i2 через ответвление 15_2i к входу ОБЭ 4_1i. Выход ОЛЗ 8₀ через управляющее разветвление 11 подключен к входам ОБЭ 2, 10. Выходы ответвлений 7₀, . ..,7_N, входы которых соединены с выходами соответствующих разветвлений 6₁₀,...,6_1N, являются выходами предложенного устройства.The output of radiation source 1 using the branches 1 ₁ , 1 _{2 of the} input splitter is connected to the inputs of the RBE 10 and 2, the direct outputs of which are absorbing, and the inverse output of the RBE 2 is connected to the input of the optical splitter 3, which is an optical branching, sequentially divided in pairs by ( N + 1) branches: 3 ₀ , ..., 3 _N. The branching output 3 _{i is} connected to the input of the RBE of the first group 4 _1i , the direct output of which is absorbing, and the inverse is connected to the input of the branch 5 _i , the output of which is connected to the input of the RBE of the second group 4 _2i

. The output of the RBE 4 _{2i is} connected to the input of the optical splitter of the first group 6 _i , the first branch of which 6 _{1i is} combined in output from the first splitters 6 _{1j of the} remaining splitters 6 _j to branch 6, the output of which is connected to the first input of OK 9. The output of the second branch 6 _2i through OLZ 8 _{i is} connected to the input of RBE 4 _3i , the direct output of which through branching 13 _{i is} connected to the input of RBE 4 _{3 (i-1)} (the input of RBE 4 _{3N is} connected to the inverse output of RBE 10), and the inverse to the input of the splitter 12 _i

(the input of the splitter 12 _{0 is} connected directly to the output of the branch 13 ₁ ). The outputs of its first 12 _1i and second 12 _2i branches are connected to the inputs, respectively, RBE 14 _i1 and 14 _i2 . The inputs of all RBEs 14 _ij are also connected to the outputs of the corresponding branching of the splitters 9 _i0 , j = 1, 2, the inputs of which are connected to the outputs of OK 9, the second input of which is the input of the device U. The direct output of the RBE 14 _{i1 is} connected to the input of the RBE via a branch 15 _1i 4 _2i , and the output of the RBE 14 _i2 through the branch 15 _2i to the input of the RBE 4 _1i . The output OLZ 8 ₀ through the control branch 11 is connected to the inputs of the RBE 2, 10. The outputs of the branches 7 ₀ ,. .., 7 _N , the inputs of which are connected to the outputs of the corresponding branches 6 ₁₀ , ..., 6 _1N , are the outputs of the proposed device.

Устройство, в основу функционирования которого положен принцип поразрядного кодирования аналогового сигнала, работает следующим образом. С выхода источника излучения 1 снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью I, пропорциональной: I = 2^N+1 + K усл(овных) ед(иниц), K - известная константа, который разветвляется на оптические сигналы интенсивности K усл. ед. и 2^N+1 усл. ед., поступающие по разветвлениям 1₁, 1₂ на входы, соответственно, ОБЭ 10 (порог срабатывания которого равен K + E) и ОБЭ 2, порог срабатывания A которого пропорционален: A = 2^N+1 + E, где E - известная величина. Т. к. I<A, то сигнал с выхода источника излучения 1 проходит на инверсный выход ОБЭ 2 (а входной сигнал ОБЭ 10, соответственно, на его инверсный выход) и далее - на вход разветвителя 3. В разветвлениях 3_j разветвителя 3 происходит последовательное попарное деление светового потока I так, что на выходе каждого разветвления 3_j формируется оптический сигнал с интенсивностью 2^j усл. ед., который поступает на вход ОБЭ 4_1j. Величина порога срабатывания ОБЭ 4_1j выбирается равной 2^j + E, E<<2^j, поэтому входной поток интенсивности 2^j усл. ед. проходит на инверсный выход ОБЭ 4_1j и по ответвлению 5_j - на вход ОБЭ 4^2j, порог срабатывания которого равен порогу ОБЭ 4_1j (т.е. без появления дополнительного сигнала с выхода ОБЭ 14_j1 сигнал на прямом выходе ОБЭ 4_2j отсутствует). Таким образом на выходах ОБЭ 4_2j,

