RU2194300C2 - Method and device for integrating optical signals with respect to time - Google Patents
Method and device for integrating optical signals with respect to time Download PDFInfo
- Publication number
- RU2194300C2 RU2194300C2 RU2000118019A RU2000118019A RU2194300C2 RU 2194300 C2 RU2194300 C2 RU 2194300C2 RU 2000118019 A RU2000118019 A RU 2000118019A RU 2000118019 A RU2000118019 A RU 2000118019A RU 2194300 C2 RU2194300 C2 RU 2194300C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- pulses
- layer
- signal
- source
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к способам и устройствам для вычислительного интегрирования. The invention relates to computing, and in particular to methods and devices for computational integration.
Известны оптические интеграторы, построенные на основе свойств линзы, однако основная цель и структура этих устройств направлена на проведение различных математических операций, в том числе - интегрирования стационарных или медленно меняющихся во времени монохроматических сигналов (Л.Г.Бабчук, Ю. В. Богачев, Н. П.Заказнов и др. Прикладная оптика. - М.: Машиностроение, 1988. 312 с). Optical integrators based on the properties of the lens are known, but the main purpose and structure of these devices is aimed at various mathematical operations, including the integration of stationary or slowly changing monochromatic signals (L.G. Babchuk, Yu. V. Bogachev, N.P. Zakaznov et al. Applied Optics. - M.: Mashinostroenie, 1988.312 s).
Известен способ оптического интегрирования, построенный на основе объединения оптических волноводов, заключающийся в оптическом преобразовании импульсов малой длительности от источника в световой сигнал, пропорциональный интегралу. Оптическое вычислительное устройство для осуществления этого способа содержит источник оптических импульсов малой длительности и оптический преобразователь на основе объединения оптических волноводов. (А. с. CCCР 1705814, G 06 E 3/00, опубл. 15.01.92). A known method of optical integration, built on the basis of combining optical waveguides, which consists in the optical conversion of pulses of short duration from a source into a light signal proportional to the integral. An optical computing device for implementing this method comprises a source of optical pulses of short duration and an optical converter based on a combination of optical waveguides. (A. p. CCCR 1705814, G 06
Недостатком этих оптических интеграторов является то, что для интегрирования оптического сигнала по времени в качестве основной характеристики используется величина светового потока, применяется преобразование его в электрический сигнал, выделение медленной огибающей и последующее применение результата интегрирования для модуляции второго светового сигнала, как в первом случае, либо создается сложная система длинных световодов, освещающих транспаранты специальной конструкции, как во втором случае, оптические усилители и сумматоры мощности сигналов, прошедших различные каналы устройства. При этом часто упускается из виду, что подобные методы пригодны только для узкополосных сигналов, так как при определении амплитуды огибающей по мощности сигнала информация о фазе световой волны теряется, и точное интегрирование волнового процесса по времени оказывается невозможным. The disadvantage of these optical integrators is that to integrate the optical signal over time, the luminous flux is used as the main characteristic, it is converted to an electric signal, the slow envelope is extracted, and the subsequent application of the integration result to modulate the second light signal, as in the first case, or creates a complex system of long optical fibers illuminating banners of a special design, as in the second case, optical amplifiers and an adder power signals that have passed the various devices Channels. It is often overlooked that such methods are suitable only for narrow-band signals, since when determining the amplitude of the envelope from the signal power, information about the phase of the light wave is lost, and accurate integration of the wave process over time is impossible.
