RU2745592C1 - Оптический аналого-цифровой преобразователь - Google Patents

Оптический аналого-цифровой преобразователь Download PDF

Info

Publication number
RU2745592C1
RU2745592C1 RU2019115406A RU2019115406A RU2745592C1 RU 2745592 C1 RU2745592 C1 RU 2745592C1 RU 2019115406 A RU2019115406 A RU 2019115406A RU 2019115406 A RU2019115406 A RU 2019115406A RU 2745592 C1 RU2745592 C1 RU 2745592C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
output
input
photodiode
combiners
Prior art date
Application number
RU2019115406A
Other languages
English (en)
Inventor
Владислав Валерьевич Каменский
Сергей Викторович Соколов
Вадим Алексеевич Погорелов
Андрей Борисович Шаталов
Игорь Николаевич Гашененко
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН)
Priority to RU2019115406A priority Critical patent/RU2745592C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2745592C1 publication Critical patent/RU2745592C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F7/00Volume-flow measuring devices with two or more measuring ranges; Compound meters

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники в системах управления и связи, обеспечивающих обработку информации в гигагерцовом диапазоне. Оптический аналого-цифровой преобразователь содержит источник когерентного излучения, источник напряжения, (К=М+1) - выходной оптический разветвитель, М оптических транспарантов (M=2N-1, N - разрядность преобразователя), М оптических Y-объединителей, М оптических инверторов, электрооптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников. Причем каждый инвертор содержит резистор, фотодиод, вход которого является информационным входом оптического инвертора, и светодиод, соединенный параллельно с фотодиодом таким образом, что катод фотодиода подключен к аноду светодиода, выход которого является выходом оптического инвертора, и через последовательно соединенный резистор катод фотодиода подключен к положительному электроду входа питания оптического инвертора, а анод фотодиода подключен к отрицательному электроду входа питания оптического инвертора, соединенного с выходом источника напряжения. Технический результат - повышение быстродействия преобразования в позиционный двоичный код электрических аналоговых сигналов. 2 ил.

