Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при вычислении нелинейных функций. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет вычисления произвольных нелинейных функций от матриц. Устройство содержит матричный оптический волновод, матричный оптический Y-разветвитель, диспергирующий элемент, оптический объединитель, оптический разветвитель, оптический блок умножения матриц, матричный усилитель и управляемый полихроматический матричный излучатель. 3 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2134899
Класс(ы) патента: G06E3/00
Номер заявки: 98107871/09
Дата подачи заявки: 21.04.1998
Дата публикации: 20.08.1999
Заявитель(и): Ростовское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск им.Неделина М.И.
Автор(ы): Соколов С.В.; Расщепляев Ю.С.; Ганеев М.Р.; Решетников В.Ф.
Патентообладатель(и): Ростовское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск им.Неделина М.И.
Описание изобретения: Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано в оптических вычислительных машинах при вычислении нелинейных функций от матриц.
Известны различные средства и способы матричных преобразований, основанные на перемножении матриц. Максимальное быстродействие обеспечивают устройства, в которых реализован параллельных 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 матричной алгебры, требующих организации циклического перемножения матриц, в том числе вычисления нелинейных функций от матриц.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое аналоговое устройство для умножения матриц (А. С. N 640330, СССР, 1976 г., БИ N 48, 1978 г.), содержащее вычислительный транспарант и многоэлементный (матричный) фотоприемник.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности вычисления произвольных нелинейных функций от матриц ввиду нереализуемости в устройстве матричного перемножения произвольной кратности.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи быстродействующего вычисления нелинейной функции f от заданной матрицы A, аппроксимируемой с требуемой точностью конечным полиномом вида

ki = const.
Поставленная задача возникает при анализе и синтезе многомерных динамических систем, решении нелинейных матричных уравнений и т.д. Сущность изобретения состоит в том, что в устройство дополнительно введены оптический блок умножения матриц, матричный усилитель, управляемый полихроматический матричный излучатель, матричный оптический волновод, матричный оптический Y-разветвитель, диспергирующий элемент, оптический объединитель и оптический разветвитель, вход которого является входом устройства, а выходы всех его оптических разветвлений различной длины через оптический вычислительный транспарант оптически связаны с входами оптических ответвлений оптического объединителя, выход которого через диспергирующий элемент оптически связан с диагональными входами матричного оптического Y-разветвителя, выход первого оптического разветвления которого подключен к входам вертикального оптического разветвителя оптического блока умножения матриц, содержащего N групп из N объединенных по выходу оптических разветвлений каждая, входы которых оптически связаны с входами - столбцами матричного входа блока, а выход каждого такого объединения разветвляется на N оптических разветвлений, выходы которых подключены к входам столбцов оптического транспаранта блока, выходы строк которого подключены к входам объединенных оптических разветвлений N групп, выходы которых подключены к входам соответствующих диспергирующих элементов, выходы которых образуют выход оптического блока умножения матриц, подключенный через последовательно соединенные матричные фотоприемник, усилитель и управляемый излучатель к транспонирующему за счет пространственной ориентации оптических разветвлений входу матричного оптического волновода, объединенного по выходу с первым оптическим разветвлением матричного оптического Y-разветвителя, выход второго оптического разветвления которого 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 оптический разветвитель 1, содержащий M оптических разветвлений различной длины, оптический вычислительный транспарант 2, оптический объединитель 3, содержащий M оптических ответвлений одной длины, диспергирующий элемент 4, матричный оптический Y-разветвитель 5, оптический блок умножения матриц (ОБУМ) 6, матричный фотоприемник 7, матричный усилитель 8, управляемый полихроматический матричный излучатель (МИ) 9, матричный оптический волновод 10.
МИ 9 может быть выполнен в виде матрицы светодиодов или полупроводниковых лазеров, причем длины волн излучения элементов разных столбцов МИ должны быть различны: λ1,...,λN.
Матричные оптические волновод 10 и Y-разветвитель 5 могут быть выполнены в виде механического объединения одномерных оптических волноводов, топологически соответствующего матрице с заданной размерностью NxN.
Вход устройства оптически связан с входом оптического разветвителя 1, выходы которого через оптический вычислительный транспарант 2 оптически связаны с входами оптического объединителя 3, выход которого подключен к входу диспергирующего элемента 4. Выход диспергирующего элемента 4 оптически связан с диагональными входами матричного оптического Y-разветвителя 5, выходы которого подключены к выходу устройства и к входу ОБУМ 6. Выход ОБУМ 6 через последовательно соединенные матричные фотоприемник 7, усилитель 8 и излучатель 9 подключен к входу матричного оптического волновода 10, который объединен по выходу с первым оптическим разветвлением матричного оптического Y-разветвителя 5.
