Оптические интегральные схемы для распознавания набора данных, фильтрации и кодирования сигналов

Волноводные модуляторы интерференционного типа являются основным конструктивным элементом ИО-логических элементов и более сложных ОИС, выполняющих различные функциональные преобразования и обработку оптических и электрических сигналов. На основе волноводных интерферометров Маха - Цандера созданы ОИС волноводных процессоров для распознавания (фильтрации) наборов данных, многофункциональные ОИС, выполняющие логические операции и кодирование (декодирование) импульсных оптических сигналов, ОИС для временной фильтрации и преобразования электрических сигналов.

Схемы волноводных процессоров для распознавания наборов данных приведены на рис. 5.6 и 5.7. В простейшем случае ОИС (рис. 5.6) представляет собой волноводный интерферометр Маха - Цандера с соответствующим набором пар сигнальных электродов в одном или обоих плечах интерферометра и волноводную голограмму для фильтрации полезного оптического сигнала на выходе ОИС. При подаче на электроды некоторой определенной комбинации напряжений, соответствующей определенному набору признаков объекта, в сигнальном плече интерферометра возникают вследствие электрооптического эффекта соответствующие фазовые сдвиги, которые формируют волновой фронт сигнальной волны.

В волноводном интерферометре в месте пересечения сигнальной и опорной волн формируется и записывается волноводная голограмма. Для считывания голограммы мощность оптического излучения в волноводе нужно значительно уменьшить (более чем в 10 раз), а в плечо опорной волны следует ввести дополнительный фазовый сдвиг. При распознавании сигнальная и опорная волны совмещаются на голограмме, в результате чего на фотоприемник поступает разностный сигнал, равный нулю только в том случае, когда комбинация напряжений на сигнальных электродах такая же, как и при записи голограммы. Любое отклонение от заданной комбинации напряжений приводит к появлению сигнала на выходе фотоприемника. Таким способом ОИС осуществляет распознавание заранее заданных комбинаций напряжений, соответствующих определенным наборам обрабатываемых данных.

На основе рассмотренного принципа был создан 3-канальный ИО-процессор для выполнения операций распознавания наборов данных. Оптическая ИС процессора выполнена на подложке ниобата лития и содержит светоделительную решетку из металлизированного фоторезиста, электрооптический фазовращатель, зеркало, обеспечивающее полное внутреннее отражение, и набор сигнальных электродов, с помощью которого формируются три канала шириной 100 мкм для ввода в сигнальное плечо интерферометра информации, поступающей от первичных датчиков. Такая ОИС позволяет различать фазовый сдвиг в каждом канале, по отношению к зафиксированному на голограмме, менее 3∙10^-2 рад.

При работе рассмотренной ОИС в режиме распознавания используются оба электрода каждой пары сигнальных электродов. Если сигнальное и опорное напряжения в данном канале равны, то фазового сдвига в канале не происходит, а если они равны во всех каналах, то плоская волна проходит электродную область волновода без искажения волнового фронта. Формируемая волноводная голограмма при этом представляет собой обычную фазовую решетку. Когда же при некотором определенном фазовом сдвиге, вводимом в опорное плечо интерферометра, сигнал на выходе фотоприемника оказывается равным нулю, это соответствует тому, что комбинация напряжений, прикладываемых к опорным электродам, идентична неизвестной комбинации напряжений, приложенных к сигнальным электродам. Для осуществления операции распознавания в процессоре должен обеспечиваться доступ к библиотеке наборов опорных напряжений, которые соответствуют определенным признакам, предъявляемым для распознавания объектов. При поступлении в процессор неизвестной комбинации напряжений он осуществляет поиск эталонной комбинации опорных напряжений, которая соответствует отсутствию выходного сигнала с фотоприемника.

На основе рассмотренного принципа разработан 16-канальный ИО-процессор (рис. 5.7) для распознавания достаточно сложных объектов. В ОИС на основе ниобата лития для уменьшения перекрестных помех и дифракционных эффектов и снижения управляющих напряжений (сигнального и опорного) до уровня менее 5 В секция ввода данных выполнена в виде 16 параллельных друг другу канальных волноводов. Каждый канальный ОВ шириной 7 мкм начинается и заканчивается параболическим рупором, который расширяется до 50 мкм и сливается с соседними рупорами, образуя общие входной и выходной рупоры с максимальным сечением 800 мкм. Одновременно входной рупор является светоделителем, а выходной служит для совмещения сигнального и опорного пучков. Оптическая ИС обладает достаточно высокой термостабильностью, обеспечивает оптическую эквивалентность обоих плеч интерферометра и позволяет выполнять одну операцию сравнения набора напряжений примерно за 10 нс, что соответствует скорости передачи цифровых данных около 5 Гбит/с при работе процессора с восемью уровнями сигнала на канал.