в исходном состоянии сформированы нулевые сигналы, которые, суммируясь в разветвлении 6, формируют на первом входе ОК 9 нулевой сигнал U₁. Следовательно, при появлении любого ненулевого сигнала U на втором входе ОК 9, на его первом выходе формируется сигнал-признак "Больше". ОК 9 функционирует при этом следующим образом.The device, which is based on the principle of bitwise coding of an analog signal, operates as follows. A constant optical signal with an intensity I proportional to I: 2 = ^{N + 1} + K srv (units), K is a known constant that branches out into optical signals of intensity K srv. units and 2 ^{N + 1} srvc. units arriving at branches 1 ₁ , 1 ₂ at the inputs, respectively, of RBE 10 (the threshold of which is K + E) and RBE 2, the threshold of which A is proportional: A = 2 ^{N + 1} + E, where E is the known value. Since I <A, the signal from the output of the radiation source 1 passes to the inverse output of the RBE 2 (and the input signal of the RBE 10, respectively, to its inverse output) and then to the input of the splitter 3. In junction 3 _{j of} splitter 3 occurs sequential pairwise division of the luminous flux I so that at the output of each branch 3 _{j an} optical signal with an intensity of 2 ^j conv. units, which is fed to the input of the RBE 4 _1j . The value of the response threshold of RBE 4 _1j is chosen equal to 2 ^j + E, E << 2 ^j , therefore, the input stream of intensity 2 ^j srvc. units passes to the inverse output of the RBE 4 _1j and, through a branch 5 _j , to the input of the RBE 4 ^2j , the threshold of which is equal to the threshold of the RBE 4 _1j (i.e., without the appearance of an additional signal from the output of the RBE 14 _{j1, there is} no signal on the direct output of the RBE 4 _2j ) . Thus, at the outputs of the RBE 4 _2j ,

in the initial state, zero signals are formed, which, summing up in the branching 6, form a zero signal U ₁ at the first input of OK 9. Therefore, when any non-zero signal U appears at the second input of OK 9, a signal-signal “More” is generated at its first output. OK 9 operates in this way as follows.

Сравниваемые по амплитуде сигналы U₁, U поступают на управляющие входы дефлекторов 9₁, 9₄. Коллимированный световой пучок I₀, поступающий на информационный вход дефлектора 9₁, отклоняется на его выходе на угол, пропорциональный величине U₁, и поступает далее в нижнюю полуплоскость линзы 9₂. Расстояние светового потока на выходе линзы 9₂ от ее фокусной оси оказывается в этом случае пропорциональным углу отклонения потока на входе линзы 9₂ и, следовательно, U₁. Выходной поток линзы 9₂, параллельный ее фокусной оси, поступает на отражающую грань призмы 9₃ и далее - на информационный вход дефлектора 9₄. Ориентация призмы 9₃ относительно входа дефлектора 9₄ обеспечивает поступление светового потока с нижней точки линзы 9₂ (т.е. при максимально возможном значении U₁) на верхнюю точку плоскости информационного входа дефлектора 9₄, с центра линзы 9₂ (при U₁ = 0) - на среднюю точку входа дефлектора 9₄. При идентичности характеристик дефлекторов 9₁ и 9₄ (на фиг. 2 они условно показаны в разном масштабе для наглядности иллюстрации принципа действия устройства) поступление выходных сигналов дефлектора 9₁ в верхнюю полуплоскость входа дефлектора 9₄ определяет следующие положения световых потоков на выходе дефлектора 9₄: при U₁>U - в нижней полуплоскости выхода (отклонение луча за счет сигнала U оказывается меньше отклонения за счет U₁), при U₁ = U - в центре выхода (отклонение скомпенсировано), при U>U₁ - в верхней полуплоскости выхода. Оптические сигналы с выхода дефлектора 9₄ поступают на входы разветвлений следующих выходных разветвителей: с верхней полуплоскости выхода - на входы разветвителя 9₅, с центра - на вход 9₆, с нижней полуплоскости - на входы 9₇. Таким образом, оптические сигналы - признаки сравнения снимаются: при U>U₁ - с выхода разветвителя 9₅, при U = U₁ - с выхода 9₆, при U<U₁ - с выхода 9₇.The amplitude-comparable signals U ₁ , U are fed to the control inputs of the deflectors 9 ₁ , 9 ₄ . The collimated light beam I ₀ entering the information input of the deflector 9 ₁ is deflected at its output by an angle proportional to the value of U ₁ and then goes to the lower half-plane of the lens 9 ₂ . The distance of the light flux at the output of the lens 9 ₂ from its focal axis is in this case proportional to the angle of deviation of the flux at the input of the lens 9 ₂ and, therefore, U ₁ . The output stream of the lens 9 ₂ , parallel to its focal axis, enters the reflecting face of the prism 9 ₃ and then to the information input of the deflector 9 ₄ . The orientation of the prism 9 ₃ relative to the input