Функциональные элементы цифровых оптических вычислителей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

слкт пщгбу?гк«й итадаствиш шшгешШ гадайте: ~ " " ; ~ \

Бз нравах рукописи

РЖОВСКйЯ Всеволод Юръвсхч

УЖ 681.325:535

шадионмьшз зливши

ЦИФРОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ НШСЖГИЕЙ Специальность 01.01.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации 'а соискание ученой отепеки кандидата.технических наук

Санкт-Петербург 1992'

Работа выполнена в Саикт-Ееторбургском гооударотващюи техническом университете

Научныо руководит а ли ; доктор технических парс, профессор В.Ю.Патрукьккн, кандидат технических наук, доце нт А.С.Щербаков."

Официальные оппоненты: доктор Лизико-математиадскях наук, £грО'1яссор Н.Н.Рсзанозг, кандидат тзхаачзекм. паук Л.НЛреолбнов.

Ведущая организация : Московский технический университет связи и информатика. .

Эацята состоится 199¿г. в часов

на заседании специализированного соБвта К 063,38,11 в Сажг-Нвтербургском государствзшгаи техническом университете по адресу 135251, г.Саккт-П^гербург, Политехническая ул., 29, корпус , аудитория 2с

О диссертацией можно ознакомиться в адпиамеитальной библиотеке университета.

Ааторе<серат разослан

Учокый секретарь специализированного совета, кандидат Оиздао-датематачеоких наук, старший научный сотрудник

С.В.Загряжский

РОСС•■, ,

"Л,у; " ■ '

скум хлрактк?1йь:;.\ работы

Актуальность то?.щ. Необходимость оперировать в реальном масштабе врекэии сверхбольшими массивами дшпшк, возникащая пул рэаешш многих соврэыепшвс физических проблем, требует от вычислительных устройств быстродействия, Ш1ГОСТЗШ.ЮГО при использовании граявдконша олектрошглх енотом, что делает целесообразны!,I обращение к альтернативному - оптическому ттещу обработки информации. ¡Шфокиа возу.олсно-сти оптического метода подтверждаются успехами аналоговых оптических процессоров, например, для обработки изображений, корреляционного г спектрального анализа. Тем на ненов, аналоговые методы опткчосиой обработки инТярмацкн ко могут обеспечить необходимую при решении ряда задач точность вычислении. В связи с этим, в последнее время возросч, интерес к цифровым оптически!,I вычислительны.! методам, позволяющим достичь производительности систем обработки кя^оржщпл 10^.. .10^ бит/о при высокой точности и энергетических затратах Ю-"1'*.. Д?/бит, я призванным составить конкуренцию как аналоговому оптическому, -так и цифровому электронному катодам.

Разбиткэ этой перспективной области го многом определяется состоянием элементной базн, то есть разработкой и созданием функциональных элементов оптических вычислительных систем, таких как полностью оптические логические элементы, активные аотяектн цт^родас оптических процессоров, .устройства анапого-цят.рового преобразования оптических сигналов и другие.

'Первоначально большинство исследований было связано с проектированием алгебраических процессоров, в которых в большой степени используются а-густоопгнческие устройства. Пр:гменение алгоритма дискретной свертки цифрового перемножения позволило существенно повысить точность проводимых иаа вычислении. Несмотря на то, что быстродействие акустооитическлх процессоров принципиально ограничено скоростью распространения ультразвука, они являится наиболее ¿¡¿¡ектмишя устройствами ддя оптической обработки данных, представленных олоктри-Ч9СКК.1И с:ггналаг.а. сто обстоятельство стимулирует проведение исследований по оптимизации основных •¿.ушедиомшьйых ялопонтоб таких процессоров - акуотооиткческих конвольверов, в том числа, с использованием нетрадиционных способов 'пормирования сигнала дискретной свертки.

Переход к полностью оптическим мстодал;, при которых бинарная информация представлена оптическими сигналами, парадделыю загружав-

1

кшш в нелинейно-оптический процессор, позволяет существенно уменьшать время обработки цифровых данных. В этой связи актуальным является расчет предельных значений быстродействия и разрядности, а так-не вкспернзлевтальная реализация различных схем оптически связанзнх . логических вопт;ке"1, обладающее субпикосекувднкмн временами отклика. Для {фактического осугцесишшя алгоритмов цифрового перемножения в оптическом исполнении необходимо рассмотреть еозмсйжость создания ^уцкционадышх элементов аормкрования стандартного двоичного * кода результата ушопеиия - ана/юго-дк1|,роБых преобразователей оптических сигналов и полностью оптических логических элементов "искдю-чаэдее ШИ" и "К", явширяся базоЕК.и для построения сумматоров. Быстродействие этих устройств при их использовании как в цепях пост-процоссоркоЯ атгебрадмеской'ЬОработки, так и в других узлах оптического вычислителя, до.ино достигать 10 бит/с, чтобы не ограничивать производительность цжЪровюс огшгческих информационных систем.