Description

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники.
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.
Также известны 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], содержащие оптический бистабильный элемент и обеспечивающие преобразование электрического входного сигнала в код Грея. Недостатками данных АЦП являются: невозможность преобразования входного аналогового сигнала в позиционный двоичный код, низкое общее быстродействие АЦП, обусловленное необходимостью использования в оконечном каскаде электронных элементов (фотодетектора, усилителя, компаратора) с суммарным временем срабатывания ≥10-6 с.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналогово-цифровой преобразователь [патент РФ N 2177165, 2001 г.], содержащий оптический бистабильный элемент, оптический генератор тактовых импульсов, оптический объединитель, два оптических волновода, группу оптических Y-разветвителей, оптический двоичный счетчик, оптический усилитель, оптический цифро-аналоговый преобразователь, оптический компаратор, оптический Y-разветвитель обратной связи и оптический элемент задержки. Время преобразования в данном АЦП прямо пропорционально его выходному коду и периоду следования импульсов. Т.к. данный АЦП функционирует в циклическом режиме работы (по окончании временного интервала преобразования счетчик устанавливается в начальное состояние и поэтому преобразование всегда начинается с нуля), то его недостатком является низкое быстродействие.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения быстродействия преобразования в позиционный двоичный код электрических аналоговых сигналов.
Поставленная задача возникает при создании быстродействующих устройств обработки информации в системах управления и связи, обеспечивающих обработку информации в гигагерцовом диапазоне. Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены источник когерентного излучения, источник напряжения, (К=М+1) - выходной оптический разветвитель, М оптических транспарантов (M=2N-1, N - разрядность преобразователя), М оптических Y-объединителей, М оптических инверторов, каждый из которых содержит резистор, фотодиод, вход которого является информационным входом оптического инвертора, и светодиод, соединенный параллельно с фотодиодом таким образом, что катод фотодиода подключен к аноду светодиода, выход которого является выходом оптического инвертора, и через последовательно соединенный резистор катод фотодиода подключен к положительному электроду входа питания оптического инвертора, а анод фотодиода подключен к отрицательному электроду входа питания оптического инвертора, соединенного с выходом источника напряжения; электрооптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников, выход источника когерентного излучения подключен ко входу K-выходного оптического разветвителя, выходы которого от первого до М-го подключены ко входам одноименных оптических транспарантов, выходы которых подключены к первым входам одноименных М оптических Y-объединителей, а (М+1)-й выход K-выходного оптического разветвителя подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора, управляющий вход которого является входом устройства, а выход подключен ко входу оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым входам одноименных М оптических Y-объединителей, выходы которых подключены к информационным входам одноименных оптических инверторов, входы питания которых соединены с выходом источника напряжения, а выходы подключены ко входам М соответствующих N-выходных оптических разветвителей, выходы которых подключены ко входам N М-входных оптических объединителей таким образом, что при наличии оптического сигнала на входе i-го N-выходного оптического разветвителя на всех N выходах М-входных оптических объединителей формируется позиционный двоичный код числа «i» за счет наличия/отсутствия соответствующих связей между оптическими разветвлениями N-выходного оптического разветвителя и оптическими ответвлениями М-входных оптических объединителей (определенные оптические разветвления N-выходных оптических разветвителей являются поглощающими/отсутствуют), а выходы N М-входных оптических объединителей подключены ко входам одноименных фотоприемников, выходы которых являются N-разрядным выходом устройства.
Функциональная схема оптического АЦП показана на фиг. 1.
Оптический N-разрядный АЦП содержит источник когерентного излучения 1, K-выходной оптический разветвитель 2 (K=N+1), М оптических транспарантов 3i (i=1…M, M=2N-1, N - количество выходов АЦП), М оптических Y-объединителей 4i, М оптических инверторов 5i, электрооптический амплитудный модулятор 6, оптический фазовый модулятор 7, М - выходной оптический разветвитель 8, М N-выходных оптических разветвителей 9i, N М-входных оптических объединителей 10j, N фотоприемников 11j (j=1…N), источник напряжения 12.
Входом устройства U является управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора 6.
Выход источника когерентного излучения 1 подключен ко входу K-выходного оптического разветвителя 2. Выходы от 1-го до М-го K-выходного оптического разветвителя 2 подключены ко входам оптических транспарантов 3i (i=1…М). Выходы оптических транспарантов 3i подключены к первым входам оптических Y-объединителей 4i.
(М+1)-й выход K-выходного оптического разветвителя 2 подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора 6. Выход электрооптического амплитудного модулятора 6 подключен ко входу оптического фазового модулятора 7. Выход оптического фазового модулятора 7 подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя 8. Выходы М-выходного оптического разветвителя 8 подключены ко вторым входам М оптических Y-объединителей 4i.
Выходы оптических Y-объединителей 4i подключены к информационным входам оптических инверторов 5i, входы питания которых соединены с выходом источника напряжения 12.
Выходы оптических инверторов 5i подключены ко входам N-выходных оптических разветвителей 9i. Выходы N-выходных оптических разветвителей 9i подключены ко входам М-входных оптических объединителей 10j (j=1…N) таким образом, что при наличии оптического сигнала на входе i-го N-выходного оптического разветвителя 9i на всех N выходах М-входных оптических объединителей 10j формируется позиционный двоичный код числа «i» (за счет наличия/отсутствия соответствующих связей между оптическими разветвлениями N-выходных оптических разветвителей 9i и оптическими ответвлениями М-входных оптических объединителей 10j - определенные оптические разветвления N-выходных оптических разветвителей 9i являются поглощающими (или отсутствуют)). Выходы М-входных оптических объединителей 10j оптически связаны со входами одноименных фотоприемников 11j. Выходы фотоприемников 111-11N "D1…DN" являются выходами устройства.
