оптоэлектронное вычислительное устройство

Формула изобретения

Оптоэлектронное вычислительное устройство, содержащее последовательно соединенные матричный фотоприемник, матричный усилитель и матричный излучатель, отличающееся тем, что в него введены оптический объединитель, два оптических блока умножения матриц и два оптических Y-разветвителя, вход первого оптического Y-разветвителя является входом устройства, а выход его второго оптического разветвления является транспонирующим за счет пространственной ориентации оптических разветвлений выход каждого его оптического разветвления подключен ко входам вертикального оптического разветвителя соответствующего оптического блока умножения матриц, содержащего N групп из N объединенных по выходу вертикальных оптических разветвлений каждая, входы которых оптически связаны со входами-столбцами матричного входа блока, а выход каждого такого объединения разветвлен на N вертикальных оптических разветвлений оптического блока умножения матриц, выходы которых подключены ко входам столбцов вычислительного транспаранта оптического блока умножения матриц, выходы строк которого подключены ко входам объединенных горизонтальных оптических разветвлений N групп оптического блока умножения матриц, выходы которых подключены ко входам соответствующих диспергирующих элементов этого блока, выходы которых образуют выход оптического блока умножения матриц, а выходы обоих оптических блоков умножения матриц подключены ко входам оптических ответвлений оптического объединителя, вход второго из которых является транспонирующим за счет пространственной ориентации оптических разветвлений, а выход оптического объединителя подключен к матричному фотоприемнику, матричный излучатель подключен к транспонирующему за счет пространственной ориентации оптических разветвлений входу второго оптического Y-разветвителя, первое оптическое разветвление которого объединено с первым оптическим Y-разветвителем, а выход второго оптического разветвления является выходом устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано в оптических вычислительных машинах при решении задач матричного анализа.

Известны различные средства и способы матричных преобразований, основанные на перемножении матриц. Максимальное быстродействие обеспечивают устройства, в которых реализован параллельный принцип перемножения (А.С. N 422008, СССР, 1972 г., БИ N 12, 1974 г.; А.С. N 1226498, СССР, 1984 г., БИ N 15, 1986 г.). Недостатками данных устройств являются, во-первых, необходимость использования когерентного излучения (что затрудняет достижение высокой точности при многократном перемножении из-за неизбежных фазовых искажений), а во-вторых, невозможность решения с их помощью задач матричного анализа, требующих организации циклического перемножения матриц.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптоэлектронное вычислительное устройство (А.С. N 1802367, СССР, кл. G 06 E 3/00, опубл. 15.3.93), содержащее последовательно соединенные матричный фотоприемник, матричный усилитель и матричный излучатель.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности решения базовых задач матричного анализа ввиду нереализуемости в устройстве матричного перемножения произвольной кратности.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи быстродействующего интегрирования матричных линейных дифференциальных уравнений общего вида



где C - матрица-решение,

A, B - известные постоянные матрицы.

Выбирая шаг интегрирования h системы (1) из требований к точности решения, приведенное матричное уравнение можно представить в следующей дискретной форме:

C_k = C_k-1(E+hA)+hBC_k-1 = C_k-1(E+hA)+(C_k-1^ThB^T)^T, (2)

где E - единичная матрица, K - номер шага решения.

Последняя форма в (2)

C_k = C_k-1(E+hA)+(C_k-1^T hB^T)^T (3)

является исходной для формирования решения в предлагаемом устройстве.

Подобная задача возникает при решении уравнений теории стохастического оценивания, теории устойчивости систем управления и т.д.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены оптический объединитель, два оптических блока умножения матриц и два оптических Y-разветвителя, вход первого оптического Y-разветвителя является входом устройства, а выход его второго оптического разветвления является транспонирующим за счет пространственной ориентации оптических разветвлений, выход каждого его оптического разветвления подключен ко входам вертикального оптического разветвителя соответствующего оптического блока умножения матриц, содержащего N групп из N объединенных по выходу вертикальных оптических разветвлений каждая, входы которых оптически связаны со входами - столбцами матричного входа блока, а выход каждого такого объединения разветвлен на N вертикальных оптических разветвлений оптического блока умножения матриц.