Диссертационная работа вшкшшдась в соответствии с планом работ в рамках "Ирогра&щ основных направления иундвлектальных исследована;! и разработок,по созданию оптической сверхвысокоароазводи-теяьноД вычислительно:! малины /СС2,'/", утверзденной. »оордашащонвда научным Советом АН СССР.

Целью работ»! является расчетно-теоретпческоа и экспериментальное исследование акустооптическах и нелинейно-оптических процессоров, щшвшшдзх алгоритм дискретной свертки цифрового пере.мнокения, а также рассмотрение возшкносги реализации висскоскоросгша компонентов оптических ю»т»риакиоюшх систем, таких кап аналого-цифровой преобразователь оптических сигналов и полностью оптические логические элементы, используа-цие керровокуго нелинейность в одномодовых-волоконных световодах.

работы состоит в том, что в ней впервые: ~ в акустсоптнческом цифровом процессоре-умножителе, построенной по схеме с пространственным интегрированием, предложено и окопе-рименгалыю апробировано применение кода без возвращения к пули ///К! -кода/ к использование последовательного рассеяния в оптически анизотропном материала для осуществления дискретной свертки двоичных данных при помоги голы« одного акустооптического модулятора;

- теоретически и гжснер ментально исслецован новый принцип построения акустоонтяческого процессора на основе кшшшеарного акустического взаимодействия; 2

. - подучена oaeiscî щюдолшяс значен^* бастродейотшя :i разрядности и оеуаеоишяа эксясрл-впттьная реалазшщя полюет*.» оитичос-ких процессоров и ряда их моди^пдпцлл, образованных свт;х;; оптических логических ушютагодеЗ иа основе кек(шктоарга>Я гокврашп* второй гармоники в крдстагта ;1одата лития;

- разработаны схе:.ты аяаяого-зди'рошх преобразователе;; оптических сигналов наратлольпого и последовательного типов, ¡голользуоцио [сорровскуп нелинейность з волоконных кятерреро.'-лстрах !,!аха-Цепдера;

- прошдоц анализ- яа^оркацкоших возиоазюстей водоконао-оатз-ческих петловнх логических атекеигов с учетом к^одта разовой кросс-юдуляция и на основе предложенной. модоям рассчитана вероятность юс талого срабатнваниги

Практическая ценность работы состоит в непосредственной применимости её результатов для создания элементной база цифровых опти-•эских вычлслктоле;Ч. Использование активных элементов акустооятпчос-их процессоров на основе дискреткой свортки возмодо' для соверзоа-¡твошния оптлческлх схем обработки электронных входных цифровых ;ашщх. Полностью оптические функциональные элемента па основе нелм-юйинх кристаллов и корровс;;ол нелшюйпостл в волоконных световодах, кЗяадаящие ишшяыпш вре:лоишш срабатывания, могут пр.пленяться [pu проектировании к построении внсокоскоросгннх узлов и блоков оп-■ической вычислительной машичы.

.полотатая.. •

1. В акустоопт;гчесгсом процессоре на основа алгоритма дискретной вертки цифрового пвромшшвая воззвано прашяешю Ж2-кола, кото-оэ обеспечивает дэукратиоо повншэнко шц-ормацу.оинон емадста устро.1-тва; использоваико оптдческои ачкзотрошш жги акустической пелапеи-ости материала акустоотчгческого модулятора позволяет судествокно простить оптлческу» схе:.!у процессора.

2. Полностью оптические процессора, основаннне на явлеппд не-ол-шноарной генерации второй гармоникл, способно1 обрабатывать 32-азряднш двоичные числа с блстроцеиствлем до Ю1-0 бта/с. Прл этом ¡гнкцяоаальнгсе возможности таких процессоров определяются выбором жТотурации сети оптически связанных логических венткяей в нелинай-т кристалле.

3. Использование керповскоЛ яслшейност» в володонпнх ичтор.'е-зиетрах делает возыожнш построение высокоскоростных алалого-аиф-)вых преобразователей оптических сигналов, а также полиостью онтя-

ческих логических петлевых ¡элементов, на шформациошшэ возможности; которых судествениым образом влияет эффект ¡пазовой кросс-модуляции'.

