4.4. Оптические многозначные логические ССОК-процессоры

В данном разделе будет рассмотрен ряд различных архитектур оптической многозначной логической обработки сигналов. Как отмечалось в предыдущих разделах, существует целый ряд полных систем множеств многозначной логики. Здесь будет дан обзор только некоторых из возможных архитектур оптической обработки в ССОК, а именно — являющихся кандидатами для многозначной логической обработки. По данному вопросу

Рис. 4.1. Простая схема реализации переключающей функции из табл. 4.4 на основе сумматоров и умножителей по mod 3.

Рис. 4.2. Упрощенная схема реализации переключающей функции из табл. 4.4.

имеется целый ряд интересных публикаций [8—30]. После рассмотрения возможных методик будет описано несколько новых оптических ССОК процессоров и их приложение для многозначной логической обработки.

Один из самых ранних электрооптических процессоров был сконструирован Д. Н. Лемером [8]. В данном процессоре для открывания и закрывания переключателей, выполнявших функции механического «сита», использовались механические шестеренки, по одной на каждое простое число, представлявшее отдельную периодическую операцию. Световой пучок с помощью фотоэлектрического детектора регистрировал состояние фильтра. Это устройство способно решать алгебраические уравнения с простыми модулями и использовано для разложения натуральных чисел на простые множители. Хорошо известно, что любое натуральное число может быть представлено в виде произведения простых чисел. В арифметических ССОК-процессорах каждое из этих простых чисел в свою очередь представляет собой независимый канал арифметики остаточных классов. Арифметические операции, такие как сложение, вычитание, умножение и деление, выполняются единственным образом над двумя натуральными числами. При этом используется представление числа в виде остатков такой длины, чтобы результат находился внутри диапазона, определяемого произведением абсолютных величин произведения первичных остатков. Тот факт, что арифметические операции в ССОК не требуют переноса между разрядами, т. е. каждый канал ССОК работает независимо, делает эти процессоры особенно привлекательными с точки зрения оптических вычислений. Надо сказать, что процессоры, работающие в ССОК, с недавних пор вызывают все больший интерес, и это объясняется одновременно двумя фактами — и тем, что они не требуют переноса, и тем, что арифметические операции выполняются с использованием независимых каналов [9—21].

Для оптического многозначного логического ССОК-процессора необходимы две арифметические операции над остатками — сложение и умножение остатков по модулю, являющемуся простым числом. Операция умножения остатков может рассматриваться как повторяемое сложение остатков. В качестве альтернативы операция умножения остатков по простому модулю может быть сведена к сложению остатков по модулю Данный процесс близок к комбинированному процессу возведения в степень, сложения и логарифмирования, используемым для умножения действительных чисел с помощью процесса сложения. Необходимыми преобразованиями, обозначенными как -преобразования, являются операции перестановки, которые легко могут быть выполнены оптически. Следовательно, основной акцент в оптических операциях ССОК будет делаться на оптическом сложении в ССОК.

Существуют два основных подхода, которые можно использовать для выполнения оптическими методами сложения в ССОК: по своей сути это оптические аналоговые и оптические цифровые методы. Аналоговые оптическое кодирование и операции с символами остатков чисел используют периодические величины, такие как пространственная или временная фаза оптического поля. В оптическом цифровом кодировании любой/из его видов, включая пространственное (обычно являющееся оптической модуляцией координаты), угловое, временное, частотное и амплитудное кодирование, может быть использован для представления необходимых символов остатков чисел. Эти символы в свою очередь включаются в работу с помощью специально сконструированных оптических систем. Эти системы обладают либо пространственной, либо временной периодичностью, которая помогает свести арифметические операции к периодическим величинам. Тогда арифметические операции, например для оптической координатной модуляции, эквивалентны сдвигу световых пятен с одного места на другое. Эта операция сдвига в свою очередь может быть визуализирована двумя способами. В первом способе подготавливают определенные наборы смещенных друг относительно друга элементов, также называемых картами. В зависимости от требуемого режима световое пятно перемещают на определенную карту. Эти карты являются эквивалентными оптическим поисковым таблицам. Во втором режиме работы перемещают сами карты.