of the deflector 9 ₄ ensures the flow of light from the lower point of the lens 9 ₂ (i.e., at the maximum possible value of U ₁ ) to the upper point of the plane of the information input of the deflector 9 ₄ , from the center of the lens 9 ₂ (at U ₁ = 0) - to the midpoint of the entrance of the deflector 9 ₄ . If the characteristics of the deflectors 9 ₁ and 9 _{4 are} identical (in Fig. 2 they are conventionally shown on a different scale to illustrate the principle of the device), the output signals of the deflector 9 ₁ in the upper half-plane of the input of the deflector 9 ₄ determine the following positions of the light fluxes at the output of the deflector 9 ₄ : for U ₁ > U - in the lower exit half-plane (the beam deviation due to the signal U turns out to be less than the deviation due to U ₁ ), for U ₁ = U - in the center of the exit (the deviation is compensated), for U> U ₁ - in the upper half-plane exit. Optical signals from the output of the deflector 9 ₄ go to the branch inputs of the following output splitters: from the upper half-plane of the output to the inputs of the splitter 9 ₅ , from the center to the input 9 ₆ , from the lower half-plane to the inputs 9 ₇ . Thus, optical signals - signs of comparison are removed: for U> U ₁ - from the output of the splitter 9 ₅ , when U = U ₁ - from the output 9 ₆ , for U <U ₁ - from the output 9 ₇ .

Быстродействие данного ОК определяется, по существу, быстродействием одного дефлектора и при использовании, например, в качестве дефлекторов нелинейно-оптических кристаллов может достигать 10^-12 с. При поступлении с ОК 9 сигнала - признака "Больше", подаваемого по разветвлениям разветвителя 9₁₀ одновременно на входы всех ОБЭ 14_i1, и наличии на выходе ОБЭ 4_2N нулевого сигнала (в исходном состоянии) происходит следующее. На вход ОБЭ 4_3N поступает только постоянный сигнал с инверсного выхода ОБЭ 10, интенсивность которого меньше пороговой интенсивности ОБЭ 4_3N, но достаточна для поддержания существования выходного сигнала ОБЭ после его срабатывания за счет гистерезисного эффекта. Так как интенсивность входного сигнала ОБЭ 4_3N оказывается меньше пороговой, то выходной сигнал появляется на инверсном выходе ОБЭ 4_3N, поступая по разветвлениям 12_1N, 12_2N на входы ОБЭ 14_N1, 14_N2. Интенсивность сигналов на выходе данных разветвлений также меньше пороговой, поэтому срабатывает только ОБЭ 14_N1, на вход которого поступает еще и сигнал с выхода ОК 9. На выходе ОБЭ 14_N1 появляется оптический сигнал, поступающий по ответвлению 15_1N на вход ОБЭ 4_2N и приводящий к срабатыванию последнего. С выхода ОБЭ 4_2N световой поток проступает на вход разветвителя 6_N, где разветвляется следующим образом: световой поток с интенсивностью, пропорциональной 2^N усл. ед. поступает по разветвлению 6_1N на вход ОК 9, а поток с интенсивностью, обеспечивающей срабатывание (совместно с потоком с выхода ОБЭ 10) ОБЭ 4_3N, поступает на вход последнего по разветвлению 6_2N через ОЛЗ 8_N. Время задержки в ОЛЗ 8_i выбирается большим временем срабатывания ОК 9 для обеспечения возможности сравнения сигналов в ОК и выработки результирующих управляющих сигналов на выходах ОБЭ 14_i1, 14_i2 до момента переключения на следующий, (i - 1)-й, канал АЦП. В результате сравнения сигнала U с сигналом интенсивности 2^N усл. ед. на одном из выходов ОК 9 формируется сигнал-признак ">" или "<" - если U больше, то на входе разветвителя 9₁₀, если меньше, то на входе 9₂₀. При этом появление сигнала на входе ОБЭ 14_N1 не изменяет выходного сигнала ОБЭ 4_2N, а появление сигнала на входе ОБЭ 14_N2 (когда U<2^N) приводит к появлению сигнала на его выходе и далее к срабатыванию ОБЭ 4_1N. Тем самым исчезает сигнал на инверсном выходе ОБЭ 4_1N и, следовательно, на выходе ОБЭ 4_2N - сигнал с интенсивностью 2^N усл. ед. исключается из дальнейшего сравнения. Далее задержанный в ОЛЗ 8_N сигнал с выхода ОБЭ 4_2N приводит к срабатыванию ОБЭ 4_3N (сигнал на его инверсном выходе исчезает) - происходит переключение на (N - 1)-й канал АЦП путем подачи постоянного сигнала на вход ОБЭ 4_3(N-1) с выхода ОБЭ 4_3N (существование данного сигнала обеспечивается в течение всего последующего времени преобразования сигналом с выхода ОБЭ 10 и за счет гистерезисного эффекта) и обнуление выходов ОБЭ 14_N1, 14_N2 (дальнейшее существование выходных сигналов ОБЭ 4_1N или 4_2N (в зависимости от исхода сравнения) в течение всего времени преобразования также обеспечивается за счет гистерезисного эффекта). С момента поступления оптического сигнала на вход ОБЭ 4_3(N-1) начинается работа (N-1)-го канала АЦП аналогично изложенному выше для N-го канала (и т.