Апробация работы. Основные результата диссертационной работы докладывались и обсуждались на следущих конференциях: III Всесоюзная кон^ерещия по вычислительной оптоэлектрошше /Ереван, 1987/, I Всесоюзная конаеренцдя по оптической обработке информации /Ленинград, 1988/, I Соведание-сешшар "Оптическая бистабильность и оптические вычислительные системы" /Минек, 1938/, Всесоюзная научно-техническая конференция "Современные проблемы радиоэлектроники" /Москва, 1988/, III Всесоюзный научно-технический семинар по пространственно-временным модуляторам света и оптико-электронным системам обработки изображений и сигналов в .реачьнои времени /1ьвов, 1989/, II Европейская конференция по квантовой электронике /Дрезден, ГДР, 1989/, УН Всесоюзный семинар по оптической обработке информации /Тбилиси, 1939/, II СоЕеданке-сешщар "Оптическая бистабшьиостъ и оптические вычислительные системы" /Мипск, 1990/, II Всесоюзная конференция по оптической обработке информации /Фрунзе, 1990/, Международная школа-семинар "Акустооптика: исследования и направления развита" /Ленинград, 1990/, I Международная кошУеренция по волоконной оптике /Ленинград, 1991/, II Всесоюзная конпврвнция "Физические проблемы оптической связи и обработка информации" /Севастополь, 1991/, Х1У Международная • кон!':)еро!ЩЕя по когерентной и нелинейной оптике /Ленинград, 1991/, гЛоздународная конференция "/®А.о£ол«с /Минск, 1992/.

Публикации. По материала.! диссертации опубликовано 23 работы, получены 2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заюшчекия, тр§х приложений и списка литературы; содержит 102 страницы основного текста, 55 рисунков, 5 таблиц, библиографию из 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РЛБСШ

Во введении обоснована актуальность проведенных в диссертационной работе исследований, садармулирована цель работы, определены научная новизна ж практическая ценность полученных результатов, изложены за-дюдаемые положения, содеркатся сведения об апробации диссертационной работы и кратко изложено её содержанке.

В первом разделе проведен анализ современного состояния работ

по созданий элементной базы цифровых оптических вычислительных, устройств. Основное внимание уделено акустооппгческим процессорам /АОП/, применяющим алгоритм дискретной свертки пэремнохения двоичных чисел; полностью оптическим процессорам на оспою явления кекодлинеарной генерации второй оптической гармоники, позкшшцим реализовать ойшгрные сети быстродействующих логических вентилей в нелинейном кристалле; оптическим и оптоэлектроннш устройствам аналого-цифрового -преобразования; логическим и переключающим элементам, использующим керровскую нелинейность в кварцевых волоконных световодах.

■На основании анализа литературных данных определены актуальные направления исследований и разработок..

Втовой раздел посвяцен исследования:,! акустооптических цифровых процессоров-умножителей на основе дискретной свертки.

С целью отработки методики оценки рабочих характеристик и проведения- модэлышх экспериментов исследовался АОИ-укноамтоль, построенный по схеме о пространственный интегрирование!,!. Била собрана схема, использующая холлиллрованшп когерентна:! световой пучок, последовательно рассеиваемый на двух акустооптических ячейках, акустические высокочастотные сигпаты в которых кодированы двоичными числами и распространяются в противоположна направлениях. Сигнал дискретной свертки с выхода .¡потодетектора при покоди аналого-цифрового преобразователя и сдвигаэдего сумматора, собранного ка элементах цифровой техники, преобразовывался в стандартный двоичный код. Показано, что помимо , традиционного-кодирования данных прямоугольны,;:! импульсами с промежутками времена между шла, равными длительности самих иипульсов / Л?-код/, позволяющего получить дискретную свертку в виде треугольных импульсов разлотнол амплитуды, в рассматриваемом процессоре возможно применение кода без возвращения к нулз / -кода/, обеспечивающего в два раза более плотную закись яьчюр-лацил. .'Эта возк<шост$ обусловлена использованием при оцифровке дискретной свертки лишь её аашшудша значений, которые осталтса кепзглэшимя при нормировании выходного стала оптической охеиой АОП. В проведенных якспвралзнтах имитировались входные двоичные последовательности в обоих кодах с длительностью импульсов около 2 икс и шоуцо."1, частотой 12 ШЦ, подаваемые на пьеэопрообразователп дядкостних акустооптических модуляторов. Для трохразрддних чисел получоаш етш ллскреткой свертки и результата укшлошш в стандартной двоичной коде.

Для онммизацпи оптической части АШ лоодлс.'/сен и рсашзоазн

процессор, осуществляющий дискретную свертку двоичных данных в схеме с пространственным интегрированием при помощи только одного акустор оптического модулятора из оптически ачлзотропного материала. Принцип действия устройства основан на последовательном рассеянии коллимиро-ванного светового потока на сдвиговой S и продольной L волнах, воз-буддаомых в материале звукодровода. Обрабатываемые двойные числа модулируют кссудиа частоты £ и fE и:,тульсами о длительностями одного разряда и Vs для продольной и сдвиговой волн, соответственно, ■ удовлетворяющих условию fs = cL tk , сС= С£ /if , что обеспечивает одинаковую прортранствениую протяженность импульсов, кодирующих движущиеся с различны:®! скоростей / 6J и Щ / акустические волны. -

Построение АОП оказалось возможным и при реализации дискретной свертки на основе иного физического явления - коллинеарного взаимодействия акустических волн. Анализ системы эволюционных уравнений для нелинейных акустических процессов вида + , S+¿+-*• S_ ,