Наиболее простым способом оптической кодировки различных модулированных чисел ССОК является использование аналоговых периодических явлений, таких как временная или пространственная фазовая модуляция. Сложение двух чисел ССОК тогда равняется сложению фаз, которые сами являются величиной с модулем Эти оптические методики были описаны в работах [11—13]. В схеме, предложенной Коллинзом, операторы арифметического сложения в ССОК выполнены на дискретных состояниях поляризации оптического луча. Модуляция поляризации может быть также выполнена с помощью двумерного пространственного модулятора света (ПМС). Здесь (рис. 4.3) входной пучок с известной заданной поляризацией отражается от поверхности ПМС. Числа в ССОК, которые необходимо складывать, вводятся сзади в ПМС в виде модулированной интенсивности. Эти интенсивности модулируют внешнюю поверхность ПМС, вызывая дискретные изменения поляризации отраженного от передней поверхности пучка. При повторном отражении с помощью зеркала от передней поверхности ПМС поляризация может быть успешно изменена за счет

Рис. 4.3. Модульное кодирование операции сложения в ССОК с помощью модуляции поляризации света. Модуляция поляризации осуществляется с помощью двумерного пространственного модулятора света [11].

сопутствующего добавления различных фазовых углов. Это кодирование является полностью аналоговым и поэтому чувствительным к воздействию шума. Быстродействие этого процессора ограничено тактовой частотой ПМС. Хотя в настоящее время эти частоты довольно низки, тот факт, что для параллельной обработки можно использовать двумерную поверхность, может привести к значительному повышению производительности.

Вследствие своей относительной помехозащищенности оптическая модуляция по координате является более предпочтительным методом оптического кодирования различных символов чисел в ССОК. Пространственное расположение символов в этом случае определяет «значение» цифры остатка. Имеется ряд известных методик, использующих этот метод кодирования операций в ССОК. Будут описаны несколько методов; в некоторых используются фиксированные карты, или перекодировочные таблицы, в то время как в других используют динамически изменяющиеся карты. Часть оптических методик реализации перекодировочных таблиц относится к калейдоскопической оптике [14], голографическим перекодировочным таблицам [15] и различным устройствам переключения луча [16]. Часть динамических методик относится к корреляционным способам [17] и различным электрооптмческим волноводным переключателям [14, 18].

Простейший способ изменять положение заключается в использовании оптических дефлекторов для отклонения светового пятна. В этих методиках для изменения положения светового пятна используется произвольный набор зеркал, решеток и призм (рис. 4.4). Эти устройства могут быть уменьшены до размера интегральной схемы. В дополнение для переноса светового пучка в пространстве в качестве световодов могут быть использованы волоконно-оптические элементы. В калейдоскопическом оптическом устройстве зеркальный прямоугольный волновод используется для изменения напоавления падающего света в пространстве (рис. 4.5). При правильном выборе конструкции могут быть реализованы различные распределения пространственной оптической карты. Этот тип оптики имеет

Рис. 4.4. Методики кодировки пассивных пространственных карт [15]: а — с помощью зеркал; б - с помощью призм; в — с помощью волоконной оптики; г - с помощью дифракционных решеток.

Рис. 4.5. Калейдоскопическое устройство для пространственного периодического кодирования светового пятна [13].

способность уменьшать пространственные апертуры, переводя непериодический диапазон чисел в подходящий периодический диапазон пространственных направлений. Голографические перекодировочные таблицы осуществляют перевод входного числа в ССОК, обычно представляемого двоичной записью десятичного числа, с набором предварительно изготовленных оптических согласующих фильтров-масок (рис. 4.6). Маски представляют все возможные комбинации переменных, которые могут присутствовать во входном сигнале. Требуемая маска выбирается посредством установления угла опорного пучка. Система обычно сконструирована таким образом, что только выбранный выходной сигнал несет необходимую корреляцию, т. е. для заданного входного сигнала все остальные комбинации масок

Рис. 4.6. Перекодировочная таблица с голографическим управляемым фильтром, предназначенная для оптического кодирования различных операций ССОК [14]. Пвх — входная плоскость; Л — линза; Ф — фильтр; — выходная плоскость.