На фиг. 2 представлена функциональная схема ОБУМ 6. ОБУМ 6 содержит вертикальный оптический разветвитель 11, оптический транспарант 12, горизонтальный оптический разветвитель 13 и группу диспергирующих элементов (ДЭ) 141, ..., 14N (например, призм, фильтров, дифракционных решеток и т.д.). Вертикальный оптический разветвитель (ВР) 11 представляет собой N групп из N объединенных по выходу оптических разветвлений каждая, причем выход данного объединения разветвляется далее также на N оптических разветвлений. Горизонтальный оптический разветвитель (ГР) 13 представляет собой N групп 131, ..., 13N из N объединенных по выходу оптических разветвлений каждая. Входы N объединенных оптических разветвлений 1111, ..., 111N каждой группы ВР объединены с входами-столбцами матричного входа ОБУМ 6, а выходы оптических разветвлений 1121, ..., 112N каждой группы ВР подключены к входам столбцов оптического транспаранта 12. Выходы строк оптического транспаранта 12 подключены к входам объединенных оптических разветвлений соответствующих групп 131, . . . , 13N ГР, выходы которых подключены к входам ДЭ 141, ..., 14N, выходы которых являются выходами ОБУМ 6.
На фиг. 3 представлена схема транспонирования матрицы, содержащая N(N-1)/2 групп парных оптических разветвлений 151, ..., 15N(N-1)/2. Пространственная ориентация пары оптических разветвлений каждой группы 15i обеспечивает взаимную пространственную замену оптических участков плоского светового потока, соответствующих элементам матрицы с взаимообратными индексами.
Устройство работает следующим образом. На вход устройства поступает полихроматический импульсный световой поток, представляющий собой смесь N потоков с интенсивностью ≈ 2NM условных единиц каждый с длинами волн λ1,...,λN. соответственно. В оптическом разветвителе 1 данный поток разветвляется на M потоков равной интенсивности, поступающих далее на оптический вычислительный транспарант 2. Разность длин оптических разветвлений в оптическом разветвителе 1 выбрана таким образом, что оптические сигналы с их выходов на входы оптического вычислительного транспаранта 2 (соответствующие участкам с функциями пропускания, пропорциональными коэффициентам ki, ) поступают через интервалы времени, равные времени прохождения оптического сигнала по тракту "вход матричного оптического Y-разветвителя 5 - выход матричного оптического волновода 10". Так как далее оптические сигналы с выходов оптического вычислительного транспаранта 2 поступают по оптическим ответвлениям оптического объединителя 3 на вход ДЭ 4, то, следовательно, на выходе ДЭ 4 формируется импульсная последовательность оптических сигналов, представляющих собой совокупность пространственно разделенных монохроматических сигналов с интенсивностью ≈ 2ki N, распределенных (за счет соответствующей пространственной ориентации ДЭ 4) по диагонали плоскости (матрицы) входа матричного оптического Y-разветвителя 5. Проходя через матричный оптический Y-разветвителя 5, данный поток поступает на выход устройства и на вход ОБУМ 6, формируя на входе последнего матричный оптический сигнал С, пропорциональный в начальный момент времени диагональной матрице с элементами, равными N kM.
В ОБУМ 6 происходит следующее. Световой поток на входе вертикального оптического разветвителя 11 образует на N входах оптических разветвлений 111i, совокупность разнохроматических сигналов с интенсивностями, пропорциональными значениям элементов i-го столбца матрицы C: c1i, ..., cNi. На выходе оптического разветвления 111i данные сигналы объединяются в полихроматический световой поток, который, поступая в оптическое разветвление 112i, выходы которого оптически связаны с соответствующими элементами i-го столбца оптического транспаранта 12 (т.е. i-й строки Ai, преобразуемой по закону f матрицы A, массиву элементов которой пропорциональна функция пропускания оптического транспаранта 12), обеспечивает умножение на каждый n-й элемент ain всей необходимой совокупности элементов N-1c1i, ..., N-1cNi. Объединение световых потоков, формирующихся на выходах элементов строк оптического транспаранта 12, с помощью оптических разветвлений 131, ..., 13N горизонтального оптического разветвителя 13 приводит к формированию на входе m-го ДЭ 14m полихроматической смеси N оптических сигналов с интенсивностями, пропорциональными N-1 Csj ajm; S, т.е. пропорциональными значениям элементов c*sm результирующей матрицы CA= C*, которая в начальный момент времени (на первом шаге работы устройства) оказывается равной kM · A. Расщепление каждого такого потока по горизонтали с помощью ДЭ позволяет разнести в пространстве оптические сигналы с длиной волны λi и интенсивностью c*im, сформировав, таким образом, на выходе ОБУМ 6 матрицу оптических сигналов с интенсивностями, пропорциональными значениям элементов матрицы C*, причем пространственная ориентация такой матрицы по отношению к ориентации матрицы C на входе обеспечивает на выходе ОБУМ 6 формирование транспонированной матрицы (CA)T=ATCT=C*T.