Функциональная схема оптического инвертора 5, показана на фиг. 2.
Оптический инвертор 5i содержит фотодиод 5i1, светодиод 5i2 и резистор 5i3.
Вход фотодиода 5i1 является информационным входом оптического инвертора 5i. Фотодиод 5i1 соединен параллельно со светодиодом 5i2 таким образом, что катод фотодиода 5i1 подключен к аноду светодиода 5i2, выход которого является выходом оптического инвертора 5i. Через последовательно соединенный резистор 5i3 катод фотодиода 5i1 подключен к положительному электроду входа питания оптического инвертора 5i (т.к. фотодиод в режиме фотоприема работает в инверсном режиме), а анод фотодиода 5i1 подключен к отрицательному электроду входа питания оптического инвертора 5i, соединенного с выходом источника напряжения 12.
Устройство работает следующим образом.
Оптический сигнал с амплитудой М×K усл. ед. с выхода источника когерентного излучения 1 поступает на вход K-выходного оптического разветвителя 2. Пройдя K-выходной оптический разветвитель 2, оптический сигнал уменьшается по амплитуде в K раз, и на каждом выходе K-выходного оптического разветвителя 2 амплитуда оптического сигнала становится равной М усл. ед. Амплитуда оптического сигнала на выходе оптического транспаранта 3i с коэффициентом передачи (i/M)/M при этом составляет i/M усл. ед.
Оптический сигнал с K-то выхода K-выходного оптического разветвителя 2 поступает на информационный вход электрооптического амплитудного модулятора 6. При наличии на входе устройства и, следовательно, на управляющем входе электрооптического амплитудного модулятора 6, входного сигнала UВХ на выходе электрооптического амплитудного модулятора 6 формируется оптический сигнал с амплитудой U⋅М усл. ед., где U=UВХ/Umax (U<1), UВХ - текущее входное напряжение, Umax - максимальное входное напряжение (Umax=М усл. ед.).
С выхода электрооптического амплитудного модулятора 6 оптический сигнал поступает на вход оптического фазового модулятора 7. Пройдя оптический фазовый модулятор 7, оптический сигнал изменяет фазу на π и поступает на М-выходной оптический разветвитель 8. После прохождения М-выходного оптического разветвителя 8 оптический сигнал уменьшается по амплитуде в М раз и поступает на вторые входы М оптических Y-объединителей 4i (i=1…M) с амплитудой U усл. ед.
Т.к. при сложении двух когерентных противофазных оптических сигналов происходит вычитание их амплитуд, то на выходе первого оптического Y-объединителя 41 амплитуда сигнала будет равна: (1/M)-U усл. ед., на выходе второго оптического Y-объединителя 42, соответственно: (2/M)-U усл. ед., на выходе i-го оптического Y-объединителя 4i амплитуда сигнала будет равна: (i/M)-U усл. ед.
Если амплитуда оптического сигнала на выходе оптического Y-объединителя 4i будет равна 0, то фотодиод 5i1 будет закрыт и напряжение на светодиоде 5i2 будет максимальным (равным напряжению питания). На выходе светодиода 5i2 формируется оптический сигнал, поступающий далее на вход N-выходного оптического разветвителя 9i.
Если амплитуда оптического сигнала на выходе оптического Y-объединителя 4i будет больше 0, то фотодиод 5i1 откроется и напряжение на светодиоде 5i2 будет ниже его порога срабатывания. Оптический сигнал на его выходе и, следовательно, на входе N-выходного оптического разветвителя 9i будет равен 0.
Так, при U=1/M амплитуда оптического сигнала с выхода первого оптического Y-объединителя 41 будет равна (1/M)-U=0 усл. ед., поэтому на фотодиод 511 поступит оптический сигнал с амплитудой 0 усл. ед. Фотодиод 511 будет закрыт, напряжение на светодиоде 512 будет выше порога его срабатывания (максимальным), на выходе светодиода 512 будет сформирован оптический сигнал, который поступит на вход N-выходного оптического разветвителя 91.
Амплитуда оптического сигнала с выхода второго оптического Y-объединителя 42 будет равна (2/M)-U=1/М усл. ед., на фотодиод 521 поступит оптический сигнал с амплитудой 1/М усл. ед. Фотодиод 521 будет открыт и напряжение на светодиоде 522 будет ниже порога его срабатывания. Оптический сигнал на его выходе и на входе N-выходного оптического разветвителя 92 будет равен 0.
Амплитуда оптического сигнала с выхода оптического Y-объединителя 4М будет равна (М-1)/М усл. ед., оптический сигнал с амплитудой (М-1)/М усл. ед. поступит на фотодиод 5М1. Фотодиод 5М1 будет открыт и напряжение на светодиоде 5М2 будет ниже порога его срабатывания. Оптический сигнал на его выходе и на входе N-выходного оптического разветвителя 9M также будет равен 0.
Таким образом, при U=1/M на входе устройства оптический сигнал будет только на входе N-выходного оптического разветвителя 91.
При U=i/M амплитуда оптического сигнала с выхода i-го оптического Y-объединителя 4, будет равна (i/M)-U=0 усл. ед., поэтому на фотодиод 5i1 поступит оптический сигнал с амплитудой 0 усл. ед. Фотодиод 5i1 будет закрыт и напряжение на светодиоде 5i2 будет выше его порога срабатывания. Следовательно, оптический сигнал на его выходе и на входе N-выходного оптического разветвителя 9i будет равен 1.
При этом амплитуды оптических сигналов с выходов (i±1)-го оптических Y-объединителей 4i±1 будут равны
Figure 00000001
усл. ед. Эти оптические сигналы поступят на фотодиоды 5(i±1)1, которые будут открыты и, следовательно, напряжение на светодиодах 5(i±1)2 будет ниже порога их срабатывания - оптические сигналы на входах N-выходных оптических разветвителей 9i±1 будут равны 0.
Таким образом, при U=i/M на входе устройства оптический сигнал будет только на входе N-выходного оптического разветвителя 9i.
Так как ко входам М-входных оптических объединителей 101…10N подключены только те выходы N-выходных оптических разветвителей 91…9M, которые позволяют сформировать двоичный код числа «i», то в результате оптические сигналы появятся только на выходах М-входных оптических объединителей 101…10N, соответствующих позиционному двоичному коду числа «i». Оптические сигналы с выходов М-входных оптических объединителей 101…10N поступают далее на входы фотоприемников 111…11N, формируя на выходе АЦП позиционный двоичный код {D1,...,DN}, являющийся двоичным аналогом входного сигнала U.
Таким образом, при подаче на вход устройства аналогового напряжения U на выходе устройства формируется соответствующий позиционный двоичный код. Быстродействие данного АЦП определяется в основном временем срабатывания электрооптического амплитудного модулятора (5-10 нс) и фотоприемников (100 пс), что позволяет производить преобразование сигналов в гигагерцовом диапазоне.