Волноводный интерферометр Маха - Цандлера, управляемый электрическими и оптическими сигналами, использован для построения и исследования логической ОИС (рис. 5.8). Такая ОИС может применяться не только как сверхбыстродействующий оптический логический элемент, но и как устройство для кодирования и декодирования оптических цифровых сигналов и для других целей обработки сигналов.

Оптическая ИС работает следующим образом. На центральный входной волновод поступает непрерывная последовательность оптических импульсов, управляющие оптические импульсы подаются на первый или второй входной волновод или на оба одновременно. Дополнительно на интерферометр подается напряжение смещения U _см, обеспечивающее получение сдвига фаз волн между двумя плечами интерферометра и установку нулевого сигнала на его выходе.

Каждый оптический управляющий сигнал распространяется только в одном плече интерферометра, изменяя вследствие нелинейности материала показатель преломления волновода, при этом для устранения интерференции между управляющими и управляемым сигналами они имеют ортогональные поляризации. На выходе интерферометра помещен поляризатор, пропускающий только моду с определонной поляризацией.

Для нормальной работы ОИС оптические импульсы должны быть соответствующим образом синхронизированы друг с другом. Интенсивность выходного сигнала I _вых определяется разностью фаз волн в плечах интерферометра Ф = Ф ₀ + Δ Ф. Сдвиг фаз Ф ₀ создается постоянным напряжением смещения U _см, а ΔФ - управляющими оптическими импульсами, причем Δ Ф = n ₂ k L Δ I, где п ₂- нелинейная добавка к показателю преломления материала волновода п ₁, L - длина области взаимодействия; Δ I - разность интенсивностей оптических сигналов в плечах интерферометра.

При подаче напряжения смещения (Ф ₀ = π) и отсутствии управляющих импульсов (или одновременной их подаче) выходной сигнал равен нулю. Если управляющий сигнал поступает только в одно из плеч интерферометра, то при некотором значении Δ Ι = Ι и при одинаковых длительности и форме синхронизированных во всех каналах оптических импульсов Δ Ф = π. В этом случае выходная интенсивность будет равна интенсивности управляемого импульса на входе интерферометра. Таким образом, рассмотренная ОИС выполняет логическую функцию исключающего ИЛИ. Она может работать и как схема И, если сигнальными входами являются входы 1и 2, а центральный вход не возбуждается. Такая ОИС может работать в качестве оптического инвертора, если на центральный вход подавать непрерывную последовательность оптических импульсов и убрать постоянное смещение. Сигнал, который необходимо инвертировать, подается на вход 1(или 2), а выходной сигнал появляется только при отсутствии входного сигнала.

Рассмотренная ОИС может быть использована для построения оптического генератора случайных чисел (рис. 8, б). Последовательность оптических импульсов от лазера поступает в интерферометр, при этом сигнал на выходе интерферометра из-за сдвига фаз Ф_о = π, задаваемого постоянным смещением, равен нулю. Такой режим является устойчивым, так как отсутствует обратная связь. После установления стационарного режима лазера в линию задержки подается одиночный импульс от другого источника оптического излучения. Если он синхронизирован с записывающим сигналом, на выходе схемы формируется некоторая последовательность импульсов. В рассматриваемой схеме оптического генератора случайных чисел волноводный интерферометр и цепь обратной связи являются частью линии задержки, в которой метками обозначены произвольные одинаковые временные интервалы линии задержки.

Рассмотренная ОИС на основе волноводного интерферометра с оптическим управлением может быть использована для кодирования и декодирования цифровой информации. В этом случае сообщение, которое необходимо передать, подается на один из входов ОИС (рис. 8, а), в виде последовательности импульсов, следующих с малой частотой повторения. На другой вход подается случайная последовательность импульсов с большой частотой повторения, и на выходе ОИС формируется новая последовательность оптических импульсов, представляющая собой закодированный сигнал. При декодировании такого сигнала используется аналогичная ОИС, на входы которой подаются закодированный сигнал и случайная последовательность оптических импульсов, аналогичная применявшейся при кодировании информационного сигнала. На выходе второй ОИС получается первоначальный информационный сигнал в виде последовательности оптических импульсов.

Контрольные вопросы

1. ИО-спектроанализаторы аналоговых высокочастотнчх сигналов на ПВА

2. Акустооптический пространственно-интегрирующий ИО-кор-релятор аналоговых сигналов

3. Быстродействующий ИО-коррелятор цифровых сигналов

4. Электрооптический брэгговский ИО-коррелятор (конвольвер) цифровых сигналов

5. Электрооптический АЦП на основе полноводных интерферометров Маха - Цандера

6. ИО-процессор для распознавания наборов данных

7. Логическая ОИС с оптическим управлением и оптический генератор случайных чисел на ее основе

Дата добавления: 2014-01-15