Оптические логические элементы

Для создания цифровой машины принципиально уметь строить основные логические элементы И, ИЛИ, НЕ. Ниже рассматрены основные принципы, предлагаемые сегодня для построения таких элементов, управляемых светом.

Волноводные логические элементы

Волноводный модулятор представляет собой интерференционный прибор, осуществляющий амплитудную модуляцию входного оптического сигнала, представляющего собой линейно поляризованное световое излучение лазера. Входной волновод модулятора разветвляется на два параллельных канала, которые затем снова сливаются, образуя выходной волновод. Волновод изготавливается из материала, обладающего электрооптическим эффектом. Обе ветви волновода симметричны, поэтому входной световой сигнал на разветвлении делится на две равные по амплитуде волны, которые далее распространяются по параллельным каналам с относительным сдвигом фаз. Разность фаз этих волн определяется электрическим напряжением, приложенным к управляющим электродам. Логическая "1" отождествляется со значением напряжения U0, а двоичный "0"- с нулевым потенциалом. Таким образом, если напряжение U0 приложено к четному числу управляющих электродов, то волны, сходящиеся в выходном разветвлении усиливают друг друга, образуя выходной оптический сигнал с амплитудой, практически равной амплитуде входного сигнала, который принимается за единичный сигнал. В противном случае волны практически полностью гасят друг друга, образуя нулевой выходной сигнал.

Условные обозначения волноводных логических устройств:

Оптический транзистор (трансфазор)

Трансфазор редставляет собой оптический аналог электронного транзистора и является оптически бистабильным прибором, способным переключаться в одно из двух четко различимых состояний за время, измеряемое пикосекундами. Он может иметь такие же малые раэмеры, как и электронный транзистор. Для поддержания бистабильного состояния в трансфазоре требуется мощность порядка 10 мВт и энергия переключения порядка 10 фемто Дж. На основе трансфазора реализуется функционально полная система логических элементов, из которых можно строить любые логические схемы и функциональные узлы вычислительных машин.

Для образования основных логических элементов И, ИЛИ и НЕ в оптических компьютерах можно использовать бистабильные оптические устройства. Такое устройство представляет собой резонатор Фабри-Перо, заполненный нелинейным веществом (например антимонид индия - InSb). Показатель преломления данного вещества зависит от интенсивности падающего пучка, поэтому на выходе можно получить два стабильных состояния, одно из которых условно принимается за "0", а другое за "1".

Один и тот же трансфазор (оптический транзистор) может служить как элементом И, так и элементом ИЛИ, в зависимости от подведённых к нему пучков. Если два падающих пучка подобраны так, что ни один из них сам по себе не способен переключить трансфазор, а оба вместе обладают достаточной интенсивностью для его переключения, то образуется оптический элемент И. Если же падающие пучки подобраны так, что любой из них способен переключить трансфазор, образуется оптический элемент ИЛИ. Элемент НЕ можно создать, используя в качестве выходного сигнала отражённый пучок. Так как он является инверсией прошедшего пучка, то повышение интенсивности падающего пучка приводит к снижению интенсивности на выходе и наоборот (смотри рисунки).

Наиболее широкое применение среди различных типов оптических процессоров нашли оптические корреляторы. Существует много различных вариантов построения корреляторов, среди которых два наиболее часто испоьзуемых:

· коррелятор с частотной плоскостью;

· коррелятор с одновременным преобразованием.

В качестве коррелятора с частотной плоскостью может служить оптическая система пространственной фильтрации, представленная на рис. 2. Действительно, если на вход этой системы подать входной сигнал U1(x1,y1), а в фурье-плискости сформировать фильтр с передаточной функцией H=V, то на выходе получится сигнал

(8)

представляющий собой кросс-корреляцию сигналов v и U. Если v = U, то получают функцию автокорреляции. Операционный фильтр с передаточной функцией H=V называют согласованным фильтром, а соответствующую схему - схемой согласованной фильтрации.

