RU2745592C1 - Оптический аналого-цифровой преобразователь - Google Patents
Оптический аналого-цифровой преобразователь Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F7/00—Volume-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 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)
- 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.
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)
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)
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 |
-
2020
- 2020-12-21 RU RU2019115406A patent/RU2745592C1/ru active
Patent Citations (5)
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)
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 |