В основу изобретения положена задача создания способа и устройств для интегрирования ультракоротких оптических сигналов по времени, в которых за счет сохранения полной информации об амплитуде и фазе оптического сигнала достигается увеличение точности интегрирования, а вследствие отсутствия каналов обратной связи и специальных транспарантов увеличивается быстродействие устройств. The basis of the invention is the creation of a method and devices for integrating ultrashort optical signals over time, in which due to the preservation of complete information about the amplitude and phase of the optical signal, an increase in the accuracy of integration is achieved, and due to the absence of feedback channels and special banners, the speed of the devices increases.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в способе интегрирования оптических сигналов по времени путем оптического преобразования ультракоротких импульсов от источника излучения в световой сигнал, пропорциональный интегралу от импульса по времени, световые импульсы преобразуют в последовательность одинаковых отраженных и задержанных друг относительно друга оптических импульсов, пропорциональных исходному сигналу, и формируют суммарный световой импульс, при этом задержку для всех импульсов выбирают одинаковой и достаточно малой по сравнению с периодом самой высокочастотной компоненты ультракороткого импульса υгр, а амплитуды всех сигналов - одинаковыми.The achievement of the above technical result is ensured by the fact that in a method of integrating optical signals over time by optical conversion of ultrashort pulses from a radiation source into a light signal proportional to the integral of the pulse over time, light pulses are converted into a sequence of identical reflected and delayed optical pulses relative to each other, proportional to the initial signal, and form the total light pulse, while the delay for all pulses is selected are the same and sufficiently small as compared with the period of the most high-frequency components of an ultrashort pulse υ c, and the amplitudes of all the signals - the same.
В устройстве для осуществления способа интегрирования оптических сигналов по времени (в реальном масштабе времени), содержащем источник оптических импульсов малой длительности и оптический преобразователь, оптический преобразователь выполнен как многослойная система, состоящая из примыкающих друг к другу одинаковых тонких плоскопараллельных слоев оптически совершенного прозрачного диэлектрика толщиной l≪c/2nυгр, где υгр - самая высокочастотная компонента интегрируемого сигнала, снабженных широкополосными частично отражающими прозрачными тонкими зеркалами, для чего границы раздела слоев выполнены как тонкие металлические, коэффициенты отражения которых одинаковы или возрастают по мере удаления слоя от входной поверхности по экспоненциальному закону. Такое возрастание необходимо для компенсации убывания амплитуды волны по мере распространения сигнала вглубь системы. Отраженные сигналы, складываясь в области пространства на выходе интегрирующего устройства, формируют новый оптический импульс, форма которого приближенно соответствует интегралу от входного оптического сигнала.In the device for implementing the method of integrating optical signals in time (in real time), containing a source of optical pulses of short duration and an optical converter, the optical converter is made as a multilayer system consisting of adjacent identical thin plane-parallel layers of an optically perfect transparent dielectric of thickness l ≪c / 2nυ gr , where υ gr is the highest-frequency component of the integrated signal, equipped with broadband partially reflective thin transparent mirrors, for which the layer interfaces are made of thin metal, the reflection coefficients of which are the same or increase as the layer moves away from the input surface according to the exponential law. Such an increase is necessary to compensate for the decrease in the wave amplitude as the signal propagates deep into the system. The reflected signals, folding in the region of space at the output of the integrating device, form a new optical pulse, the shape of which approximately corresponds to the integral of the input optical signal.
В устройстве для осуществления способа, содержащем источник оптических импульсов малой длительности и оптический преобразователь, оптический преобразователь выполнен как многослойная система, состоящая из примыкающих друг к другу одинаковых тонких плоскопараллельных слоев оптически совершенного прозрачного диэлектрика толщиной l≪c/2nυгр, снабженных широкополосными частично отражающими прозрачными тонкими зеркалами, для чего границы раздела слоев выполнены как тонкие металлические, коэффициенты отражения которых одинаковы или возрастают по мере удаления слоя от входной поверхности по экспоненциальному закону.In the device for implementing the method, comprising a source of optical pulses of short duration and an optical transducer, the optical transducer is made as a multilayer system consisting of adjacent identical thin plane-parallel layers of an optically perfect transparent dielectric of thickness l≪c / 2nυ gr , equipped with broadband partially reflective transparent thin mirrors, for which the layer interfaces are made as thin metal, the reflection coefficients of which are the same or in zrastayut layer as the distance from the front surface exponentially.
