Арифметические и функциональные вычислительные оптические интегральные схемы

Остановимся на основных принципах работы ИО-процессоров, выполняющих операции вычисления на основе аналоговых оптических методов.

Оптическое сложение двух пучков можно выполнить с помощью Y-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.

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 U ₁ - U ₂. В другом варианте используется электрооптически формируемая в волноводе фазовая дифракционная решетка. Здесь интенсивность дифрагированного пучка пропорциональна sin (U ₁- U ₂). Если фазовращатель поместить в одно из плеч интерферометра, то интенсивность света на выходе будет иметь такую же тригонометрическую зависимость от разности напряжений.

Умножение чисел оптическими методами основано 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 умножение двух величин, пропорциональных напряжениям на модуляторах. Для электрооптического дифракционного модулятора наиболее приемлемо размещение электродов «елочкой». Наиболее сложна для элементов в ИО-исполнении операция деления.

На основе ИО-элементов разработан ряд устройств, выполняющих функции вычитания и умножения векторов, линеаризации выходных сигналов. Можно спроектировать ОИС для выполнения таких операций, как умножение матрицы на вектор и матрицы на матрицу. Разработан ИО-процессор, предназначенный для предварительной обработки многоканальных данных о земных природных ресурсах, которые регистрируются различными дистанционными датчиками. Такая процессорная система способна сравнивать в реальном масштабе времени одновременно принимаемые сигналы в 16 спектральных каналах с набором предварительно записанных в нее опорных сигналов. Такие многоканальные данные выражаются в виде 16-мерных векторов, и операция сравнения с аналогичными опорными векторами осуществляется вычитанием компонентов векторов.

Разработан оптический полиномиальный конвейерный процессор в интегральном исполнении. В основе его работы лежит тот факт, что любой полином, например, , можно представить в виде

Последний полином представлен набором вложенных биномов вида а_пх+а_п-1. Такие операции можно выполнить оптически с помощью вычислительного модуля, состоящего из модулятора, объединителя пучков и источника света. Каскадное включение ряда таких элементов позволит получить на выходе оптический сигнал, пропорциональный Р_п (х), а изменяя х в диапазоне 0< х <1, можно получить соответствующее значение полинома. На рис. 6.5 показана ОИС, реализующая такой алгоритм последовательного разделения. Одномодовыйпланарный волновод размещается на подложке из ниобата лития. Объединители пучков используют фиксированные поверхностные дифракционные решетки, записанные в As₂S₃, а модуляторы работают как управляемые электрооптические дифракционные решетки. Для каждой из величин а_п 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 сигналы х (t).При более высоких скоростях можно использовать полосковую линию, синхронизирующую движение входного электрического и оптического сигналов по мере накопления значений полинома Р_п (х).

Такая конвейерная архитектура подобна архитектуре прямого умножителя матрицы на вектор, скорость появления результатов вычислений определяется только скоростью прохождения света через процессор. Практические ограничения на скорость обработки накладывают скорость ввода данных и скорость детектирования результата с приемлемым отношением сигнал/шум.

Одно из наиболее интересных свойств полиномиального конвейерного процессора заключается в том, что он представляет собой первое оптическое устройство, которое в принципе может выполнять операцию деления, т. е.для данного а находить 1/ а. Алгоритм деления основан на том факте, что корень х₀ уравнения f (х) = 1 /х - а есть просто х₀ = 1 /а. Следовательно, если функцию f (х)можно представить в виде полинома, то конвейер можно использовать для нахождения корня полинома, который в соответствии с последним выражением будет искомой обратной дробью.

Дата добавления: 2014-01-15