Электрооптический сумматор

(51)06 15/64 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники НАН Беларуси(72) Авторы Пилипович Владимир Антонович Есман Александр Константинович Гончаренко Игорь Андреевич Кулешов Владимир Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники НАН Беларуси(57) 1. Электрооптический сумматор, содержащий шесть разветвителей, два оптически связанных логических элемента сложения по модулю два, отличающийся тем, что содержит два волоконных логических элемента И, две активные брегговские ячейки, преобразователь длины волны, вход которого оптически соединен с одним из выходов первого разветвителя, второй выход которого оптически соединен с входом третьего разветвителя,один из выходов которого оптически соединен с входом первого логического элемента сложения по модулю два, а второй - с одним из входов пятого разветвителя, второй вход первого логического элемента сложения по модулю два оптически соединен с одним из выходов второго разветвителя, второй выход которого оптически соединен с входом шестого разветвителя, один из выходов которого оптически соединен с вторым входом пятого разветвителя выходы пятого и шестого разветвителей оптически соединены соответственно с одним из входов первого и второго волоконных логических элементов И, выходы 7332 1 2005.09.30 которых оптически соединены с входами четвертого разветвителя, вторые входы первого и второго волоконных логических элементов И соединены соответственно с выходами второй активной брегговской ячейки и преобразователя длины волны, при этом второй вход второго логического элемента сложения по модулю два оптически связан с выходом первой активной брегговской ячейки оптические и электрические входы первой и второй активных брегговских ячеек и оптические входы первого и второго разветвителей являются входами устройства, а выходы второго логического элемента сложения по модулю два и четвертого разветвителя являются выходами суммы и переноса устройства соответственно. 2. Сумматор по п. 1, отличающийся тем, что все волоконные логические элементы И выполнены на основе волоконно-оптических резонаторов Фабри-Перо, легированных резонансными примесями. 3. Сумматор по п. 2, отличающийся тем, что длинарезонаторов всех волоконных логических элементов И выбрана из условия 3 см, при этом концентрации резонансных примесей - ионов эрбияи иттербиязаданы в диапазоне 1,51025 см-3 и 18,751025 см-3. 4. Сумматор по п. 1, отличающийся тем, что активные брегговские ячейки выполнены на основе электрооптических волноводов с записанными брегговскими решетками с периодом 0,560,36 мкм. Изобретение относится к элементной базе вычислительной техники и может быть использовано для построения высокопроизводительных узлов обработки цифровых данных со спектральным уплотнением в каналах и сетях связи, спецвычислителях. Наиболее близким по технической сущности является параллельный оптический сумматор 1, содержащий 7 каскадов последовательно оптически связанных составных компонентов, где в первом каскаде три разветвителя оптически соединены с четырьмя инверторами второго каскада, логическим элементом сложение по модулю два четвертого каскада, логическим элементом сложения по модулю два шестого каскада, последний через инвертор седьмого каскада оптически связан с выходом суммы устройства, при этом три инвертора второго каскада оптически соединены с тремя разветвителями третьего каскада, последние через последовательно оптически связанные элементы ИЛИ-НЕ четвертого каскада, элемент ИЛИ-НЕ пятого каскада и инвертор шестого каскада подключены к выходу переноса устройства, причем четвертый инвертор второго каскада через оптически последовательно связанные инвертор третьего каскада, логический элемент сложения по модулю два четвертого каскада, инвертор пятого каскада, логический элемент сложения по модулю два шестого каскада и инвертор седьмого каскада соединен с выходом суммы устройства, при этом разветвитель первого каскада оптически связан с логическим элементом сложения по модулю 2 шестого каскада, причем каждый составной компонент представляет собой двух или пяти каскадное включение оптических элементов. Описанное устройство не обладает высоким быстродействием, т.