Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации - Семенов А.С.
ISBN 5-256-00738-6
Скачать (прямая ссылка):
7.9. АРИФМЕТИЧЕСКИЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
Вопросам разработки и изготовления ОИС для выполнения численных расчетов аналоговыми методами и рассмотрению вычислительных алгоритмов посвящено очень много работ. Наиболее полным является обзор [81], в котором детально рассмотрены вопросы организации архитектуры ИО-процессо-ров, выполняющих операции вычисления на основе аналоговых оптических методов. В настоящем параграфе мы кратко остановимся только на основных принципах работы подобных устройств и последних достижениях в этой области.
Оптоэлектронный характер работы ОИС и оптических систем численной обработки сигналов проявится особенно ярко, если по-
.196 пробовать перечислить выполняемые ими элементарные арифметические операции. Оптическое сложение двух пучков можно выполнить с помощью У-разветвителя. Для того чтобы эта операция была линейной и воспроизводимой, световые сигналы должны быть взаимно некогерентными. После сложения получается также оптический сигнал, что позволяет проводить с ним дальнейшие оптические операции.
Не существует прямого способа непосредственного вычитания двух амплитуд или интенсивностей света. Однако разработано несколько методов генерации оптического сигнала, пропорционального разности двух напряжений. Один из них основан на применении электрооптического фазовращателя, который выполнен в виде полоскового волновода и создает фазовый сдвиг, пропорциональный Uі—U2. В другом варианте используется электрооптически формируемая в волноводе фазовая дифракционная решетка. Здесь интенсивность дифрагированного пучка пропорциональна sin2(U<—Ui). Если фазовращатель поместить в одно из плеч интерферометра, то интенсивность света на выходе будет иметь такую же тригонометрическую зависимость от разности напряжений.
Все известные на сегодняшний день способы умножения чисел оптическими методами основаны на управляемом ослаблении (усилении) светового сигнала. Для умножения переменной, определяемой интенсивностью пучка, на некоторую константу можно использовать модулятор света. Применение последовательно включенной (каскадной) пары модуляторов позволяет выполнять умножние двух величин, пропорциональных напряжениям на модуляторах. Для электрооптического дифракционного модулятора наиболее приемлемо размещение электродов «елочкой».
Операция деления — наиболее сложная операция для элементов в ИО-исполнении. Ниже будет рассмотрен один из переходов, использующий полиномиальный конвейерный процессор.
На основе ИО-элементов разработан ряд устройств, выполняющих функции вычитания и умножения векторов, линеаризации выходных сигналов. Двумерная природа интегральной оптики несколько ограничивает возможности конструирования, и тем не менее можно спроектировать ОИС для выполнения таких операций, как умножение матрицы на вектор и матрицы на матрицу [81]. Архитектура этих схем достаточно сложна и, по-видимому, выходит за рамки нашего рассмотрения. Однако такие сложные схемы уже находят практическое применение. Разработан ИО-процессор, предназначенный для предварительной (до передачи на Землю) обработки многоканальных данных о земных природных ресурсах, которые регистрируются различными дистанционными датчиками. Такая процессорная система способна сравнивать в реальном масштабе времени одновременно принимаемые аналогичные сигналы в 16 спектральных каналах с набором предварительно записанных в нее опорных сигналов [83]. Такие многоканальные данные выражаются в виде 16-мерных векторов, и
.197 операция сравнения с аналогичными опорными векторами осуществляется вычитанием компонентов векторов.
Разработан оптический полиномиальный конвейерный процессор в интегральном исполнении [81]. В основе его работы лежит тот факт, что любой полином, например
Pn (х) = а4 X4+ O0X3-^a2 X2 + % х1 + а0, можно представить в виде
рп (*) = {1(? * + х + аг] * + %} х + а.
Последний полином представлен набором вложенных биномов вида йп^+йп-ь Такие операции можно выполнить оптически с помощью вычислительного модуля, состоящего из модулятора, объединителя пучков и источника света. Ясно, что каскадное включение ряда таких элементов позволит получить на выходе оптический сигнал, пропорциональный Pn (х), а изменяя х в диапазоне 0<*<1, можно получить соответствующее значение полинома. На рис. 7.18 показана ОИС, реализующая такой алгоритм последовательного разделения. Одномодовый планарный волновод размещается на подложке из ниобата лития. Объединители пучков используют фиксированные поверхностные дифракционные решетки, записанные в As2Ss, а модуляторы работают как управляемые электрооптические дифракционные решетки. Для каждой из величин ап используются отдельные лазеры, поскольку во избежание интерференции в объединителях пучков источники должны быть взаимно некогерентными. При скоростях передачи данных, меньших, чем скорость распространения света через «конвейер», во все модуляторы могут параллельно поступать
?74. Ct3 Ct2
Рис. 7.18. ИО-полиномиальный конвейерный процессор:
