Оптоэлектронный компромиссный сумматор

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики.

Известно оптическое устройство - оптический дизъюнктор непрерывных множеств [Пат. RU 2419127 C2 2011, Оптический дизъюнктор непрерывных множеств / В.М. Курейчик, В.В. Курейчик, М.А. Аллес, С.М. Ковалев, С.В. Соколов], содержащий источник излучения, оптический Y-разветвитель, два оптических k×n выходных разветвителя, два матричных оптических транспаранта, k групп по n оптических Y-объединителей, k групп по n блоков нормирования интенсивностей, k оптических n-входных объединителей.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический разветвитель, оптический объединитель, оптический транспарант.

Известно оптическое устройство - оптический дизъюнктор нечетких множеств [Пат. RU 2422876 C1 2011, Оптический дизъюнктор нечетких множеств / М.А. Аллес, С.М. Ковалев, С.В. Соколов], содержащий m групп по k фотоприемников, m источников когерентного излучения, m оптических 2k-выходных разветвителей, m групп по k оптических амплитудных модуляторов, m групп по k оптических фазовых модуляторов, m групп по k оптических Y-объединителей, k селекторов минимального сигнала, k блоков извлечения квадратного корня, k блоков вычитания.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: фотоприемник, источник излучения, оптический разветвитель, оптический объединитель.

Недостатком вышеописанных аналогов является невозможность выполнения операции компромиссности.

Известно оптическое устройство - оптический дизъюнктор непрерывных (нечетких) множеств [Пат. RU 2432600 C1 2011, Оптический дизъюнктор непрерывных (нечетких) множеств / М.А. Аллес, С.В. Соколов, С.М. Ковалев], принятый за прототип и содержащий m групп по k блоков пространственного распределения оптического потока, каждый из которых состоит из фотоприемника, источника излучения, электрооптического дефлектора, группы из n оптических волноводов, линейного оптического транспаранта, группы из n оптических j-выходных разветвителей и группы из n оптических (n-j+1)-входных объединителей, k групп по n оптических m-входных объединителей, k групп по n блоков нормирования интенсивности, каждый из которых состоит из (m-1) пар оптически связанных волноводов, (m-1) оптических транспарантов и оптического m-входного объединителя, k оптических n-входных объединителей.

Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: фотоприемник, источник излучения, электрооптический дефлектор, линейный оптический транспарант, оптический разветвитель, оптический объединитель.

Недостатком вышеописанного прототипа является невозможность выполнения операции компромиссности.

Изобретение направлено на решение задачи быстродействующей оптоэлектронной реализации операции компромиссности над действительным числом x(x∈[0,1]). Подобная задача возникает при создании эластичных нейронечетких систем, когда присутствует необходимость изменения структуры системы в процессе обучения в реальном масштабе времени [Рутковский Л. Методы и технологии искусственного интеллекта / Пер. с польск. И.Д. Рудинского. - М.: Горячая линия - Телеком, 2010. - 520 с.]. Для достижения этой цели применяют так называемые H-функции, основанные на использовании оператора компромиссности, реализуемого в предлагаемом устройстве.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптоэлектронный компромиссный сумматор, содержащий фотоприемник, источник излучения, электрооптический дефлектор, линейный оптический транспарант, оптический Y-разветвитель, оптический Y-объединитель, введены электрооптический модулятор, оптический транспарант, оптический Y-разветвитель, два управляемых оптических транспаранта, оптический n-входной объединитель, группа n оптических волноводов, входы которых равноудалены от выхода электрооптического дефлектора (далее - n равноудаленных оптических волноводов), входом устройства является управляющий вход электрооптического модулятора, к информационный входу которого подключен первый выход второго оптического Y-разветвителя, а выход электрооптического модулятора подключен ко входу первого оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен к информационному входу первого управляемого оптического транспаранта, на управляющий вход которого поступает сигнал параметра операции компромиссности ν и выход которого подключен к первому входу оптического Y-объединителя, а второй выход первого оптического Y-разветвителя подключен ко входу фотоприемника, выход которого подключен к управляющему входу электрооптического дефлектора, информационный вход которого оптически связан через оптический транспарант со вторым выходом второго оптического Y-разветвителя, ко входу которого подключен выход источника излучения, а выход электрооптического дефлектора оптически подключен ко входам n равноудаленных оптических волноводов, выходы которых подключены через линейный оптический транспарант ко входам оптического n-входного объединителя, выход которого подключен к информационному входу второго управляемого оптического транспаранта, на управляющий вход которого поступает сигнал параметра операции компромиссности 1-ν и выход которого подключен ко второму входу оптического Y-объединителя, выход которого является выходом устройства.

Оптоэлектронный компромиссный сумматор предназначен для выполнения в режиме реального времени операции компромиссности над действительным числом x(x∈[0,1]):

где ν∈[0,1] - заданный параметр операции компромиссности.

Функциональная схема оптоэлектронного компромиссного сумматора показана на фигуре 1.