+ S_-* 1+ с участием двух сдвиговых волн, имеющих противоположные . направления распространения, и продольной водны, приведенный в Приложении I к диссертации, показал, что генерируемая акустическая волна , выражается через исходные волны посредством корреляционных интегралов или интеграла свертки, а, следовательно, специальным образом кодируя исходные акустические волны двоичными последовательностями, можно получить результирующий сигнал в ввде дискретной свертки /смешанного кода произведения/ двоичных чисел. В оптической схеме такого АОП сигнал дискретной свертки учитывается неразведанным световым пучком, направленном под углом Брэгга, соответствующим частоте результирующей акустической; волны. За счет Нормирования сигнала дискретной свертки фононной системой осуществляется переход от оптических схем с широкоапертурныш коллшироваиндаи световыми потоками к одномерным оптически;,! схемам. Рассмотрены методы кодирования двоичных данных для акустических процессов — S+ и S4 + -*> Si. в кристалле ТеО^ при

распространении волн вдоль оси ЦЮ] как наиболее эффективном с точки зренвя нелинейного преобразования /параметр нелинейности Г^ = Х02 / и акустооптической дифракции на результирующей волне /козйфицтант акустооптического качества М2 793 /. Условия, определяющие скважности взаимодействующих двоичных последовательностей для процесса

S, ч- L+., получены на примере звукопровода из кристалла PLMeQ [OQlJ. -В экспериментах по построение? процессоров на основе последовательного рассеяния и акустической нелинейности использовался специ-

ально спроектированный акустооптический модулятор из монокристалла ТеО^ , вырезанный в направлении [НО] с точностью не хуже I*, с длиной звукопровода 50 мм. Упругие волны с несущими частотами = = 35 МЕц , = 61 ИГц возбуждались единым пьезопреобразователем из 17° уг -среза кристалла ¿.¿№0^ , позволяющим с одинаковой ойлрек-тиэноотыо генерировать ультразвуковые волны различных поляризаций при соблюдении условий разового синхронизма. Длительность иипульоов составляла Г5 = 7 икс, = I икс. Длительность треугольных импульсов дискретной свертки на выходе фотоприемника, в хорошем соответствии с расчетными оценками, составила для АОП на основе последовательного рассеяния 2,3 же, для АОП на основа акустической нелинейности - ге, = Т^ икс.

Проведен расчет достижимых разрядности N сомнокнтелей и быстродействия 3 в числе элементарных операций над битами обрабатываемых чисел в единицу вреыани для всех рассмотренных типов АШ-умио.тас-телей, показавиий возможность обработки 32-разрядных данных со скоростью до 10®...10*® бит/с. Показано, что регулированием временной задержи мезду .посылками двоичных чисел на вход процессора, молено обеспечить оптимальную шйормациошую загруженность АОП при необходимости умножения совокупностей чисел различавшейся разрядности. При одинаковой разрядности сомножгтолэй быстродействие и разрядность процессоров могут быть оценены, используя Таблицу I, где Ъ - пространственная апертура звукопровода.

'__Таблица Г._

' .. Вид процессора Разрядность У, бит Быстродействие 5, бит/с

АОП с двумя модуляторами в схеме с пространстван-ньм интегрированием (Я2)

АОП на основе последовательного рассеяния, То02

АОБ на основе акустической нелинейности: ■

Те02[1Ю], +

Те02[П0],

Р[,Мо04 [ООО. _______________

В третьем развело содержатся результаты теоретического и ассяо-рименталького исследования полностью оптических процессоров, образо-юккгос сотянп лоточек:ах вентилей на осшво векторного 00-В езтнгро-пизма в кркстпдло ¿¿10,

?

0,50 -¿>(и-г) 0,25 Р/ъ'1

о.за^А^)' 0,21

О.бО-й^^)"' 0,33^;'

0,23 л'-г-;'

0,15 д'г/'

Именно неколлинеарной генерации второй гармоники рассматривается как полностью оптический логический умножитель двоичных световых сигналов, обладающий субпжосекувдным откликом, не требущий пучка , оптической накачки и даадий возможность многократного использования исходных световых пучков н реализации большого числа оптических связей в одном нелинейном кристалле. Для построения оптических процессоров-умножителей двоичные /\/-разрядные числа представляются параллелизм кодом в N пространственных оптических каналах, в каздом из. которых интенсивность световых пучков принимает значения "О" или "I", При падении сватовых пучков под углом синхронизма У к входной грани нелинейного кристалла, в нем йормнруется матрица из N оптических вентилей, «йушциональкые возможности процессора определяются конкретной конфигурацией логических вентилей в нелинейном кристалле с учетом направления распространения генерируемых .сигналов второй оптической гармоники.