Далее плоский световой поток с выхода ОБУМ 6 поступает на вход матричного фотоприемника 7, выходные сигналы которого поступают на вход матричного усилителя 8, обеспечивающего усиление поступающих сигналов в 2NE раз (с целью компенсации последующих потерь интенсивности световых сигналов при разделении в ОБУМ 6 и матричном оптическом Y-разветвителе 5, а также при многократном прохождении матричного оптического волновода 10 с коэффициентом затухания E). С выхода матричного усилителя 8 матричный сигнал поступает на вход управляемого МИ 9, обеспечивающего формирование на входе матричного оптического волновода 10 плоского полихроматического светового потока с распределением интенсивности, пропорциональным матрице C*T. Т.к. на выходе ОБУМ 6 (и, следовательно, МИ 9) формируется транспонированный массив C*T, а для дальнейшего функционирования схемы устройства необходима непосредственно матрица C*, то на входе матричного оптического волновода 10 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 15i осуществляют пространственное перераспределение оптических потоков (направления их показаны на фиг. 3 стрелками), обеспечивающее транспонирование выходной матрицы МИ 9. Далее на входе матричного оптического Y-разветвителя 5 происходит суммирование оптических сигналов: пропорционального матрице 2kM A, поступающего с выхода матричного оптического волновода 10, и пропорционального диагональной матрице 2kM-1 E (E - единичная матрица), поступающего с выхода ДЭ 4.
Результирующий входной поток в матричном оптическом Y-разветвителе 5 разделяется на 2: первый поток образует на выходе устройства поток с матричной интенсивностью C* = kM · A + kM-1 · E, а второй поступает по первому оптическому разветвлению матричного оптического Y-разветвителя 5 на вход ОБУМ 6. Далее работа описанных функциональных блоков устройства повторяется аналогично вышеизложенному: в ОБУМ 6 происходит умножение матрицы C* на матрицу A - на выходах матричного оптического Y-разветвителя 5 формируются оптические матричные сигналы с интенсивностями, пропорциональными новой матрице
C* = (kM · A + kM-1 · E) · A + kM-2 · E = kM · A2 + kM-1 · A + kM-2 · E,
на следующем шаге -
C* = ((kM · A + kM-1 · E) · A + kM-2 · E) · A + kM-3 · E = kM · A3 + kM-1 · A2 + kM-2 · A + kM-3 · E и т.д.
По окончании импульсной последовательности оптических сигналов на входе матричного оптического Y-разветвителя 5 и завершении M-го шага работы устройства (т. е. по окончании переходного процесса работы устройства) на выходе устройства формируется искомая матрица
C* = f(A) = ((... (((kM · A ++ kM-1 · E) · A + kM-2 · E) · A + kM-3 · E) · A ++ ... + k2 · E) · A + k1 · E) · A
с быстродействием, близким к потенциально возможному для оптических устройств.
Формула изобретения: Оптоэлектронное вычислительное устройство, содержащее оптический вычислительный транспарант, матричный фотоприемник, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены оптический блок умножения матриц, матричный усилитель, управляемый полихроматический матричный излучатель, матричный оптический волновод, матричный оптический Y-разветвитель, диспергирующий элемент, оптический объединитель и оптический разветвитель, вход которого является входом устройства, а выходы всех его оптических разветвлений различной длины через оптический вычислительный транспарант оптически связаны с входами оптических ответвлений оптического объединителя, выход которого через диспергирующий элемент оптически связан с диагональными входами матричного оптического Y-разветвителя, выход первого оптического разветвления которого подключен к входам вертикального оптического разветвителя оптического блока умножения матриц, содержащего N групп из N объединенных по выходу оптических разветвлений каждая, входы которых оптически связаны с входами-столбцами матричного входа блока, а выход каждого такого объединения разветвляется на N оптических разветвлений, выходы которых подключены ко входам столбцов оптического транспаранта блока, выходы строк которого подключены ко входам объединенных оптических разветвлений N групп, выходы которых подключены ко входам соответствующих диспергирующих элементов, выходы которых образуют выход оптического блока умножения матриц, подключенный через последовательно соединенные матричные фотоприемник, усилитель и управляемый излучатель к транспонирующему за счет пространственной ориентации оптических разветвлений входу матричного оптического волновода, объединенного по выходу с первым оптическим разветвлением матричного оптического Y-разветвителя, выход второго оптического разветвления которого является выходом устройства.