RU2134900C1

RU2134900C1 - Optical functional transducer

Info

Publication number: RU2134900C1
Application number: RU98108064A
Authority: RU
Inventors: С.В. Соколов; М.Р. Ганеев; В.Ф. Решетников
Original assignee: Ростовское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск им.Неделина М.И.
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 1999-08-20

Abstract

FIELD: computer engineering; reproduction of nonlinear functions. SUBSTANCE: transducer has optical splitter, radiation source, differentiator, optical transparency, optical multiplexer, optical waveguide, and optical modulator. EFFECT: simplified circuit arrangement. 1 dwg

Description

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

Известны оптические функциональные преобразователи, осуществляющие произвольные нелинейные функциональные преобразования оптических сигналов, например, полиномиальные конвейерные процессоры /Семенов А.С. и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М.: Радио и связь, 1990. - Рис. 7.18, стр. 198/. Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический функциональный преобразователь / А. С. N 1644181, кл. G 06 E 3/00, 1987/, содержащий источник излучения, выход которого оптически связан с оптическим разветвителем. Known optical functional converters that perform arbitrary nonlinear functional transformations of optical signals, for example, polynomial conveyor processors / Semenov A.S. and others. Integrated optics for information transmission and processing systems. - M .: Radio and communications, 1990. - Fig. 7.18, p. 198 /. The closest in technical execution to the proposed device is an optical functional Converter / A. S. N 1644181, class. G 06 E 3/00, 1987 /, comprising a radiation source whose output is optically coupled to an optical splitter.

Недостатком данных устройств являются их функциональная сложность, а также невозможность вычислительной реализации нескольких аппроксимирующих разложений искомой функции f(x) без изменения функциональной схемы устройства - например, рядом Фурье:

,
где

T - интервал разложения искомой симметричной функции,
степенным рядом:

.The disadvantage of these devices is their functional complexity, as well as the impossibility of the computational implementation of several approximating expansions of the desired function f (x) without changing the functional diagram of the device - for example, by the Fourier series:

,
Where

T is the expansion interval of the desired symmetric function,
power row:

.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи синтеза оптического функционального преобразователя, содержащего минимальное число функциональных типовых элементов, что обеспечивает простоту схемы устройства и ее высокую технологичность, а также позволяющего реализовать вычисление произвольных нелинейных функций, аппроксимируемых как степенными рядами, так и рядами Фурье без изменения функциональной схемы устройства. The claimed invention is directed to solving the problem of synthesizing an optical functional converter containing a minimum number of functional typical elements, which ensures the simplicity of the device circuit and its high manufacturability, as well as allowing the implementation of the calculation of arbitrary nonlinear functions approximated by power series or Fourier series without changing the functional scheme devices.

Подобная задача возникает при создании оптических систем обработки информации, а также оптических вычислительных машин. A similar problem arises when creating optical information processing systems, as well as optical computing machines.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены дифференциатор, оптический транспарант, оптический объединитель, первый и второй оптически связанные оптические волноводы, оптический модулятор и третий оптический волновод, источник излучения выполнен управляемым, а оптические разветвления оптического разветвителя выполнены разной длины, вход устройства подключен к управляющему входу оптического модулятора и входу дифференциатора, выход которого подключен ко входу источника излучения, выходы оптических разветвлений оптического разветвителя оптически связаны со входами оптического транспаранта, первый выход которого через первый оптический волновод оптически связан с выходом устройства, а остальные выходы подключены ко входам оптического объединителя, выход которого объединен с выходом третьего оптического волновода и через второй оптический волновод оптически связан с информационным входом оптического модулятора, выход которого подключен ко входу третьего оптического волновода. The essence of the invention is that a differentiator, an optical transparency, an optical combiner, a first and second optically coupled optical waveguides, an optical modulator and a third optical waveguide are introduced into the device, the radiation source is controllable, and the optical branches of the optical splitter are of different lengths, the input of the device is connected to the control input of the optical modulator and the input of the differentiator, the output of which is connected to the input of the radiation source, the outputs of the optical branching opt The optical coupler is optically coupled to the inputs of the optical transparency, the first output of which through the first optical waveguide is optically connected to the output of the device, and the remaining outputs are connected to the inputs of the optical combiner, the output of which is combined with the output of the third optical waveguide and is optically connected through the second optical waveguide to the information input of the optical a modulator, the output of which is connected to the input of the third optical waveguide.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена функциональная схема устройства. The invention is illustrated in the drawing, which shows a functional diagram of the device.

Устройство содержит дифференциатор 1, управляемый источник излучения 2, оптический разветвитель 3, содержащий (М+1) оптических разветвлений различной длины, оптический транспарант 4, оптический объединитель 5, содержащий M объединенных по выходу оптических ответвлений одной длины, первый и второй оптические волноводы 6₁, 6₂, оптически связанные между собой на участке S, третий оптический волновод 7, оптический модулятор 8, вход устройства 9.The device comprises a differentiator 1, a controlled radiation source 2, an optical splitter 3, containing (M + 1) optical branches of various lengths, an optical transparency 4, an optical combiner 5, containing M optical branches of the same length combined at the output, the first and second optical waveguides 6 ₁ , 6 ₂ , optically coupled to each other in section S, the third optical waveguide 7, the optical modulator 8, the input of the device 9.