Ток, для реализации алгоритма дискретном свертки цифрового перемножения пучки второй гармоники суммируются по диагоналям в плоскости взаимодействия, рис. 1а, образуя 2^-1 выходных канала, сигналы в которых представляй собой результат произведения в смешанном двоичном коде. Формирование трехмерной сети логических вентилей, состоящей из нескольких плоскостей взаимодействия, подобных изображенной на рис. 1а, позволяет провести в нелинейном кристалле' одновременную обработку М пар А'-разрядных чисел в М плоскостях взаимодействия, что при суммировании результирующих сигналов цилиндрической линзой в выходной плоскости дает результат скалярного произведения в смешанном кода Л/-компонентных векторов с /V-разрядными компонентами.

Расчет достшш/шх значений разрядности и производительности-таких процессоров проведен с учетом истощения интепеивностей взакмодей- . ствроцих световых полей, дифракционной расходимости оптических пучков и неизохронности откликов логических умножителей. Учет «актора истощения /Приложение 2 к диссертационной работе/ показывает возможность

а б в г д

Рис л.

а

idpaöoTKü 32-разрядных двоичных данных и 32-компонентннх векторов 1ри энергоемкости каздого логического умножения до Ю"^5 Дж/бит. Ог->аничения на максимальную разрядность и количество компонент шкторов Л/»«, с точки зрения дифракционной расходимости дается соотношениями: i .1

= (ы) ,

да К - показатель преломления нелинейного кристалла, 51 - дайна юлны исходных световых пучков, 'Äjm - входные апертуры в ортого-[альных направлениях. При Я = 1,06 мкм, ^ э 1,8, У7« 20° имеем ^п», ~ /V»,., = 32 , что соответствует пространственному периоду циф-ювых сигналов около 300 мкм. Производительность в числе элементарных шераций над битами обрабатываемых чисел при конвейерном характере ¡агрузки информационных потоков составляет:

'де V ~ длительность импульсов одного бита, дГ - максимальное уши-юние выходного сигнала вследствие неизохронности логических вентилей инволюционной сети. Брл /У = /V= 32 и т = I по можно получить, \Т = 16 по и, соответственно, S= 2-10^ бит/с.

В экспериментах использовался монокристалл ¿¡Юз размерами 17 х 2? х 8 мм , вырезанный параллельно плоскости (100) с входной ■ранью, перпендикулярной оси [010]. На длине волны Л = 1,06 мкм от «точилка когерентного излучения ЛИ-С801 / t - 10 пс/ угол еинхро-газма внутри кристалла составил У- 20°. Двоичные оптические сигна-:ы моделировались диафрагмированием входных масок; оптические сигналы :учков второй гармоники считывалиоь линеЛкой йотоприемникоз. Зсспери-[енталыше результаты умножения чисел IIOI х IUI = I2232II и векто-ов (101,111) х ¿101,110) = 224II показаны на рис.1 бив, соответот-юнно.

Повышения информационной емкости процессора можно добиться, при-енив пространственный анатог MR7-кода, при котором оптические ка-алы располагаются вплотную друг к другу, в результате чего в выход-ой плоскости образуется аналоговой сигнал /VW^-cвертки /см, рясЛг, ример I0II х IUI = 1123221/, Шйорка значений этого сигната, отмэ-;енных на рисунке, дает тот же результат произведения в смешанном ко-9, что и при использовании пространственно разделенного кодирования.

За счет неэкввдисгантяого расположения входных оптических кана-ов достигается пространственная оцифровка дискретной свертки, при оторой вместо сигналов с амплитудами, пропорциональнымй f / 1 р .

9

= О, I, .... /V / формируется 9 импульсов равной интенсивности, как это демонстрирует сигнал с линейки фотоориемников, рио,1д, дош прима ра III х III = {.,I)(.IlHlII)(II.)(l..). Таким образом, при постпро цессорной обработке шалого-цшй?овое преобразование заменяется на од фровоа счет импульсов в кавдом разряде смешанного кода. Максимальная разрядность сомножителей составляет, однако, в этом случае величину порядка корня квадратного из разрядности дая схемы, использующей сум мированиа сигналов по диагоналям.

Также чисто цифровая обработка информации может производиться при использовании алгоритма на основе вычисления матрицы парциальных произведений двоичных чисел, то есть внешнего произведения векторов < одноразрядными компонентами, функциональная сеть процессора формируется коллишрованием световых пучков, сйответствущих битам перемножаемых чисел, в ортогональных направлениях, что позволяет в нелинейном кристалле с входной гранью, расположенной перпендикулярно плоскости взаимодействия, генерировать //* двоичных параллельных выходных сигналов искомой матрицы, рис.2 . Б проведенных экспериментах матриц) из 16 выходных каналов, занимающая площадь 19 х 19 мм, фиксировалась на фотопленке. Процессор на основе внешнего произведения не подверяе! ограничениям на разрядность и быстродействие, характерным для схем, формирующих выходные сигналы в плоскости; взаимодействия. Разрядность связана исключительно с геометрическими размерами нелинейного кристалла, а производительность определяется тактовым периодом загрузки данных, ограниченном в конечном итоге лишь временем отклика логических вентилей, то есть может составлять Ю® бит/с и более. В то же время, схема процессора включает коллимируздую оптикуа также требует большего числа сумлаторов и стадий суммирования при постпроцессорной обработке, • ■

/И01\

2 (IIOI)- g§°

J/ \Ш1/

Рис.2.