В устройстве для осуществления способа, содержащем источник оптических импульсов малой длительности и оптический преобразователь, оптический преобразователь выполнен как многослойная система, состоящая из примыкающих друг к другу тонких плоскопараллельных слоев оптически совершенного прозрачного диэлектрика, оптическая толщина каждого k-того слоя удовлетворяет неравенству nklk≪c/2υгр, а величина nk монотонно возрастает или убывает от слоя к слою по линейному или экспоненциальному закону.In the device for implementing the method, comprising a source of optical pulses of short duration and an optical transducer, the optical transducer is made as a multilayer system consisting of thin plane-parallel layers of optically perfect transparent dielectric adjacent to each other, the optical thickness of each kth layer satisfies the inequality n k l k ≪c / 2υ gr , and the quantity n k monotonically increases or decreases from layer to layer according to a linear or exponential law.
В устройстве для осуществления способа, содержащем источник оптических импульсов малой длительности и оптический преобразователь, оптический преобразователь выполнен в виде оптически прозрачной среды с показателем преломления n, меняющимся непрерывно в направлении распространения оптического сигнала, причем показатель преломления монотонно возрастает или убывает по линейному или экспоненциальному закону. In the device for implementing the method, comprising a source of optical pulses of short duration and an optical converter, the optical converter is made in the form of an optically transparent medium with a refractive index n continuously varying in the direction of propagation of the optical signal, and the refractive index monotonically increases or decreases according to a linear or exponential law.
Использование сигналов оптического диапазона с одинаковой задержкой между ними и с одинаковой амплитудой сигналов и дальнейшее сведение задержанных сигналов в общей области пространства позволяет реализовать способ интегрирования оптических импульсов с несущей частотой светового диапазона; сохранить информацию об амплитуде и фазе сигнала в полном объеме, тем самым повысить точность интегрирования; осуществить теоретически предельное быстродействие выполнения интегрирования. The use of signals of the optical range with the same delay between them and with the same amplitude of the signals and further mixing of the delayed signals in a common area of space allows you to implement a method of integrating optical pulses with a carrier frequency of the light range; save information about the amplitude and phase of the signal in full, thereby increasing the accuracy of integration; to implement theoretically the ultimate performance of integration.
Предлагаемые способ и устройство поясняются фиг.1, представляющей схему реализации указанного способа интегрирования оптических сигналов по времени, фиг. 2, на которой представлены исходный импульс 2а и сигналы, отраженные от различных по номеру поверхностей, фиг.3а, на которой показана сумма отраженных сигналов, и фиг.3б, на которой приведен вычисленный интеграл от входной функции. На фиг. 4 показан результат решения волнового уравнения при падении импульса, имеющего гауссову форму с пространственной шириной в 4 раза меньше ширины зоны изменения n, на слой с линейным изменением n. На фиг.5 приведено изменение показателя n в таком слое. The proposed method and device are illustrated in FIG. 2, which shows the initial pulse 2a and signals reflected from surfaces of various numbers, FIG. 3a, which shows the sum of the reflected signals, and FIG. 3b, which shows the calculated integral of the input function. In FIG. Figure 4 shows the result of solving the wave equation when a pulse having a Gaussian shape with a spatial width 4 times smaller than the width of the zone of variation n is incident on a layer with a linear change in n. Figure 5 shows the change in the indicator n in such a layer.
На фиг. 1 показана схема реализации способа, в которой световой импульс от источника 1 через оптическое устройство, формирующее почти параллельный пучок лучей, условно показанное линзой 2, падает на интегратор 3, состоящий из равных по толщине слоев прозрачного вещества, разделенных частично отражающими тонкими металлическими слоями 1, 2...N. Отраженные от этих слоев пучки, перекладываясь в пространстве, создают суммарный отраженный сигнал, который, в частности, можно наблюдать в фокусе линзы. In FIG. 1 shows a diagram of a method in which a light pulse from a
В данной иллюстрации предполагается, что частично отражающие зеркала выполняют так называемое "металлическое" отражение и фазы всех частотных составляющих сигнала меняются на противоположные, поэтому знак суммарного сигнала противоположен знаку падающего. In this illustration, it is assumed that partially reflecting mirrors perform the so-called "metallic" reflection and the phases of all frequency components of the signal are reversed, so the sign of the total signal is opposite to the sign of the incident.