Управляемый источник излучения 2 может быть выполнен как когерентным, так и некогерентным - в первом случае в качестве оптического модулятора 8 используется фазовый оптический модулятор, во втором - амплитудный. The controlled radiation source 2 can be made both coherent and incoherent - in the first case, a phase optical modulator is used as an optical modulator 8, and in the second, an amplitude modulator.

Вход устройства 9 подключен к управляющему входу оптического модулятора 8 и входу дифференциатора 1, выход которого подключен к управляющему входу управляемого источника излучения 2. Выход управляемого источника излучения 2 оптически связан со входом оптического разветвителя 3, выходы оптических разветвлений которого оптически связаны со входами оптического транспаранта 4. Первый выход оптического транспаранта 4 через первый оптический волновод 6₁ оптически связан с выходом устройства, остальные M выходов подключены ко входам оптического объединителя 5, объединенного по выходу с третьим оптическим волноводом 7, выход которого через второй оптический волновод 6₂ оптически связан с информационным входом оптического модулятора 8. Выход оптического модулятора 8 подключен ко входу третьего оптического волновода 7.The input of the device 9 is connected to the control input of the optical modulator 8 and the input of the differentiator 1, the output of which is connected to the control input of the controlled radiation source 2. The output of the controlled radiation source 2 is optically connected to the input of the optical splitter 3, the outputs of the optical branches of which are optically connected to the inputs of the optical transparency 4 . The first output 4 of the optical transparency through the first optical waveguide _{1 June} optically coupled to the output device, the remaining M outputs connected to the inputs of optical a combiner 5, the combined output of the third optical waveguide 7, the output of which through the second optical waveguide February ₆ optically coupled to an information input of the optical modulator 8. The output of the optical modulator 8 is connected to the input of the third optical waveguide 7.

Устройство работает следующим образом. На вход 9 поступает импульсный сигнал заданной длительности с амплитудой, пропорциональной преобразуемому значению аргумента x. Со входа 9 сигнал x поступает на управляющий вход оптического модулятора 8 и вход дифференциатора 1. На выходе дифференциатора 1 формируется (в результате дифференцирования переднего фронта входного импульса) положительный δ-импульс, приводящий к появлению на выходе управляемого источника излучения 2 импульсного оптического сигнала с интенсивностью (M+1) условных единиц. Данный сигнал, проходя через оптический разветвитель 3, формирует на выходах его оптических разветвлений оптические сигналы единичной интенсивности, поступающие на входы оптического транспаранта 4, соответствующие участкам с функциями пропускания, пропорциональными значениями

где a_i = const - i-й коэффициент ряда, аппроксимирующего вычисляемую функцию f.The device operates as follows. Input 9 receives a pulse signal of a given duration with an amplitude proportional to the converted value of the argument x. From input 9, the signal x is fed to the control input of the optical modulator 8 and the input of the differentiator 1. At the output of the differentiator 1, a positive δ-pulse is formed (as a result of differentiation of the leading edge of the input pulse), which leads to the appearance of a pulsed optical signal with an intensity at the output of the controlled radiation source 2 (M + 1) conventional units. This signal, passing through the optical splitter 3, generates optical signals of unit intensity at the outputs of its optical branching, arriving at the inputs of the optical transparency 4, corresponding to sections with transmission functions proportional to

where a _i = const is the i-th coefficient of the series approximating the calculated function f.

За счет использования в оптическом разветвителе 3 оптических разветвлений различной длины оптические сигналы на входах оптического транспаранта 4 появляются поочередно через интервал времени, равный времени прохождения оптического сигнала по тракту "вход второго оптического волновода 6₂ - выход третьего оптического волновода 7'' (начиная с первого участка с функцией пропускания ≈a_M). С выходов оптического транспаранта 4 последовательность оптических импульсов с амплитудами a_M, a_M-1,....,a₁ поступает по оптическому объединителю 5 через второй оптический волновод 6₂ на вход оптического модулятора 8. При использовании амплитудного оптического модулятора на первом шаге работы устройства происходит умножение амплитуды оптического потока на x - на выходах оптического модулятора 8 и третьего оптического волновода 7 формируется оптический сигнал ≈ a_Mx, а на входе второго оптического волновода 6₂ ≈ (a_Mx + a_M-1).Due to the use of 3 optical branches of various lengths in the optical splitter, the optical signals at the inputs of the optical transparency 4 appear alternately after a time interval equal to the time the optical signal travels along the path “the input of the second optical waveguide 6 ₂ is the output of the third optical waveguide 7 '' (starting from the first of the section with the transmission function ≈a _M ). From the outputs of the optical transparency 4, a sequence of optical pulses with amplitudes a _M , a _M-1 , ...., a ₁ enters through optical combiner 5 through a second the optical waveguide 6 ₂ to the input of the optical modulator 8. When using the amplitude optical modulator at the first step of the device operation, the amplitude of the optical flux is multiplied by x - the optical signal ≈ a _M x is generated at the outputs of the optical modulator 8 and the third optical waveguide 7, and at the input second optical waveguide 6 ₂ ≈ (a _M x + a _M-1 ).