к

В четвертое, разделе рассмотрены вопросы-разработки аналого-цифровых преобразователей /АЦП/ и логических вдаиентов с максимально 10

эзможным бнстродействием, обусловленным фемтосекундным временем отита, характеризующим механизм керровсиой нелинейности в волоконннх зетоводах.

В предложенных параллельной и последовательной схемах АЦП\осно->й преобразования яаляэтся гомоморфность периодической зависимости йодной интенсивности нелинейного волоконного интерферометра ГМаха-вдера от разности фаз в его плечах, наводимой обрабатываемым^ опти-юкям оигналом вследствие аффекта Керра, и периодического изменения иаркого представления аналоговой величины. В параллельной схеме ¡гнальный пучок о интенсивностью .Г8 преобразуется при помощи пло-опараллельной пластинки с коэффициентами отражения граней 50$ и

в пространстваиную совокупность оптических пучков с интенсивно-ями 1^/2 , , /8 и т.д., поступающих в одно из плеч воло-

нных интерферометров, число которых Ы определяет разрядность АЦП, зультат интерференции опорных пучков после прохождения порогового тройства представляет собой двоичный параллельный код исходной алоговой величины. В последовательной полностью волоконной схеме, эдварителыюе деление сигнального пучка осуществляется при помощи матричного Х-отвегвителя и волоконного кольца. Такая схема исполь-эт только один нелинейный интерферометр, однако последовательный зактер вывода двоичных разрядов снижает производительность АЦП по гьшей мере в' N раз. Показана возможность обработки в предложен-с схемах сигналов с энергией от 0,25 пДн при частоте дискретизации

Ч.ДО^Гц.

• В качестве устройства, позволяющего реализовать передаточные ха-¡теристики, применимые для построения полностью оптических внсоко-фостннх логических элементов "исключающее ИЛИ" и "И",'исследовал-раз балансированный волоконный петлевой интерферометр - интерферо-•р Саньяка, рио.З; обладащий хорошей устойчивостью к внешним поэм и энергией переключения, составляющей единица-десятки пикоджо-а. Нелинейность передаточных характеристик устройства вида

и - длина петли, л, - нелинейный керровский коэффициент, обус-лена неравгшм делением интенсивности входного сигнала 1ск при ощи волоконного Х-отвегвителя или полупрозрачного зеркала с кооф-иентом (У-*): * , ы-Ф- 0,5 , в результате чего световые импуль-

V.

Л

о

Рис.3.

о I, гъ Рис.4.

сы, распространяющиеся в волоконной петле в противоположных направлениях, под воздействием сказовой самомодуляции приобретают различны* фазовые набеги, определяющие результат интерференции в выходных каналах на проход и на отражение . При выборе значения единичной интенсивности входного информационного сигнала, равного реализуются логические элементы "исхлючащее ЮШ" / Тоиц / и "И" / /• На рис.4 представлены результаты расчета и эксперимента П( регистрации передаточной функции выходного канала на проход. В эксперименте использовался лазер ЛТИ-501 / Л = 1,06 мкм, Т = 600 не , мощность в импульсе около 200 йг/ и волоконный световод длиной 900 > с диаметром сердцевина 7,7 мкм.

Показано, что установив вблизи одного из концов петли усилител! например, на основе полупроводниковой гетероструктуры, и используя входной делитель с еС= 0,5 , можно снизить энергию переключения и повысить нагрузочную способность и контрастность элементов. Для обеих волоконных петлевых конфигураций исследованы информационные возможности логических элементов на их основе при конвейеризации потокг данных. При этом учтено влияние на каждый импульс, проходящий по волокну в одном из направлений, большого числа встречных импульсов, тс есть э:Тфект фазовой кросс-модуляции, приводящий к зависимости передаточных характеристик интерферометра от состава обрабатываемых информационных потоков, что ограничивает их скважность значениями 8...10 и более, а быстродействие логических элементов величиной 10**.. .ТО*** бит/с для импульсов пико- и субпикосекундрого диапазонов

Построена расчетная модель для оценки вероятности ложного срабатывания волоконно-оптических петлевых логических элементов, учитывавшая случайную зависимость выходной интенсщзности от плотности и состава входных данных вследствие кросс-модуляционного пГфэкта, а ' также другие шумы и помехи в виде аддитивного нормально распределенного шума. Вычисление интегралов вероятности, вывод которых по моде-

[ "кросс-модуляция + нормальный аддитивный шум" дан в Приложении 3 к кзсергащщ, проведено при различных значениях скважности и отношения [гнал-шум численным интегрированием, Показана достижимость значений гроятности ложного срабатывания необходимых в высоко-