Предлагаемые способ и устройства для интегрирования оптических сигналов можно пояснить следующим образом. Метод интегрирования основывается на способе приближенного вычисления интеграла методом прямоугольников:
где f(t) - сигнал, Δt - шаг интегрирования, который должен быть выбран достаточно малым, чтобы ошибка вычисления была меньше заданной величины, и N=(t2-t1)/Δt - число отсчетов сигнала.The proposed method and device for integrating optical signals can be explained as follows. The integration method is based on the method of approximate calculation of the integral by the rectangle method:
where f (t) is the signal, Δt is the integration step, which should be chosen small enough so that the calculation error is less than a given value, and N = (t 2 -t 1 ) / Δt is the number of samples of the signal.
Таким образом, устройство, реализующее эту операцию, должно обеспечить:
1) формирование сдвинутых во времени на фиксированную величину Δt элементов сигнала;
2) суммирование всех элементов.Thus, the device that implements this operation must provide:
1) the formation of signal elements shifted in time by a fixed value Δt;
2) summation of all elements.
Ту же математическую операцию можно реализовать, используя френелевское отражение от слоев вещества с различными показателями преломления, величина которых монотонно нарастает или убывает от слоя к слою, а оптическая толщина k-того слоя остается постоянной при изменении k и удовлетворяет неравенству:
nklk≪c/2υгр. ((2)
Такое возрастание необходимо для компенсации убывания амплитуды волны по мере распространения сигнала вглубь системы. Отраженные сигналы, складываясь в области пространства на выходе интегрирующего устройства, формируют новый оптический импульс, форма которого приближенно соответствует интегралу от входного оптического сигнала.The same mathematical operation can be implemented using Fresnel reflection from layers of matter with different refractive indices, the value of which monotonically increases or decreases from layer to layer, and the optical thickness of the kth layer remains constant with k and satisfies the inequality:
n k l k ≪c / 2υ gr . ((2)
Such an increase is necessary to compensate for the decrease in the wave amplitude as the signal propagates deep into the system. The reflected signals, folding in the region of space at the output of the integrating device, form a new optical pulse, the shape of which approximately corresponds to the integral of the input optical signal.
Второе устройство для осуществления способа интегрирования импульса по п. 1, содержит источник оптических ультракоротких импульсов и оптический преобразователь, отличающийся тем, что оптический преобразователь выполнен как многослойная система, состоящая из примыкающих друг к другу тонких плоскопараллельных слоев оптически совершенного прозрачного диэлектрика, оптическая толщина каждого k-того слоя удовлетворяет неравенству nklk≪c/2υгр, а величина nk монотонно возрастает или убывает от слоя к слою по линейному или экспоненциальному закону.The second device for implementing the method of integrating the pulse according to
Поскольку фаза волны при отражении от слоя с меньшим n сохраняется, а большим - меняется на 180o, очевидно, что интегрирование можно получить только в том случае, когда с ростом k выполняется одно из двух условий:
либо nk+1< nk, (3)
либо nk+1> nk. (4)
В первом случае получим интеграл со знаком, совпадающим с верным знаком интеграла, во втором - с противоположным. Пучок, несущий сигнал, направляют на стопу пластин одинаковой оптической толщины так, как показано на фиг. 1, и регистрируют отраженный от стопы сигнал. Отражаясь от границ раздела, пучки формируют последовательность сдвинутых во времени образцов сигнала. Складываясь в пространстве, они создают суммарный сигнал, пропорциональный интегралу (точнее, сумме (1)).Since the phase of the wave, when reflected from a layer with a smaller n, is retained, and a large one, changes by 180 o , it is obvious that integration can be obtained only when one of two conditions is satisfied with increasing k:
either n k + 1 <n k , (3)
or n k + 1 > n k . (4)
In the first case, we obtain an integral with a sign that coincides with the true sign of the integral, in the second - with the opposite. The beam carrying the signal is sent to a stack of plates of the same optical thickness as shown in FIG. 1, and a signal reflected from the foot is recorded. Reflecting from the interfaces, the beams form a sequence of time-shifted signal samples. Adding in space, they create a total signal proportional to the integral (more precisely, to the sum (1)).
