оптический компаратор

Формула изобретения

ОПТИЧЕСКИЙ КОМПАРАТОР, содержащий оптически связанные волноводные разветвления, отличающийся тем, что для реализации операции сравнения двух оптических сигналов по амплитуде, в него введены два входных информационных и два управляющих разветвителя, каждый информационный разветвитель, вход которого является одним из входов компаратора, содержит группу оптически связанных между собой волноводных разветвлений, разветвляющихся на два так, что каждое последующее разветвление данной группы является вторым разветвлением предыдущего, первые разветвления обеих групп являются оптически связанными волноводами с соответствующими двумя разветвлениями первого управляющего разветвителя, а одноименные разветления обоих информационных разветвителей объединены по выходу, при этом выходные участки всех разветвлений первого информационного разветвителя являются оптически связанными волноводами с разветвлением второго управляющего разветвителя, выход которого является выходом устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании оптических вычислительных машин.

Известны компараторы, предназначенные для сравнения амплитуд входных сигналов и формирования признака их равенства в виде выходного сигнала заданного уровня [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983].

Недостатком таких компараторов является низкое быстродействие, обусловленное их электронным исполнением, ограничивающим скорость обработки входной информации временем неизбежных переходных процессов.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является система оптически связанных волноводов [Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. - М.: ВШ, 1988, с. 131, рис. 5.2], недостатком которой является отсутствие возможности сравнения двух входных оптических сигналов по амплитуде.

Изобретение направлено на решение задачи сравнения как когерентных, так и некогерентных оптических сигналов по амплитуде. Подобная задача возникает при создании оптических систем обработки информации и связи, а также полностью оптических вычислительных машин, все операции которых осуществляются только световыми сигналами при оптическом управлении.

Сущность изобретения состоит в том, что в компаратор введены два входных информационных и два управляющих разветвителя, причем каждый информационный разветвитель, вход которого является одним из входов компаратора, содержит группу оптически связанных между собой волноводных ответвлений, разветвляющихся на два так, что каждое последующее ответвление данной группы является вторым разветвлением предыдущего, первые ответвления обеих групп являются оптически связанными волноводами с соответствующими двумя разветвлениями первого управляющего разветвителя, а одноименные ответвления обоих информационных разветвителей объединены по выходу, при этом выходные участки всех ответвлений первого информационного разветвителя являются оптически связанными волноводами с ответвлением второго управляющего разветвителя, выход которого является выходом компаратора.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного компаратора.

Оптический компаратор содержит первый 1 и второй 2 входные информационные разветвители и первый 3 и второй 4 управляющие разветвители. Входной разветвитель 1(2), вход которого является входом компаратора, представляет собой N оптически связанных между собой волноводных ответвлений 1₁,..., 1_N(2₁, . . . , 2_N), разветвляющихся на два так, что (i+1)-е ответвление 1_i+1(2_i+1) является вторым разветвлением i-го ответвления 1_i(2_i),i=1,. Одноименные ответвления 1_j, 2_jобъединены по выходу. Первый управляющий разветвитель 3 содержит два ответвления 3₁, 3₂. Ответвление 3₁ представляет собой волновод, оптически связанный с ответвлением 1₁, ответвление 3₂ - волновод, оптически связанный с ответвлением 2₁. Второй управляющий разветвитель (ответвление) 4, выход которого является выходом компаратора, представляет собой волновод, оптически связанный с выходными участками ответвлений 1₁, . ..,1_N. (Так как для обеспечения работы компаратора световой поток на выходе ответвления 1_i должен быть уменьшен в два раза, то в качестве одного из путей такого уменьшения на чертеже пунктиром показаны дополнительные ответвления, делящие выходной поток на два).

Работает компаратор следующим образом.