Claims (1)

  1. Оптический аналого-цифровой преобразователь, включающий источник когерентного излучения, источник напряжения, (К=М+1) - выходной оптический разветвитель, М оптических транспарантов (M=2N-1, N - разрядность преобразователя), М оптических Y-объединителей, М оптических инверторов, каждый из которых содержит резистор, фотодиод, вход которого является информационным входом оптического инвертора, и светодиод, соединенный параллельно с фотодиодом таким образом, что катод фотодиода подключен к аноду светодиода, выход которого является выходом оптического инвертора, и через последовательно соединенный резистор катод фотодиода подключен к положительному электроду входа питания оптического инвертора, а анод фотодиода подключен к отрицательному электроду входа питания оптического инвертора, соединенного с выходом источника напряжения; электрооптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников, выход источника когерентного излучения подключен ко входу K-выходного оптического разветвителя, выходы которого от первого до М-го подключены к входам одноименных оптических транспарантов, выходы которых подключены к первым входам одноименных М оптических Y-объединителей, а (М+1)-й выход K-выходного оптического разветвителя подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора, управляющий вход которого является входом устройства, а выход подключен к входу оптического фазового модулятора, выход которого подключен к входу М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым входам одноименных М оптических Y-объединителей, выходы которых подключены к информационным входам одноименных оптических инверторов, входы питания которых соединены с выходом источника напряжения, а выходы подключены к входам М соответствующих N-выходных оптических разветвителей, выходы которых подключены к входам N М-входных оптических объединителей таким образом, что при наличии оптического сигнала на входе i-го N-выходного оптического разветвителя на всех N выходах М-входных оптических объединителей формируется позиционный двоичный код числа «i» за счет наличия/отсутствия соответствующих связей между оптическими разветвлениями N-выходного оптического разветвителя и оптическими ответвлениями М-входных оптических объединителей (определенные оптические разветвления N-выходных оптических разветвителей являются поглощающими/отсутствуют), а выходы N М-входных оптических объединителей подключены к входам одноименных фотоприемников, выходы которых являются N-разрядным выходом устройства.
RU2019115406A 2020-12-21 2020-12-21 Оптический аналого-цифровой преобразователь RU2745592C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019115406A RU2745592C1 (ru) 2020-12-21 2020-12-21 Оптический аналого-цифровой преобразователь