к. для выполнения одного суммирования входные оптические сигналы должны пройти оптический путь, состоящий из 27 включенных последовательно различных оптических элементов разветвителей, полупроводниковых усилителей, фильтров, инвертирующих каскадов. Такое большое количество каскадов в сумматоре вызвано не оптимальной логической схемой и многокаскадной внутренней компоновкой каждого логического элемента. Техническая задача - увеличение быстродействия при одновременном повышении надежности. Поставленная техническая задача в заявленном устройстве решается тем, что в электрооптический сумматор, содержащий шесть разветвителей, два оптически связанных логических элемента сложения по модулю два введены два волоконных логических элемента И,2 7332 1 2005.09.30 две активные брэгговские ячейки, преобразователь длины волны, вход которого оптически соединен с одним из выходов первого разветвителя, второй выход которого оптически соединен с входом третьего разветвителя, один из выходов которого оптически соединен с входом первого логического элемента сложения по модулю два, а второй - с одним из входов пятого разветвителя, второй вход первого логического элемента сложения по модулю два оптически соединен с одним из выходов второго разветвителя, второй выход которого оптически соединен с входом шестого разветвителя, один из выходов которого оптически соединен с вторым входом пятого разветвителя выходы пятого и шестого разветвителей оптически соединены соответственно с одним из входов первого и второго волоконных логических элементов И, выходы которых оптически соединены с входами четвертого разветвителя, вторые входы первого и второго волоконных логических элементов И соединены соответственно с выходами второй активной брэгговской ячейки и преобразователя длины волны, при этом второй вход второго логического элемента сложения по модулю два оптически связан с выходом первой активной брэгговской ячейки оптические и электрические входы первой и второй активных брэгговских ячеек и оптические входы первого и второго разветвителей являются входами устройства, а выходы второго логического элемента сложения по модулю два и четвертого разветвителя являются выходами суммы и переноса устройства соответственно. Для эффективного решения технической задачи все элементы И выполнены на основе волоконно-оптических резонаторов Фабри-Перо, легированных резонансными примесями. Для эффективного решения поставленной задачи длинарезонаторов всех элементов И выбрана из условия 3 см, при этом концентрации резонансных примесей - ионов эрбия Е и иттербия- заданы в диапазоне 1,51025 см-3 и 18,751025 см-3. Для эффективного решения поставленной задачи активные брэгговские ячейки выполнены на основе электрооптических волноводов с записанными брэгговскими решетками с периодом 0,560,36 мкм. Увеличение быстродействия в предлагаемом изобретении достигается за счет существенного (более чем в 5 раз) сокращения оптического пути и числа каскадов последовательного преобразования входных сигналов. Такой положительный эффект получается в результате комплексного использования логической схемы с минимальным количеством каскадов, оригинальных логических и активных элементов минимальной длины с разнообразной функциональной нагрузкой. Вновь введенные элементы осуществляют в широкой полосе частот либо электрооптическое преобразование в нужном диапазоне несущих частот, либо выполнение логической функции И при одновременном смещении спектра выходного сигнала. Надежность работы в предлагаемом устройстве увеличивается за счет значительного (в 4, 3 раза) уменьшения количества отдельных оптических элементов. Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, на котором приведена функциональная схема заявляемого устройства, где 1, 2, 3, 8, 5, 13 - соответственно первый - шестой разветвители, 4, 11 - первый и второй логические элементы сложения по модулю два, 6, 7 первый и второй волоконные логические элементы И, 9 - преобразователь длины волны,10, 12 - первая и вторая активные брэгговские ячейки. На фиг. 2 приведена таблица истинности предлагаемого устройства, поясняющая его работу. В электрооптическом сумматоре выходы разветвителей 1, 2 оптически соединены через разветвитель 3 и непосредственно - с первым логическим элементом сложения по модулю два 4, через разветвители 3, 5 - с первым волоконным логическим элементом И 6,выход которого вместе с выходом второго волоконного логического элемента И 7 оптически соединены с входами четвертого разветвителя 8, выход последнего является выходом переноса устройства. Выход первого разветвителя 1 через преобразователь длины волны 9 оптически соединен со входом второго логического элемента И 7. Второй раз 3 7332 1 2005.09.30 ветвитель 2 через шестой 13 и пятый 5 разветвители связан со вторым волоконным логическим элементом И 7. Выход первой активной брэгговской ячейки 10 вместе с выходом первого логического элемента сложения по модулю два 4 оптически связаны со входами второго логического элемента сложения по модулю два 11, выход которого является выходом суммы устройства. Выход второй активной брэгговской ячейки 12 связан со входом первого волоконного логического элемента И 6. Выход второго разветвителя 2 через шестой разветвитель 13 оптически соединен со вторым волоконным логическим элементом И 7 и пятым разветвителем 5. Входы разветвителей 1, 2 и активных брэгговских ячеек 10, 12 являются входами устройства. В конкретном исполнении разветвители 1, 2, 3, 5, 8, 13 - это стандартные оптические волоконные разветвители с коэффициентом деления 5050, работают в диапазоне длин волн 1,52 мкмпервый и второй логические элементы сложения по модулю два 4, 11 это волоконные разветвители с двумя полупроводниковыми усилителями первый и второй логические элементы И 6, 7 - это резонаторы Фабри-Перо, изготовленные из волокна, легированного резонансными примесями, причем один логический оптический сигнал из диапазона длин волн 1,52 мкмпоступает в сердцевину, а другой из диапазона длин волн 0,99 мкм- в оболочку волокна. При мощности последнего сигнала (сигнала накачки)2 мвт проявляются нелинейные свойства материала резонатора, и логический элемент начинает излучать на длине волны соседней моды преобразователь длины волны 9 это волоконный интерферометр Майкельсона с оптическими полупроводниковыми усилителями в плечах, активные брэгговские ячейки 10, 12 - это брэгговские отражатели, выполненные на основе электрооптических управляемых волноводов или электрооптических волокон. Работает электрооптический сумматор в соответствии с таблицей истинности, представленной на фиг. 2. При отсутствии оптических логических единиц на разрядном входеи переноса , а также равенстве нулевому логическому значению электрического разрядного сигнала(- ), на электрических входах активных брэгговских ячеек 10, 12 ни одна из указанных ячеек не пропускает входных световых сигналов, волоконные логические элементы И 6, 7 не усиливают, поэтому на выходах суммыи переноса 1 отсутствуют логические единичные сигналы (строка 1 табл. истинности). При одновременном появлении оптических единичных сигналов на входах , , а также электрического разрядного единичного сигнала(, строка 2 табл. истинности), постоянные оптические сигналы 1 и, поступающие на входы соответственно первой 10 и второй 12 активных брэгговских ячеек, проходят на их выходы в результате смещения полосы пропускания. На выходах указанных ячеек появляются единичные оптические сигналы (1) и ,которые поступают соответственно на входы второго логического элемента сложения по модулю два 11 и первого логического элемента И 6. В данный момент времени, соответствующий 2-й строке таблицы истинности, на входах первого логического элемента сложения по модулю два 4 имеются единичные оптические сигналы (1) и ,прошедшие через соответственно разветвители 1, 3 и 2. Вследствие этого на входе второго логического элемента сложения по модулю два 11 имеется один нулевой логический сигнал, а на его выходе - единичный сигнал (1). Через разветвитель 1 единичный разрядный сигнал Р(1) проходит на вход преобразователя длины волны 9, с выхода которого излучение с длиной волны , поступает на вход накачки второго волоконного логического элемента И 7. Одновременно через разветвители 2, 13 на вход второго волоконного логического элемента И 7 приходит единичный оптический сигнал (1), который после усиления и изменения длины волны поступает через разветвитель 8 на выход устройства как сигнал переноса 1(1)1. В рассматриваемый момент времени в первом волоконном логическом элементе И 6 аналогично формируется единичный выходной сигнал, т.