д. до последнего, нулевого, канала, отличие которого от остальных состоит в отсутствии ОБЭ третьей группы в силу того, что данный канал является последним и его переключение совпадает с началом нового цикла работы АЦП). В результате работы j-го канала АЦП на выходе ответвления 6_1j формируется или нулевой сигнал, или сигнал с интенсивностью, пропорциональной 2^j усл. ед. (в зависимости от результата сравнения в ОК 9 суммы сигналов с выходов ответвлений 6_1N,...,6_1j со входным сигналом U). Тем самым окончание работы нулевого канала - формирование соответствующего сигнала на выходе ответвления 6₁₀ определяет завершение искомого преобразования аналогового сигнала U в двоичный код, который, в свою очередь, появляется на выходах ответвлений 7₀,...,7_N. (Приведение интенсивности выходного сигнала ответвления 7_j к некоторой заданной константе (например, 10^-2 усл. ед. ) легко обеспечивается выбором соответствующего коэффициента разветвления при конструктивном исполнении ответвления 7_j). По завершении работы нулевого канала на выходе ОЛЗ 8₀ появляется оптический сигнал, который по разветвлениям разветвителя 11 поступает на входы ОБЭ 2 и 10, приводя к их срабатыванию. При этом исчезают сигналы на инверсных выходах данных ОБЭ - все ОБЭ 4_ij, 14_ij переводятся в нулевое (исходное) состояние, сигнал на выходе ОЛЗ 8₀ исчезает - АЦП переходит в исходное состояние и начинает новый цикл преобразования аналогично вышеизложенному. Общее время одного цикла преобразования - (N+1)τ, где τ- время работы одного канала АЦП, верхнюю границу τ_s которого можно оценить как τ_s (τ_ОЛЗ+2τ_ОБЭ), τ_ОБЭ- время задержки ОБЭ. В свою очередь, устойчивая работа каждого канала АЦП обеспечивается при τ_ОЛЗ≥2τ_ОК+τ_ОБЭ (τ_ОК- время задержки ОК 9), следовательно τ_s=2τ_ОК+3τ_ОБЭ=2τ_ОК (т. к. время срабатывания ОК при использовании в его схеме нелинейно-оптических кристаллов - 10^-9 с, в то время как τ_ОБЭ=10^-10-10^-11c). Таким образом, общее время преобразования -2(N+1)τ_ОК= 2•10^-9(N+1), где (N + 1) - разрядность АЦП. Подобное быстродействие предложенного АЦП позволит производить обработку аналоговых сигналов в гигагерцовом диапазоне, являющимся перспективным для современных средств обработки информации.The speed of this OK is determined essentially by the speed of one deflector, and when used, for example, as non-linear optical crystals as deflectors, it can reach 10 ^-12 s. Upon receipt from OK 9 of a signal - a sign of "More", supplied by the branches of the splitter 9 ₁₀ simultaneously to the inputs of all RBEs 14 _i1 , and the presence of a zero signal at the output of RBE 4 _2N (in the initial state) the following occurs. The input of the RBE 4 _3N input receives only a constant signal from the inverse output of the RBE 10, the intensity of which is less than the threshold intensity of the RBE 4 _3N , but sufficient to maintain the existence of the RBE output signal after its operation due to the hysteresis effect. Since the intensity of the input signal of the RBE 4 _3N turns out to be lower than the threshold, the output signal appears on the inverse output of the RBE 4 _3N , coming through the branching 12 _1N , 12 _2N to the inputs of the RBE 14 _N1 , 14 _N2 . The intensity of the signals at the output of the branching data is also lower than the threshold, therefore, only the RBE 14 _{N1 is} triggered, the input of which also receives the signal from the OK 9 output. The RBE 14 _N1 outputs an optical signal, which is fed through the 15 _1N branch to the RBE 4 _2N input and leads to triggering the latter. From the output of the RBE 4 _{2N, the} luminous flux enters the input of the 6 _N splitter, where it branches as follows: luminous flux with an intensity proportional to 2 ^N srvc. units 6 is supplied by branching the input _1N OK 9, and the flux with intensity providing operation (in conjunction with the flow from the output 10 RBE) RBE 4 _3N, to the input of the last _2N branching 6 through 8 ODL _N. The delay time in OLZ 8 _i is