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019115406A RU2745592C1 (ru) 2020-12-21 2020-12-21 Оптический аналого-цифровой преобразователь

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2745592C1 true RU2745592C1 (ru) 2021-03-29

Family

ID=75353525

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019115406A RU2745592C1 (ru) 2020-12-21 2020-12-21 Оптический аналого-цифровой преобразователь

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2745592C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2787687C2 (ru) * 2021-05-31 2023-01-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный экономический университет (РИНХ)" Оптический умножитель

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2119182C1 (ru) * 1996-05-05 1998-09-20 Ростовское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск им.Гл.маршала Неделина М.И. Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2177165C1 (ru) * 2000-05-24 2001-12-20 Ростовский военный институт ракетных войск Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2324210C1 (ru) * 2006-11-21 2008-05-10 Сергей Викторович Соколов Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2361251C1 (ru) * 2008-01-22 2009-07-10 Владислав Валерьевич Каменский Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2706454C1 (ru) * 2018-12-24 2019-11-19 Ордена трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технический университет связи и информатики" (МТУСИ) Оптический аналого-цифровой преобразователь

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2119182C1 (ru) * 1996-05-05 1998-09-20 Ростовское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск им.Гл.маршала Неделина М.И. Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2177165C1 (ru) * 2000-05-24 2001-12-20 Ростовский военный институт ракетных войск Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2324210C1 (ru) * 2006-11-21 2008-05-10 Сергей Викторович Соколов Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2361251C1 (ru) * 2008-01-22 2009-07-10 Владислав Валерьевич Каменский Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2706454C1 (ru) * 2018-12-24 2019-11-19 Ордена трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технический университет связи и информатики" (МТУСИ) Оптический аналого-цифровой преобразователь

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2787687C2 (ru) * 2021-05-31 2023-01-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный экономический университет (РИНХ)" Оптический умножитель
RU2807001C1 (ru) * 2023-04-13 2023-11-08 Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ) Оптоэлектронный преобразователь кода

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11817903B2 (en) Coherent photonic computing architectures
US7403711B2 (en) Optical digital-to-analog converter and method of optically converting digital data to analog form
WO2020027868A2 (en) Serialized electro-optic neural network using optical weights encoding
US20220012582A1 (en) Neuromorphic photonics with coherent linear neurons
JPH0719006B2 (ja) 光電式ad変換器
US7061414B2 (en) Optical digital-to-analog converter
Taylor Guided wave electrooptic devices for logic and computation
RU2706454C1 (ru) Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2745592C1 (ru) Оптический аналого-цифровой преобразователь
CN117614450A (zh) 一种光学模拟数字转换器
RU2744348C1 (ru) Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2324210C1 (ru) Оптический аналого-цифровой преобразователь
CN101281339A (zh) 一种Sagnac结构的光学模数转换器
Sokolov et al. Synthesis of Waveguide-Optical Analog-to-Digital Converter for Ultra-High Speed Systems of Information Processing
RU2756462C1 (ru) Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2807001C1 (ru) Оптоэлектронный преобразователь кода
RU2361251C1 (ru) Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2755596C1 (ru) Оптический цифроаналоговый преобразователь
US11880116B2 (en) Optical digital/analog converter
Leven et al. A 12.5 Gsample/s optical digital-to-analog converter with 3.8 effective bits
RU2177165C1 (ru) Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2444048C2 (ru) Оптический вычислитель оптимального параметра
RU2329527C1 (ru) Оптический аналого-цифровой преобразователь
RU2767292C1 (ru) Радиофотонный аналого-цифровой преобразователь
CN221079153U (en) Optical digital-to-analog converter and optical digital-to-analog conversion device