к. на его входах присутствуют сигналыи , прошедшие через соответ 4 7332 1 2005.09.30 ственно разветвители 2, 13, 5 и вторую активную брэгговскую решетку 12. Строка 3 фиг. 2 как и для строки 2 соответствует появлению сигналана входах обоих оптических логических элементов И 6, 7, а также первого логического элемента сложения по модулю два 4. При отсутствии оптического излучения накачки на длине волнына входах волоконных логических элементов И 6, 7 входной сигналв них поглощается, и на их выходах, а также выходе разветвителя 8 имеется нулевое значение логического сигнала 1(1)0. Единичный сигнал , пришедший через разветвитель 2 на вход первого и далее второго логических элементов сложения по модулю два 4, 11, проходит последовательно эти элементы и поступает на выход устройства в качестве сигнала суммы 1. Строка 4 таблицы истинности из фиг. 2 соответствует появлению единичного оптического сигналана входах логических элементов сложения по модулю два 4 и И 7, прошедшего соответственно через разветвители 1, 3 и преобразователь длины волны 9. Указанный сигнал в логическом элементе И 7 поглощается, а через логические элементы сложения по модулю два 4 и 11 проходит на выход устройства как сигнал суммы 1. Строка 5 таблицы истинности, фиг. 2 соответствует появлению единичного разрядного электрического сигнала В, который, поступая на входы первой 10 и второй 12 активных брэгговских ячеек, смещает их функцию пропускания по спектру. Указанное смещение приводит к пропусканию сигналов 1 и, непрерывно поступающих на входы рассматриваемых ячеек. Первый из полученных оптических сигналов В через второй логический элемент сложения по модулю два 11 проходит на выход устройства 1, в то время как второй -в первом волоконном логическом элементе И 6 поглощается 1(1)0. Строка 6 таблицы истинности, фиг. 2 соответствует одновременному появлению единичных разрядных сигналов электрического В, и оптического . Последний из указанных сигналов, пройдя через разветвители 2, 13, 5, усиливается в первом волоконном логическом элементе И 6, на входе накачки которого присутствует оптический сигнал . Сигналы ,формируются в первой и второй активных брэгговских ячейках 10, 12 как указано выше (строка 2). Единичный оптический сигналне проходит через второй логический элемент сложения по модулю два 11, т.к. на его втором входе присутствует сигнал , прошедший через разветвитель 2 и первый логический элемент сложения по модулю два 4. Строка 7 таблицы истинности соответствует одновременному приходу единичных оптических сигналов , Р, которые, пройдя через соответственно разветвители 2, 13, а также разветвитель 1 и преобразователь длины волны 9, формируют на выходе второго волоконного логического элемента И 7 единичный оптический сигнал 1(1), который через разветвитель 8 проходит на выход устройства. Рассматриваемые сигналыи Р, прошедшие через соответственно разветвители 2, а также 1, 3, приходят одновременно на входы первого логического элемента сложения по модулю два 4, где оба поглощаются. Строка 8 таблицы истинности соответствует одновременному появлению единичных сигналови , которые, пройдя соответственно через первую и вторую активные брэгговские ячейки 10, 12, а также разветвители 1, 3, 5 преобразователь длины волны 9, поступают на входы первого волоконного логического элемента И 6 в виде сигнала накачки В и входного оптического сигнала . Последний из указанных сигналов после усиления в первом волоконном логическом элементе И 6 и смещения несущей длины волны поступает через разветвитель 8 на выход устройства в виде сигнала переноса 1. Остальные части из указанных входных сигналов поглощаются во втором волоконном логическом элементе И 7 и втором логическом элементе сложения по модулю два 11. Спектральное уплотнение и разуплотнение входных и выходных данных в каналах ввода-вывода многоразрядных сумматоров производится с помощью стандартных мультиплексоров и демультиплексоров аналогично 1. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.