Согласованная фильтрация обычно используется при распознавании образов в заданном изображении: отдельных букв, символов, простых рисунков специальной информации. Для этого записывают (одним из методов) фильтр, согласованный с образом информации, подлежащим опознаванию, после чего осуществляют его взаимную корреляцию с заданным изображением. Если в изображении содержится интересующий образ, то в результате автокорреляции в выходной плоскости системы образуется яркое световое пятно, указывающее на наличие опознаваемого образа и местонахождение в искомом изображении. Таким путем распознают отпечатки пальцев, интересующие слова на странице текста, специальные объекты на карте местности и т.п.

В коррелятор с одновременным преобразованием функции V1(x,y) и V2(x,y), корреляцию которых требуется получить, вводятся с помощью транспарантов, помещенных рядом во входной плоскости. Допустим, что каждая функция имеет ширину а, а расстояние между центрами функций равно 2а. Амплитудное пропускание транспарантов можно записать в виде

(9)

Распределение комплексных амплитуд света в фурье-плоскости Рн с точностью до постоянного множителя совпадает с фурье-образом (9):

(10)

Поскольку на регистрирующую среду записывается квадрат модуля данного распределения, последующее амплитудное пропускание полученного фильтра соответствует выражению

(11)

Данный фильтр записывается с помощью когерентного светового пучка, по существу он представляет собой голограмму с кодированным опорным пучком. Фильтр с функцией пропускания (10) освещается плоской световой волной, отраженной от осветителя М. В выходной плоскости Рd получают изображение, описываемое распределением амплитуд:

(12)

Таким образом, в выходной плоскости рассмотреной системы формируются кросс - корреляции функций V1 и V2. Отметим, что запись и считывание могут осуществляться на одной длине волны, если это не лимитируется свойствами регистрирующего материала.

Коррелятор с одновременным преобразованием имеет ряд преимуществ перед коррелятором с частотной плоскостью:

· менее жесткие допуски на точность установки элементов, поскольку полученный в результате записи фильтр освещается плоской волной;

· контрасную интерференционную картину и, как следствие этого, хорошую модуляцию всех составляющих в спектре пространственных частот функций V1 и V2.

Коррелятор с одновременным преобразованием предпочтительно применять в тех случаях, когда входные функции поступают в реальном масштабе времени. Следует отметить, что повышения надежности распознования можно добиться за счет предварительной обработки исходного изображения, например оконтуривания, поскольку контурные линии для большинства изображений обладают наибольшей информативностью.

Акустооптический модулятор (АОМ) — устройство для изменения интенсивности пропускаемого света, вследствие его дифракции на решётке, образуемой в стекле в результате пространственной модуляции показателя преломления акустической волной.

Тонкий модулятор (дифракция Рамана-Ната)

При ортогональном падении света на поверхность кристалла проходящий свет c длиной волны и звуковой волной — дифрагирует под углом в несколько дифракционных порядков :

Дифракция Рамана - Ната наблюдается на низких звуковых частотах и при не слишком большой длине взаимодействия (глубине акустического поля). При нормальном падении света, т. е. параллельно волновому фронту звуковой волны, дифракционный спектр Рамана - Ната представляет расположенные симметрично по обе стороны от прошедшего пучка равноотстоящие друг от друга дифракционные максимумы. При наклонном падении света интенсивность максимумов, возникающих по обе стороны от прошедшего пучка, уменьшается, но их угловые направления на них остаются неизменными. Угловое направление дифракционных максимумов

Физическая интерпретация этих двух различных типов дифракции состоит в следующем. При неизменной длине волны света на низких звуковых частотах при малой длине взаимодействия (длине акустического столба) направление распространения падающего света внутри области взаимодействия остается прямолинейным, и оптическая неоднородность среды, связанная с изменением показателя преломления, влияет только на фазу света, прошедшего через акустический столб. Для света роль акустической волны в этом случае сводится к созданию движущейся со скоростью звука фазовой решетки с периодом, равным периоду звуковой волны. Такая ситуация соответствует дифракции Рамана - Ната. Дифракция света в режиме Рамана - Ната происходит по законам дифракции на обычной фазовой решетке, и именно этим объясняется наличие симметричных эквидистантно расположенных дифракционных максимумов. Частоты света в дифракционных максимумах сдвинуты согласно эффекту Допплера вследствие движения фазовой решетки.