исключаются. Имеются две различные системы: оптическая операция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и оптическая операция И-НЕ. В таблице истинности оптического ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ фазой и амплитудой опорного пучка управляют таким образом, чтобы достигающий выходной плоскости волновой фронт от изображения входного сигнала и реконструкция равнялись друг другу по амплитуде и имели различие фаз в 180°. Это реализуется с помощью функции оптического ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ, осуществляемой между хранящимся в памяти входным сигналом и сравниваемым с изображением. В оптической операции И-НЕ фазами сигналов в опорных масках управляют в процессе записи таким образом, чтобы на стадии восстановления фаза давала требуемую оптическую операцию И-НЕ. Существует несколько способов выполнения этого процесса записи, детали которых описаны в литературе.

Особого внимания заслуживает корреляционный метод воздействия на динамическую решетку [17]. В данном подходе два складываемых числа в ССОК вводятся вдоль линейных каналов на вход совмещенного преобразующего корреляционного процессора. Данный корреляционный процессор выполняет линейную корреляцию. Можно показать, что для линейной корреляции выходной сигнал коррелятора при координатной модуляции входного сигнала представляет собой световое пятно, расположение которого определяется суммой расстояний, отсчитываемых от оси сумматора до расположения двух входных световых пятен. Для конкретного эксперимента (рис. 4.7) роль совмещенного преобразователя-коррелятора выполняет двумерный ПМС. Отраженный выходной сигнал ПМС вследствие его оптической нелинейности содержит соотношения совмещенного преобразования. Этот выходной сигнал с помощью светоделительной пластины проецируется на плоскость Для того чтобы снизить величину выходного сигнала до величины его

Рис. 4.7. Оптический совмещенный коррелятор-преобразователь, примененный для оптического сложения в ССОК [16]. — входная плоскость; ПМС — пространственный модулятор света; СЭ — светоделительный элемент; Л — линза; ДР — решетка Столографическая); — промежуточная плоскость; — выходная плоскость.

периодических изменений, используется комбинация дифракционной решетки и схем управления апертурой. Пространственная частота дифракционной решетки подобрана так, что ее пространственная периодичность приспособлена для тех пространственных периодических явлений, которые хотят использовать. Эта решетка действует как пространственный фильтр в плоскости Путем правильного управления апертурой в выходной плоскости выбирается правильный диапазон выходных чисел ССОК.

Двумерная поверхность ПМС может также быть использована для воздействия на периодическую корреляцию в отличие от предшествующей схемы управления решеткой и апертурой. Если нужно разместить входные световые пятна на окружности подходящего радиуса, тогда получающийся двумерный сигнал корреляции для фиксированных радиуса и углового направления дает круговую корреляцию. Проистекающая операция вернет ее на окружность, сообщая необходимую пространственную периодическую величину. В данном случае модульные каналы представляют собой окружности разного радиуса.

Оптические волноводные переключатели [16, 18] также являются кандидатами для оптического сложения в ССОК из-за их доступности и совершенной технологии интегральных схем (ИС). Оптические волноводные переключатели представляют собой одномодовые сильно связанные диэлектрические волноводы, чей коэффициент связи зависит через электрооптический эффект от приложенного напряжения. Вследствие того что они имеют размеры ИС, большие напряженности электрических полей (тысячи вольт на метр) могут быть достигнуты при маленьких напряжениях (порядка нескольких десятков вольт). Эти напряжения, будучи приложенными к конкретному волноводному переключателю, используются для того, чтобы перенаправить оптическое поле из одного в другой сильно связанный диэлектрический волновод. Эти волноводы работают как управляемый напряжением ответвитель (рис. 4.8, а) для оптического поля. Эти компоненты могут быть собраны в структуру, работающую как динамическая карта, где состояния электроопти-ческих переключателей определяют конкретную, отслеживающую их карту. Существует ряд способов управлять этими переключателями, например использовать арифметические сумматоры в ССОК. Конкретный способ управления состоит в приспособлении переключающей матрицы для использования в качестве набора переключателей, управляемых напряжением. Входными сигналами матрицы являются пространственно закодированные световые пятна, это представляет первый аргумент; другим аргументом являются переключающие напряжения переключателя. Выходным результирующим сигналом переключающей матрицы является оптически пространственно