яростных устройствах цифровой оптической обработки иноюрмации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы могут быть с(рормудл-)ваны следующим образ см. ""'

1. На пршере акустооптлческого цифрового процессора-умноактеля,' »бранного по схема с пространственным интегрированием, отработана )тод.тзса расчета рабочих характеристик и проведения экспериментальных ¡следований АОП, применяющих алгоритм дискретной свертки цифрового »ремножегагя. Продемонстрирована возможность представлешш входной -формации з /К"-коде для повышения информационной емкости устрсЯ-

2. Предложена л экспзрженгальяо апробирована схема цифрового Л-уинояитэлл на основе последовательного рассеяния света на сдвиго-:Я г! продольной акустических волнах, позволявшая за счет оптической изотропии материала ззукопровода. осуществить свертку двоичных дан-лс по методу пространственного интегрирования при помощи только од->го акуетсоптичоского модулятора.

3. Еогчп принцип построен!'* АОП, не испольэувдего коллнмируодув ¡тику, теорэт:яеоки обоснован ь-л примере трех геометрий коллинеарно-з взаимодействия, для которых наЧдеш ейособц кодирования входных шшх, позволяющие сформировать сигнал дискретной свертки. Зсспери-знтальное подтверждение принципа осуществлено при помощи специально Проектированного для случат сонапрааяенного акустического взаимодей-гшя двухчастотного окустооптического модулятора аз кристалла ТеО^.

4. Экспериментально продемонстрирована возможность реализации мносгыэ оптических процессоров на основе векторного 00-Е взаимодей-рвия в кристалле , формирующая дискретную свертку и матрицу цзциальних произведений параллально кодированных цифровых оптических агналов. Проведен расчетно-теоретическнй анализ достижимых значений мрачности и производительности Процессоров, показавший возможность Зработки чисел с разрядностью до 32 при.быстродействии ТО*2.. ДО15 зт/с.

5. Впервые предашюш! и эксяеришнгалы» реализованы модаСшшцаа сетей оптически связанных областей неколлшзарного взаимодействия, допускающие применение пространственного аналога /V/W-кода в целяз;. уплотнения информационных каналов, проведение пространственной оцифровки сигнала дискретной свертки, использование третьего пространственного измерения даш скалярного умножения векторов в смешанном кодо.

6. Предложены параллельная и последовательная схемы аналого-цифровых преобразователен оптических сигналов на основе нелинейных волоконных интерферометров Маха-Цеадера, способных функционировать в диапазоне частот дискретизации .. 10^ Гц,

. 7. Исследованы оптические логические элементы "исклотащее ИЛИ" и "й", использующие керровскув нелинейность в волоконных петлевых конфигурациях пассивного и активного типов и о'бладанхцие потенциаль-кым быстродействием до 10^ бит/с. Зарегистрирована нелинейная передаточная характеристика устройства в выходном канале на проход. Впервые рассмотрены ограничения на скважность обрабатываемых информационных потоков и проведена оценка вероятности ложного срабатывания оле-ментов на уровне при учете эффекта фазовой кросс-моду-

ляции.

СПИСОК РАБОТ по ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ <■

1. Петрунькин В.Ю., Раковский В.Ю., Щербаков A.C. К выбору рабочих характеристик акустооптического цифрового процессора-умножителя// Тез. докл, III Всесоюзн. конф. по вычислительной оптоэлектронике.-Ереван, 1987.- Ч.2.- C.23S-237.,

2. Ваковский В.Ю., Щербаков A.C. Методы и устройства щадовоа оптической обработки сигналов // Тез. докл. Всесовзн. научно-техн. конф. "Современные проблемы радиоэлектроники".- Москва, 1938.- С.15.

3. РаковскиЛ В.Ю,, Щербаков A.C. Акустоопмческие элементы шф-ровых оптических вычислителей // Сб. научи, трудов "Акустооптичоекие устройства".- Ленинград, 1989.- С.125-130.

4. Раковсхяй В.Ю., Щербаков A.C. Акустоомический цифровой про-цессор-ушожитель // дСГФ.- 1909.-_Г.59, вып.9.- С.173-180.

5* Белокурова О.И., Ршсовский В.Ю., Щербаков A.C. Акустооптичес-■кие устройства аналоговой и цифровой обработки информации // Сб. на' учн. трудов "Акустооптические устройства и их применение".- Орджони- -кадзе, 1989.- С.3-9. 14

6. RaJcovaky Y.Yu., Uhcherbakov A.S, Digital optoelectronic pro-iesBlng aesod on "binary convolution using'quantum electronics nsthode '/ Abstracts of the 2nd iiuropoen Conference on liunntum Electronics.-Jrecden, UM, 1909.- Part 2,- P. 1.2.