Выходы оптических разветвлений подключены ко входам столбцов вычислительного транспаранта оптического блока умножения матриц, выходы строк которого подключены ко входам объединенных горизонтальных оптических разветвлений N групп оптического блока умножения матриц, выходы которых подключены ко входам соответствующих диспергирующих элементов этого блока, выходы которых образуют выход оптического блока умножения матриц, а выходы обоих оптических блоков умножения матриц подключены ко входам оптических ответвлений оптического объединителя, вход второго из которых является транспонирующим за счет пространственной ориентации оптических разветвлений, а выход оптического объединителя подключен к матричному фотоприемнику, матричный излучатель подключен к транспонирующему за счет пространственной ориентации оптических разветвлений входу второго оптического Y-разветвителя, первое оптическое разветвление которого объединено с первым оптическим Y-разветвителем, а выход второго оптического разветвления является выходом устройства.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где представлены функциональная схема оптоэлектронного вычислительного устройства, схема оптического блока умножения матриц, схема транспонирования матриц.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предложенного устройства. Устройство содержит многомодовый оптический Y-разветвитель 1 с оптическими разветвлениями 1₁, 1₂; два оптических блока умножения матриц (ОБУМ) 2₁, 2₂; многомодовый оптический объединитель 3 с оптическими ответвлениями 3₁, 3₂; матричный фотоприемник 4, матричный усилитель 5, матричный излучатель (МИ) 6, многомодовый оптический Y-разветвитель 7 с оптическими разветвлениями 7₁, 7₂.

МИ может быть выполнен в виде матрицы светодиодов или полупроводниковых лазеров, причем длины волн излучения элементов разных столбцов МИ должны быть различны ₁,..._N.

Многомодовые оптические Y-разветвители 1, 7 и оптический объединитель 3 могут быть выполнены в виде механического объединения одномодовых оптических волноводов, топологически соответствующего матрице с заданной размерностью N x N. Участки перечисленных многомодовых оптических волноводов, отмеченные на фиг. 1 индексом s, соответствуют конструктивной разводке одномодовых оптических волноводов, обеспечивающей транспонирование матрицы - сигнала и описанной далее (при описании фиг. 3).

Вход устройства оптически связан со входом многомодового оптического Y-разветвителя 1, выходы оптических разветвлений 1₁, 1₂ которого подключены ко входам ОБУМ 2₁, 2₂. Выходы ОБУМ 2₁, 2₂ подключены ко входам оптических ответвлений 3₁, 3₂ многомодового оптического объединителя 3, выход которого через последовательно соединенные матричные фотоприемник 4, усилитель 5 и излучатель 6 подключен ко входу многомодового оптического Y-разветвителя 7, первое многомодовое оптическое разветвление 7₁ которого объединено с многомодовым оптическим Y-разветвителем 1, а выход второго многомодового оптического разветвления 7₂ является выходом устройства.

На фиг. 2 представлена функциональная схема ОБУМ 2₁, i= 1, 2. ОБУМ 2_i содержит вертикальный оптический разветвитель 8, вычислительный транспарант 9, горизонтальный оптический разветвитель 10 и группу диспергирующих элементов (ДЭ) 11₁,...,11_N (например, призм, фильтров, дифракционных решеток и т.д.). Вертикальный оптический разветвитель (ВР) 8 представляет собой N групп из N объединенных по выходу вертикальных оптических разветвлений каждая, причем выход данного объединения разветвляется далее также на N вертикальных оптических разветвлений. Горизонтальный оптический разветвитель (ГР) 10 представляет собой N групп 10₁,...,10_N из N объединенных по выходу горизонтальных оптических разветвлений каждая.

Входы N объединенных вертикальных оптических разветвлений 8₁₁,...,8_1N каждой группы ВР объединены со входами-столбцами матричного входа ОБУМ 2_i, а выходы вертикальных оптических разветвлений 8₂₁,...,8_2N каждой группы ВР подключены ко входам столбцов вычислительного транспаранта 9. Выходы строк вычислительного транспаранта 9 подключены ко входам объединенных горизонтальных оптических разветвлений соответствующих групп 10₁,...,10_N ГР, выходы которых подключены ко входам ДЭ 11₁,...,11_N, выходы которых являются выходами ОБУМ 2_i.

На фиг. 3 представлена схема транспонирования матрицы, содержащая N(N-1)/2 групп парных оптических разветвлений 12₁,...,12_N(N-1)/2. Пространственная ориентация пары оптических разветвлений каждой группы 12_i обеспечивает взаимную пространственную замену оптических участков плоского светового потока, соответствующих элементам матрицы со взаимообратными индексами.

Устройство работает следующим образом. На вход устройства поступает полихроматический матричный импульсный световой поток с распределением интенсивности, пропорциональной 2NC₀ (C₀ - матрица начальных условий в (1)), представляющий собой матрицу точечных разделенных потоков, монохроматичных по строке с длинами волн ₁,..._N соответственно. Проходя через оптический Y-разветвитель 1, данный поток поступает на вход ОБУМ 2₁, формируя на его входе матричный оптический сигнал, пропорциональный NC₀, и через транспонирующий участок 1_s оптического разветвления 1₂ - на вход ОБУМ 2₂, формируя на его входе матричный сигнал, пропорциональный NC₀^T. В ОБУМ 2₁ происходит следующее.