selected by the long response time of OK 9 to enable the comparison of signals in OK and the generation of the resulting control signals at the outputs of the RBE 14 _i1 , 14 _i2 until switching to the next (i - 1) th ADC channel. As a result of comparing the signal U with a signal of intensity 2 ^N srvc. units on one of the outputs of OK 9 a signal-sign ">" or "<" is formed - if U is greater, then at the input of the splitter 9 ₁₀ , if less, then at the input 9 ₂₀ . In this case, the appearance of the signal at the input of the RBE 14 _N1 does not change the output signal of the RBE 4 _2N , and the appearance of the signal at the input of the RBE 14 _N2 (when U <2 ^N ) leads to the appearance of a signal at its output and further to the operation of the RBE 4 _1N . Thus, the signal at the inverse output of the RBE 4 _1N disappears and, therefore, at the output of the RBE 4 _2N , a signal with an intensity of 2 ^N srvc. units excluded from further comparison. Further, the signal delayed from the OEZ 8 _N output from the RBE 4 _2N output triggers the RBE 4 _3N output (the signal at its inverse output disappears) - the ADC channel is switched to the (N - 1) th channel by supplying a constant signal to the RBE 4 ₃ input _{(N -1)} from the RBE 4 _3N output (the existence of this signal is ensured during the entire subsequent conversion time by the signal from the RBE 10 output and due to the hysteresis effect) and zeroing of the RBE 14 _N1 , 14 _N2 outputs (further existence of the RBE 4 _1N or 4 _2N output signals (depending on the outcome of the comparison) during the whole time Azation is also provided due to the hysteresis effect). From the moment the optical signal arrives at the input of the RBE 4 _{3 (N-1)} , the operation of the (N-1) -th ADC channel starts similarly as described above for the N-th channel (etc. to the last, zero, channel, the difference of which from the rest consists in the absence of RBEs of the third group due to the fact that this channel is the last and its switching coincides with the beginning of a new ADC cycle). As a result of j-th channel ADC output branch 6 _1j formed or no signal or a signal with intensity proportional to 2 ^j cond. units (depending on the comparison result in OK 9, the sum of the signals from the outputs of the branches 6 _1N , ..., 6 _1j with the input signal U). Thus, the termination of the zero channel — the formation of the corresponding signal at the output of branch 6 ₁₀ determines the completion of the desired conversion of the analog signal U into binary code, which, in turn, appears at the outputs of the branches 7 ₀ , ..., 7 _N. (Bringing the intensity of the output signal of the branch 7 _j to some given constant (for example, 10 ^-2 srvc. Units) is easily ensured by choosing the appropriate branching coefficient for the design of the branch 7 _j ). Upon completion of the work of the zero channel, an optical signal appears at the output of the OLZ 8 ₀ , which, through the branches of the splitter 11, enters the inputs of the RBE 2 and 10, leading to their operation. In this case, the signals at the inverse outputs of the RBE data disappear - all RBEs 4 _ij , 14 _{ij are} transferred to the zero (initial) state, the signal at the output of the OLS 8 ₀ disappears - the ADC returns to its initial state and begins a new conversion cycle similar to the above. The total time of one conversion cycle is (N + 1) τ, where τ is the operating time of one ADC channel, the upper limit of τ _{s of} which can be estimated as τ _s (τ _OLZ + 2τ _RBE ), τ _RBE is the delay time of the RBE. In turn, the stable operation of each ADC channel is ensured for τ _OLZ ≥2τ _OK + τ _RBE (τ _OK is the delay time OK 9), therefore τ _s = 2τ _OK + 3τ _RBE = 2τ _OK (because the response time OK the use of nonlinear optical crystals in his circuit - 10 ^-9 s, while τ _RBE = 10 ^-10 -10 ^-11 s). Thus, the total conversion time is -2 (N + 1) τ _OK = 2 • 10 ^-9 (N + 1), where (N + 1) is the ADC bit depth. Such performance of the proposed ADC will allow the processing of analog signals in the GHz range, which is promising for modern means of information processing.

Claims