Сравниваемые оптические сигналы с интенсивностями соответственно I₁и I₂ поступают на входы оптических разветвителей 1 и 2, где происходит их разветвление в ответвлениях 1_i и 2_i последовательно на два, т.е. интенсивность потока в i-м ответвлении обоих разветвителей меньше входной в 2ⁱ раз. На вход разветвителя 3 в течение всего времени работы компаратора подан световой поток постоянной интенсивности I (I > > I_i), формирующий в ответвлениях 3₁, 3₂ потоки с требуемой интенсивностью, обеспечивающей возможность переброса излучения в связанный с данным оптический волновод. Так как оптически связанным с ответвлением 3₁является ответвление (волновод) 1₁, а с ответвлением 3₂, - соответственно ответвление 2₁, то при появлении в ответвлениях 1₁, 2₁сигналов с интенсивностями I2, I₂/2, достаточными для обеспечения переключения светового потока из ответвлений 3₁ и (или) 3₂, происходит переброс излучения в ответвления 1₁ и (или) 2₁. Аналогично происходит переброс излучения и далее - из ответвления 1₁ в оптически связанное с ним ответвление 1₂ (из 2₁ соответственно в 2₂), если для этого оказывается достаточно величины интенсивности I₁/4 (I₂/4). В итоге осуществляется переключение излучения из ответвления 3₁ (3₂) в ответвление 1_i (2_j), где i, j - номер последнего ответвления, на вход которого поступает оптический сигнал с интенсивностью I₁ 2^-i (I₂ 2^-j), еще достаточной для осуществления процесса переключения (так как интенсивность I₁2^-(i+3) (I₂2^-(j+1) уже этого не обеспечивает). Так как выходы одноименных ответвлений объединены, то в случае появления в одноименных ответвлениях 1_k, 2_k излучения, "переброшенного" из ответвлений 3₁, 3₂, на выходе ответвления 1_k появляется сигнал интенсивности I. Формирование такого сигнала на выходе любого из ответвлений 1_k означает равенство сигналов I₁ и I₂ в силу того, что составляющие I₁₍₂₎ 2^-k обеспечивают уровень интенсивности переключения, а I₁₍₂₎ 2^-(k+1) уже нет. В остальных случаях, когда I₁/2^k I₂/2^k и переключение излучения из ответвлений 3₁, 3₂ осуществляется в разноименные волокна 1_i, 2_j, ij, выходные сигналы интенсивности I/2 появляются на выходах двух ответвлений 1_i и 1_j. Далее световой поток, сформированный на выходе волокна 1_m, проходя по волокну, ослабляется в два раза (например, за счет дополнительного разветвления - на чертеже показано пунктиром или выбора соответствующего коэффициента затухания выходного участка ответвления и т.п.). Тем самым на выходе одного из волноводных ответвлений 1_m формируется световой поток с интенсивностью I/2 (обеспечивающей возможность дальнейшего оптического переключения) лишь в случае I₁ = I₂. (В противном случае на выходах каких-либо двух ответвлений 1_i, 1_j формируются потоки с интенсивностями I/4). Так как на вход разветвителя 4 в течение всего времени работы компаратора подан постоянный оптический сигнал интенсивности U << I, обеспечивающий в случае появления в одном из оптически связанных с разветвителем 4 ответвлений 1_m оптического сигнала с интенсивностью I/2 переключение светового сигнала из ответвления 1_m в разветвитель 4, то при выполнении равенства I₁ = I₂ на выходе разветвителя 4 (выходе компаратора) появляется оптический сигнал интенсивности I/2 + U I/2. Если I₁ I₂, то максимально возможная интенсивность оптического сигнала на выходах ответвлений 1_k I/4 и переключение излучения в разветвителе 4 не происходит - единичный сигнал (уровня I/2) на выходе компаратора отсутствует (уровень интенсивности U в данном случае соответствует нулевому уровню).

Следует отметить, что вместо разветвителя 4, оптически связанного с ответвлениями 1₁ - 1_N, можно использовать на их выходах оптические бистабильные элементы с порогом срабатывания I/2 - логика работы компаратора остается при этом прежней. Быстродействие рассмотренного компаратора определяется, по существу, временем прохождения сигнала с входа разветвителя 3 на выход разветвителя 4 и имеет порядок 10^-10 - 10^-11 с.