Световой поток на входе вертикального оптического разветвителя 8 образует на N входах вертикальных оптических разветвлений совокупность разнохроматических сигналов с интенсивностями, пропорциональными значениям элементов i-го столбца матрицы C₀: N С_1i,..., N C_Ni. На выходе оптического разветвления 8_1i данные сигналы объединяются в полихроматический световой поток, который, поступая в оптическое разветвление 8_2i, выходы которого оптически связаны с соответствующими элементами i-го столбца вычислительного транспаранта 9 (т.е. i-й строки матрицы E+hA, массиву элементов которой пропорциональна функция пропускания вычислительного транспаранта 9), обеспечивает умножение на каждый n-й элемент матрицы (E+hA)-e_in+h a_in, всей необходимой совокупности элементов С_1i,...,С_Ni. Объединение световых потоков, формирующихся на выходах элементов строк вычислительного транспаранта 9, с помощью горизонтальных оптических разветвлений 10₁,...,10_N горизонтального оптического разветвителя 10 приводит к формированию на входе m-го ДЭ 11m полихроматической смеси N оптических сигналов с интенсивностями, пропорциональными т.е. пропорциональными значениям элементов c_sm^* результирующей матрицы C₀(E+hA)=C^*.

Расщепление каждого такого потока по горизонтали с помощью ДЭ позволяет разнести в пространстве оптические сигналы с длиной волны _i и интенсивностью с_im^*, сформировав, таким образом, на выходе ОБУМ 2₁ матрицу оптических сигналов с интенсивностями, пропорциональными значениям элементов матрицы C^*, причем пространственная ориентация такой матрицы по отношению к ориентации матрицы C₀ на входе обеспечивает на выходе ОБУМ 2₁ формирование транспонированной матрицы C^*T. Аналогично на выходе ОБУМ 2₂, функция пропускания вычислительного транспаранта которого пропорциональна hB^T, формируется матричный оптический сигнал с распределением интенсивности (C₀^T hB^T)^T=C^**, транспонируемый далее при прохождении оптического участка 3_s оптического ответвления 3₂. Матричные оптические сигналы C^*T и C^**T суммируются на выходе оптического объединителя 3, формируя матричный сигнал с интенсивностью, пропорциональной (C^*T + C^**T) = C₁^T, C₁ - значение решения на первом шаге.

Далее плоский световой поток с выхода оптического объединителя 3 поступает на вход матричного фотоприемника 4, выходные сигналы которого поступают на вход матричного усилителя 5, обеспечивающего усиление поступающих сигналов в 4NE раз (с целью компенсации последующих потерь интенсивности световых сигналов при разделении в ОБУМ 2₁, 2₂ и оптических Y-разветвителях 1, 7, а также при многократном прохождении оптического Y-разветвителя 7 с коэффициентом затухания Е).

С выхода матричного усилителя 5 матричный сигнал поступает на вход МИ 6, обеспечивающего формирование на входе оптического Y-разветвителя 7 плоского полихроматического светового потока с распределением интенсивности, пропорциональным матрице (C^*T + C^**T). Т.к. для дальнейшего функционирования схемы устройства необходима непосредственно матрица C^* + C^** = C₁, то на входе оптического Y-разветвителя 7 (на участке 7_s) осуществляется транспонирование входного массива за счет специальной пространственной разводки оптических разветвлений. Возможный вариант такой разводки приведен на фиг. 3, где в качестве элементов c_ij обозначены пространственные участки оптической матрицы C с интенсивностями, пропорциональными соответствующим элементам матрицы C. Группы парных оптических разветвлений 12_i осуществляют пространственное перераспределение оптических потоков (направления их показаны на фиг. 3 стрелками), обеспечивающее транспонирование выходной матрицы МИ 6.

Входной поток в оптическом Y-разветвителе 7 разделяется на 2: первый поток образует на выходе оптического Y-разветвителя 7 поток с матричной интенсивностью, пропорциональной C₁, а второй поступает по первому оптическому разветвлению 7₁ на входы ОБУМ 2₁, 2₂. Далее работа описанных функциональных блоков устройства повторяется аналогично вышеизложенному.

В ОБУМ 2₁ происходит умножение матрицы C₁ на матрицу (E+hA), в ОБУМ 2₂ - матрицы C₁^T на матрицу hB^T, на выходах оптического Y-разветвителя 7 формируются оптические матричные сигналы с интенсивностями, пропорциональными матрице C₂ - значению решения (3) на втором шаге, на следующем шаге - C₃ и т.д.

Таким образом, данное устройство обеспечивает формирование матричных дифференциальных уравнений вида (1) с быстродействием, близким к потенциально возможному для оптических устройств.