An optical analog-to-digital converter containing a radiation source, an input optical splitter, a group of optical bistable elements, characterized in that three groups and two separate optical bistable elements, three groups and separate optical splitters, four groups of optical branches, a group of optical lines are introduced into the device delays and an optical comparator containing two light deflectors, a collimating lens, a rectangular prism and three output splitters of the optical comparator the input inputs of both deflectors are the inputs of the optical comparator, the information input of the first deflector is connected to a constant collimated one-dimensional light flux source, and the output is optically coupled through the lower half-plane of the lens and the reflecting face of the prism with the upper half-plane of the information input of the second deflector, the optical output center of which is optically connected to the input the second output splitter of the optical comparator, both output half-planes with inputs of the first and third, and the outputs of the output p the splitter of the optical comparator are the outputs of the optical comparator, the output of the radiation source through the branches of the input optical splitter is connected to the inputs of the first and second optical bistable elements, the direct outputs of which are absorbing, and the inverse output of the first optical bistable element is connected to the input of the optical splitter, which is an optical branch sequentially pairwise divisible by optical branches, the outputs of which are connected to the inputs of opt bistable elements of the first group, the direct outputs of which are absorbing, and inverse through the corresponding optical branches of the first group of optical branches are connected to the inputs of the optical bistable elements of the second group, the outputs of which through the optical branches of the first group of optical splitters are connected directly to the input of the corresponding output optical branch, the output which is the output of the device for the corresponding bit of binary code, and the first input about optical comparator, and through the optical delay lines to the inputs of the optical bistable elements of the third group, with the exception of the first optical delay line, the output of which through the control splitter is connected to the inputs of the first and second optical bistable elements of the device, while the input of the optical bistable element of the third group is connected to inverted output of the second optical bistable element of the device, direct output of each i-th optical bistable element of the third group through the optical The first branch of the second group of optical branches is connected to the input of the (i - 1) -th optical bistable element of the third group, except for the output of the first optical bistable element of the third group, connected through the optical branch of the second group to the input of the first optical splitter of the third group, and the inverse output is connected to the input of the same optical splitter of the third group, the outputs of both optical branches of which are connected to the input of a pair of optical bistable elements included in the fourth a group of optical bistable elements, wherein the output of the first optical bistable element of this pair is connected through the first optical branch of the pair of optical branches of the third group to the input of the optical bistable element of the second group, and the output of the second optical bistable element of the same pair through the second optical branch of the pair of optical branches of the third group - to the input of the optical bistable element of the first group, and the inputs of all second optical bistable elements of each pair The fourth group s are connected to the optical branch outputs of the second optical splitter of the second group, the input of which is connected to the output of the optical comparator for the signal of the comparison indicator “Less”, and the inputs of all optical bistable elements of each pair of the fourth group are connected to the optical branch outputs of the first optical splitter of the second group , the input of which is connected to the output of the optical comparator for the signal-sign of comparison "More".