закодированное световое пятно. При фиксированных напряжениях на электрооптических переключателях матрица представляет собой неподвижную карту. Неподвижные карты могут выполнять соответствующим образом прямое и обратное К-преобразование, необходимое для преобразования операции умножения в ССОК в операцию сложения в ССОК. И неподвижные, и динамические операции ССОК могут быть спроектированы и реализованы в виде модулей оптических интегральных схем (рис. 4.8, б). Фактически завершенная многозначная оптическая ИС может быть реализована в виде отдельного интегрально-оптического чипа. Основным ограничением быстродействия этого устройства является скорость включения и выключения электрооптических компонент. Эти скорости ограничены емкостными эффектами и лежат в наносекундной области.

Для того чтобы увеличить быстродействие, необходим управляемый светом оптический переключатель. В сообщении [19] описывалась управляемая светом оптчческая волноводная переключающая матрица. Здесь модулирующий свет подается на волноводное устройство, имеющее фотопроводящий слой, создающий объемный заряд, который в свою очередь модулирует показатель преломления оптического волновода. В данной схеме направление распространения света обозначало различные числа в ССОК. Созданием синусоидальных дифракционных решеток на волноводных слоях можно было контролировать направление распространения волны. Возникновение поля связанного заряда является статическим эффектом, и, таким образом, можно ожидать, что такие устройства будут довольно медленными. Двумерный ПМС с перестраиваемой решеткой [30, 31] представляет собой нелинейное устройство, преобразующее локализованную интенсивность в пространственную частоту.

Рис. 4.8. Оптический переключатель света, управляемый напряжением: а — вариант направленного ответвителя, управляемого напряжением; -управляющее напряжение; б — схема оптического сумматора, работающего по управляемого напряжением [18].

Такое устройство совместно с оптическим преобразованием Фурье может быть использовано для реализации оптических логических операций в фурье-оптике. По существу эти устройства выполняют функцию тета-модуляции, или пространственной модуляции, описанной в [24]. Фактически данная форма модуляции может быть использована для выполнения оптических операций в ССОК [25]. Недавно в ряде сообщений были описаны новые виды управляемых светом оптических переключателей. Соотношение входного-выходного сигналов переключателя зависит от конкретного нелинейного оптического эффекта. Многие из известных в настоящее время оптических переключателей представляют собой оптические резонаторы, содержащие нелинейный материал (рис. 4.9) [26, 27]. Одним из ранних оптических бистабильных устройств был резонатор Фабри—Перо, содержащий между своими зеркалами оптический нелинейный материал (рис. 4.9, а). Показатель преломления материала также зависит от интенсивности света, распространяющегося в материале. Управляя интенсивностью света в материале, можно управлять резонансной частотой резонатора. Соответственно может быть изменена интенсивность выходного сигна-

Рис. 4.9. Интерферометрические переключатели света с оптическим управлением: а — переключатель света на нелинейном резонаторе Фабри—Перо [26]; б — переключатель света на интерферометре Саньяка с накачкой сзади [27]; в — переключатель на интерферометре Саньяка с накачкой спереди [28],

структуры. Кроме указанного устройства, могут быть предложены другие варианты резонансных структур. На рис. 4.9, 6 показан оптический интерферометр на основе интерферометра Саньяка с обратной накачкой [28], в то время как на рис. 4.9, в изображен оптический переключатель на основе интерферометра Саньяка с прямой накачкой [29]. Недавно были также описаны рассеивающие беззеркальные бистабильные оптические переключатели [32]. Эти оптически управляемые переключатели света могут служить базовыми элементами для оптических вычислительных сетей. В зависимости от материала и способа возбуждения могут быть созданы различные оптические матрицы переключателей.