Могут применяться и другие схемы сложения пучков - например, оптические схемы с полупрозрачным зеркалом, или многослойный эллиптический отражатель, комбинация сферических или параболических многослойных отражателей и т.д. Other beam addition schemes can also be used - for example, optical schemes with a translucent mirror, or a multilayer elliptical reflector, a combination of spherical or parabolic multilayer reflectors, etc.
Подобный метод формирования сигнала, пропорционального интегралу от входного импульса, в реальном масштабе времени обладает двумя погрешностями:
во-первых, погрешность дискретизации; уменьшить ее можно, выбрав интервал (t по крайней мере в 4 раза меньше периода самой высокочастотной компоненты сигнала;
во-вторых, по мере проникновения в глубину стопы пластин одинаковой оптической толщины амплитуда сигнала уменьшается, эффект дополнительно усиливается при распространении отраженных от границ слоев сигналов назад при формирования суммы, уменьшить этот эффект можно, только уменьшая разность nk+1 - nk, но при этом одновременно падает величина самого сигнала, пропорционального интегралу. (Отметим, что в электронных устройствах при решении некоторых задач фильтрации такое уменьшение амплитуды запаздывающего сигнала вводится преднамеренно.)
Развитием метода является переход к непрерывному изменению показателя преломления прозрачного вещества, в котором распространяется исходный световой сигнал. На основании приведенного выше качественного рассмотрения ясно, что интегрирование выполняется по интервалу времени 2L/c, где L - полная оптическая толщина слоя, в котором происходит изменение показателя преломления. Возможно два варианта: монотонно убывающий показатель преломления позволяет сформировать собственно интеграл, монотонно возрастающий - интеграл с обратным знаком.A similar method of generating a signal proportional to the integral of the input pulse in real time has two errors:
firstly, sampling error; it can be reduced by choosing the interval (t is at least 4 times less than the period of the highest-frequency component of the signal;
secondly, as the same optical thickness penetrates into the depth of the foot of the plate, the signal amplitude decreases, the effect is further enhanced when the signals reflected from the boundaries of the layer layers propagate back during the formation of the sum, this effect can be reduced only by reducing the difference n k + 1 - n k , but at the same time, the signal itself is proportional to the integral. (Note that in electronic devices, when solving some filtering problems, such a decrease in the amplitude of the delayed signal is introduced intentionally.)
The development of the method is the transition to a continuous change in the refractive index of a transparent substance, in which the initial light signal propagates. Based on the above qualitative consideration, it is clear that integration is performed over a time interval of 2L / c, where L is the total optical thickness of the layer in which the refractive index changes. Two options are possible: a monotonically decreasing refractive index allows you to form the integral itself, monotonically increasing - the integral with the opposite sign.