На втором шаге соответственно
(a_Mx+a_M-1)x и (a_Mx+a_M-1)x+a_M-2,
на (M-1)-м шаге -
(. . .((a_Mx + a_M-1)x + a_M-2)x+...+a₂)x и (...((a_Mx + a_M-1)x + a_M-2)x+... +a₂)x+a₁.In the second step, respectively
(a _M x + a _M-1 ) x and (a _M x + a _M-1 ) x + a _M-2 ,
at the (M-1) th step -
(... ((a _M x + a _M-1 ) x + a _M-2 ) x + ... + a ₂ ) x and (... ((a _M x + a _M-1 ) x + a _M-2 ) x + ... + a ₂ ) x + a ₁ .

На последнем, M-м, шаге работы устройства на выходе третьего оптического волновода 7 формируется оптический сигнал приблизительно
((...((a_Mx + a_M-1)x + a_M-2)x+...+a₂)x + a₁)x

при этом на выходе оптического объединителя 5 сигнал отсутствует, но появляется оптический сигнал ≈a₀ на входе первого оптического волновода 6₁. Данный сигнал, проходя по первому оптическому волноводу 6₁ на участке S, приводит к переключению оптического сигнала

из второго оптического волновода 6₂ в связанный с ним первый 6₁ - на выходе устройства формируется искомый оптический сигнал

Если в качестве оптического модулятора 8 используется фазовый модулятор, то на первом шаге работы устройства происходит сдвиг фазы оптического потока с амплитудой ≈ a_M на w₀x, w₀ = const - известный коэффициент модуляции, т.е. на выходе третьего оптического волновода 7 формируется оптический сигнал с комплексной амплитудой

, на входе второго оптического волновода 6₂-

На втором шаге соответственно

и

и т.д. аналогично вышеизложенному.At the last, Mth, step of operation of the device at the output of the third optical waveguide 7, an optical signal is generated approximately
((... ((a _M x + a _M-1 ) x + a _M-2 ) x + ... + a ₂ ) x + a ₁ ) x

at the same time, there is no signal at the output of the optical combiner 5, but an optical signal ≈a ₀ appears at the input of the first optical waveguide 6 ₁ . This signal, passing through the first optical waveguide 6 ₁ in section S, leads to switching of the optical signal

from the second optical waveguide 6 ₂ to the first 6 ₁ associated with it - the desired optical signal is formed at the output of the device

If a phase modulator is used as the optical modulator 8, then at the first step of the device operation, a phase shift of the optical flow occurs with the amplitude ≈ a _M by w ₀ x, w ₀ = const - the known modulation coefficient, i.e. at the output of the third optical waveguide 7, an optical signal with a complex amplitude is formed

at the input of the second optical waveguide 6 ₂ -

In the second step, respectively

and

etc. similar to the above.

По окончании переходного процесса на выходе устройства формируется искомый оптический сигнал с амплитудой, пропорциональной уже аппроксимации вычисляемой функции рядом Фурье:

Так как время задержки сигнала в оптическом модуляторе 8 - наиболее инерционном элементе заданного устройства не превышает 10^-11с, то, следовательно, предложенный оптический функциональный преобразователь обеспечивает нелинейное функциональное преобразование сигналов (при M ≤ 100) с быстродействием, потенциально возможным для подобного класса устройств. Минимальное же число функциональных элементов, входящих в данный преобразователь, обеспечивает его простое и технологическое исполнение.At the end of the transition process, the desired optical signal is formed at the device output with an amplitude proportional to the approximation of the calculated function by the Fourier series:

Since the signal delay time in the optical modulator 8, the most inertial element of a given device, does not exceed 10 ^-11 s, therefore, the proposed optical functional converter provides non-linear functional signal conversion (for M ≤ 100) with a speed that is potentially possible for this class of devices . The minimum number of functional elements included in this converter ensures its simple and technological design.

Claims

An optical functional converter containing a radiation source, the output of which is optically coupled to an optical splitter, characterized in that a differentiator, an optical transparency, an optical combiner, the first and second optically coupled optical waveguides, an optical modulator and a third optical waveguide are introduced into the optical source, the radiation source is made controllable and the optical branches of the optical splitter are of different lengths, the input of the device is connected to the control input of the optical modulator and the ode of the differentiator, the output of which is connected to the input of the radiation source, the outputs of the optical branches of the optical splitter are optically connected to the inputs of the optical transparency, the first output of which through the first optical waveguide is optically connected to the output of the device, and the remaining outputs are connected to the inputs of the optical combiner, the output of which is combined with the output the third optical waveguide and through the second optical waveguide is optically connected to the information input of the optical modulator, the output of which is connected chen to the entrance of the third optical waveguide.