7. Пэтруньккн B.O., Раковскш! В.й., Цербаков А.С. Обработка цпф-:овой ;ш ¡'ормзцил акустооптпческшп устройствами в реальном масштаба фомонн // Сб. научи, трудов "Оптические и оптико-элекгроннпо средства обработки шфордацш*Лешшград, 1909.- С.43-43.

О, Раковский В.Ю., №рбктов Л.С. Оптическая обработка цифровой жоркации в устройствам с гдустичесхой нелинейность» // Сб. научн. рудо в "Сптичосгскз и оптико-электронные средства обработки инрорма-ди".- Ленинград, 198Э.~ С.58-67.

9. Раковский S.O., ¡Щербаков А,С, Высокоскоростной процессор-множитель цифровых оптических сигналов // Сб. научи, трудов "Слти-вскла и оптахо-элекгроннвэ средства обработки информации*.- Лешсг-рад, 1389,- С.68-76.

10. Воршзв Н.Э., Раковский В,10., Сзлпщов А.В., Пербаков А.С, тскретная сгартаа цш'ровня оптических сигналов леи неколлипеарной зкеращш второй гарконпкн в кристалле // Письма в

58Э,- 'Г.15, шп.8,- G. 14-13,

11. А.с. 1455236 AI /СССР/. Акустсоптичэскоо устройство для верэ-голнгая даокшк чисел / Потрунькин В.Ю., Раковский В.Ю., Щэрбаков ,С.- 1939,- Т:Чт. :Ь 21.

12. А.о. 14Й7032 AI /ССОР/, Акустооптическое устройство для умно-шия / Бзрщгеп II.Э., Штрунысян В.В., РакогскнЗ В.й., Щербаков А.С.->_ )39.~ Бия. Й 22.

13. Eelokurova u.I., iltlcovslty V.lfu., Shcherbakov A,6, Optoolec-. ■onio processing of information, using nonlinear phenomena П Proc. 'IE.- 1990,- Y. 1183.- i\ 517-521.

14. Раковский З.Ю., Щербаков А.С. Алустооптическая обработка дво-:hiix дашшх при коллшеаряом акустическом взаимодействии в кристалле ратоллурита // Письма в 2Е6.- 1330.- Т. 16, вып.2.- С.2Г-25. .

15. Раковский В.Ю., Щербаков А,С. Акустооптическая обработка циф-вой информация в кристалле иарателлурнта /Те0о/ // Тез. докл. II есотан. конф. по оптической обработке информации,- круизе, 1990,125-127.

16. Shoherbakov A.ii., Hckovsky V.iu, Acousto-optio binary,procesa-besed. on oollinoar acoustic interaction // iroc. Scholl-tJerainar, .

15

"Acousto-opticsJ researches and developments"Leningrad, 1990.-P.399-404. ' -

17. Раковский В.Ю., Щербаков А.С, Обработка бинарной инфорлац в сетях оптически связанных логических умнолштолай на основе векто; ного 00-Е синхронизма // Письма в 2ТФ.- 1930.- Т.16, вып.Ю.-й51-5

18. Shcherbakov А.И., Sekovsky V.iu. All-optical digital processor based on harmonic generation phenomena // Proc. 1990 V. 1319.- ¿'.166-167.

19. Раковский В.Ю., Щербаков A.C. Цифровой полностью оптичэск матричный процессор // Письма в ЕТФ.- 1990,- Т.16, вып.14.- C.IQ-I

20. Раковский В.-Ю., Щербаков А.С. Полностью оптический высоко скоростной цифровой алгебраический процессор //Сб. научи, трудов "Методы оптической обработки шфориацш".- Ленинград, 1990.-С.31-4

21. R&koveky V.Yu., Shcherbakov A.S, All-optioal switching ел logic in single-mode fiber nonlinear interieromgters // Proo. of t 1st International Soviet Fibre Optics Conference.- Leningrad, 1991 Y.2.- P.45-50.

• 22. Раковский В.Ю., Щербаков A.C. Нелинейный волоконный петле вой интерферометр с усилителем на основе полупроводникового лазера Тез. докл. II Всесоазн. кон]). "Физические проблемы оптической связ и обработка информации".- Севастополь, 1991,- С.13-14.

23. Раковский В.Ю,, Щербаков А.С. Фазовая кросс- и самомодуля ция сверхкоротких импульсов в раз балансированном волоконном интор«! рометре Саньяка // Тез. докл. XIУ Мевдународн. кошр. по когерентно и нелинейной оптике,- Ленинград, 1991,- Т.З.- С.107.

24. Раковский В.Ю., Щербаков А.С. Логические элементы на осно волоконно-оптического петлевого интерферометра // Известия вузов. Приборостроение.- 1991.- Т.34, ft 12.- С.92-97.

25. Ivanov 0.0., Eekovsky V.iu., Shcherbakov A.3. All-optical logic getea based on nonlinear fiber loop interferometer with seal conductor laser emplifier // technical Digest of the International Meeting on Photonic Switching.- Kinsk, Republic of Belarus, 1992.-P.324.