Решение задачи о необходимом законе изменения показателя преломления может быть найдено на основании решения интегрального уравнения распространения волны [3], однако приближенные его решения приводят к линейному закону изменения n в пространстве. При полном изменении показателя преломления на 20% от значения на входе в интегрирующий слой ошибка отличия отраженного сигнала от интеграла не превышают 10%. Фиг.4б показывает результат решения волнового уравнения для такого слоя при падении на него импульса, имеющего гауссову форму с пространственной длиной в 4 раза меньше ширины зоны изменения n (фиг.4а). Для удобства расчета полное изменение n было взято равным 0,75 при исходном значении n=1,5 (фиг.5). Выходной сигнал, показанный на фиг. 4, имеет форму медленно спадающего прямоугольника, в то время как в идеальном случае должен быть точный прямоугольник. Причина этого была указана выше и бороться с подобным эффектом можно, изменив форму и величину изменения n. В частности, моделирование показывает, что удовлетворительные результаты можно получить при экспоненциальном законе изменения показателя преломлени n в зависимости от координаты. Знак отраженного сигнала на фиг.4б отрицательный, поскольку рассмотрен вариант с возрастанием показателя преломления. The solution of the problem of the necessary law of change in the refractive index can be found on the basis of the solution of the integral wave propagation equation [3], however, its approximate solutions lead to a linear law of variation of n in space. With a complete change in the refractive index by 20% from the value at the entrance to the integrating layer, the error of the difference between the reflected signal and the integral does not exceed 10%. Fig. 4b shows the result of solving the wave equation for such a layer when a pulse having a Gaussian shape with a spatial length 4 times smaller than the width of the zone of variation n is incident on it (Fig. 4a). For ease of calculation, the complete change in n was taken equal to 0.75 with the initial value n = 1.5 (Fig. 5). The output signal shown in FIG. 4 has the shape of a slowly falling rectangle, while ideally there should be an exact rectangle. The reason for this was indicated above and it is possible to combat a similar effect by changing the shape and magnitude of the change in n. In particular, the simulation shows that satisfactory results can be obtained with the exponential law of a change in the refractive index n depending on the coordinate. The sign of the reflected signal in Fig. 4b is negative, since a variant with an increase in the refractive index is considered.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000118019A RU2194300C2 (en) | 2000-06-29 | 2000-06-29 | Method and device for integrating optical signals with respect to time |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000118019A RU2194300C2 (en) | 2000-06-29 | 2000-06-29 | Method and device for integrating optical signals with respect to time |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2000118019A RU2000118019A (en) | 2002-09-20 |
| RU2194300C2 true RU2194300C2 (en) | 2002-12-10 |
Family
ID=20237510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000118019A RU2194300C2 (en) | 2000-06-29 | 2000-06-29 | Method and device for integrating optical signals with respect to time |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2194300C2 (en) |
-
2000
- 2000-06-29 RU RU2000118019A patent/RU2194300C2/en active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Korpel | Acousto-optics—a review of fundamentals | |
| Gaylord et al. | Analysis and applications of optical diffraction by gratings | |
| KR0140533B1 (en) | Optical Correlator and Cross-Correlation Information Generation Method | |
| US4344675A (en) | Optical signal processing device | |
| CN1137371C (en) | Short-pulse laser and ultrasonic method and equipment for presisely measuring thickness | |
| CN103154720A (en) | Measuring apparatus and measuring method for metallic microstructures ormaterial properties | |
| RU2194300C2 (en) | Method and device for integrating optical signals with respect to time | |
| Irick | Determining surface profile from sequential interference patterns from a long tracer profiler | |
| Wackerle et al. | Refractive index effects for shocked windows in interface velocimetry | |
| Gottlieb et al. | Optoacoustic Processing of Large Time–Bandwidth Signals | |
| JPH023482B2 (en) | ||
| US4355869A (en) | Self scanned optical Fourier transform arrangement | |
| Ding et al. | Measurement of thin film parameters using substrate excitation of leaky modes | |
| Fox | The grating guide—a component for integrated optics | |
| Pape | Acousto-optic signal processors | |
| Song et al. | Planar optical implementation of fractional correlation | |
| US3641355A (en) | Optical correlator | |
| Shamir | Fundamental limits of optical computing | |
| Gottlieb | Opto-acoustic signal processors for extending radar system capabilities | |
| RU2065571C1 (en) | Process of determination of deformation and stress of members of structure and device for its implementation | |
| SU704354A1 (en) | Planar acoustooptical device | |
| RU2000118019A (en) | METHOD FOR INTEGRATING OPTICAL SIGNALS BY TIME AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION | |
| RU2100810C1 (en) | Method for measurement of velocity of object and device which implements said method | |
| RU2034318C1 (en) | Polarization-selective laser mirror | |
| DeMars | Advanced hybrid bulk/integrated optical signal processing modules |