Оптоэлектронный компромиссный сумматор содержит:

- 1 - электрооптический модулятор (ЭОМ);

- 2₁, 2₂ - два оптических Y-разветвителя;

- 3₁, 3₂ - два управляемых оптических транспаранта (УОТ);

- 4 - фотоприемник (ФП);

- 5 - источник излучения (ИИ);

- 6 - оптический транспарант (ОТ) с функцией пропускания интенсивности ;

- 7 - электрооптический дефлектор (ЭОД);

- 8₁, 8₂, …, 8_n - группу n оптических волноводов, входы которых равноудалены от выхода ЭОД 7 (n равноудаленных оптических волноводов);

- 9 - линейный оптический транспарант (ЛОТ) с линейной функцией пропускания интенсивности (1-x)(x∈[0,1]);

- 10 - оптический n-входной объединитель;

- 11 - оптический Y-объединитель.

Входом оптоэлектронного компромиссного сумматора является управляющий вход ЭОМ 1, к информационному входу которого подключен первый выход 2₂₁ второго оптического Y-разветвителя 2₂. Выход ЭОМ 1 подключен ко входу первого оптического Y-разветвителя 2₁, первый выход 2₁₁ которого оптически подключен к информационному входу УОТ 3₁. Второй выход 2₁₂ первого оптического Y-разветвителя 2₁ оптически подключен ко входу ФП 4. Вход второго оптического Y-разветвителя 2₂ оптически связан с выходом ИИ 5. Второй выход 2₂₂ второго оптического Y-разветвителя 2₂ оптически подключен ко входу ОТ 6. Выход ОТ 6 оптически подключен к информационному входу ЭОД 7, к управляющему входу которого подключен выход ФП 4. Выход ЭОД 7 оптически подключен к входам равноудаленных оптических волноводов 8₁, 8₂, …, 8_n. Выход каждого j-го оптического волновода 8_j оптически подключен через ЛОТ 9 к j-му входу n-входного оптического объединителя 10. Выход n-входного оптического объединителя 10 оптически подключен к информационному входу УОТ 3₂. Выходы УОТ 3₁ и УОТ 3₂ оптически подключены ко входам оптического Y-объединителя 11, выход которого является выходом устройства.

Работа оптоэлектронного компромиссного сумматора происходит следующим образом.

На вход устройства - управляющий вход ЭОМ 1, поступает управляющий сигнал x усл(овных) ед(иниц) (x меньше 1 усл. ед.); на информационный вход ЭОМ 1 поступает оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. с первого выхода 2₂₁ второго оптического Y-разветвителя 2₂. С выхода ЭОМ 1 оптический поток с интенсивностью 2х усл. ед. поступает на вход первого оптического Y-разветвителя 2₁, с первого выхода 2₁₁ которого оптический поток с интенсивностью x усл. ед. поступает на информационный вход первого УОТ 3₁, а со второго выхода 2₁₂ оптический поток с интенсивностью x усл. ед. поступает на вход ФП 4. На выходе ФП 4 формируется сигнал управления U_упр=K^-1_x (K - известный коэффициент, определенный ниже), который поступает на управляющий вход ЭОД 7.

С выхода ИИ 5 оптический поток с интенсивностью 4 усл. ед. поступает на вход второго оптического Y-разветвителя 2₂, с первого выхода 2₂₁ которого оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед. поступает на информационный вход ЭОМ 1, а со второго выхода 2₂₂ - на вход ОТ 6, с выхода которого оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. поступает на информационный вход ЭОД 7. (При отсутствии сигнала на управляющем входе ЭОД 7 оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. попадает на 1-й оптический волновод 8₁.) При поступлении на управляющий вход ЭОД 7 сигнала управления U_упр, отклоняющего оптический поток на угол ϕ~arcsin(k⋅Uупр) [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А. Акаев, С.А. Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с.], где k - коэффициент, определяемый типом дефлектора, оптический поток по оси ОХ смещается на величину:

где K=a⋅k, a=const - расстояние от выхода ЭОД 7 до входа любого оптического волновода из группы оптических волноводов 8₁, 8₂, …, 8_n.

Далее оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. с выхода j-го оптического волновода 8_j поступает на j-й вход ЛОТ 9 (участок транспаранта с функцией пропускания интенсивности, соответствующей значению (1-x) для текущего входного сигнала x), с j-го выхода которого снимается оптический поток с интенсивностью (1-x) усл. ед. Этот оптический поток поступает на j-й вход оптического n-входного объединителя 10 (на остальных входах которого оптические сигналы отсутствуют) и далее - на информационный вход УОТ 3₂.

Т.к. на управляющие входы УОТ 3₁ и УОТ 3₂ поданы управляющие сигналы ν и (1-ν) усл. ед. соответственно, то на выходах УОТ 3₁ и УОТ 3₂ формируются оптические потоки с соответствующими интенсивностями νx и (1-ν)(1-x), которые поступают на входы оптического Y-объединителя 11, с выхода которого - с выхода устройства, снимается оптический поток с суммарной интенсивностью, равной искомому значению функции (1).

Быстродействие оптоэлектронного компромиссного сумматора определяется динамическими характеристиками электрооптического модулятора, фотоприемника и электрооптического дефлектора. На сегодняшний день быстродействие электрооптического модулятора (например, модулятора Керра) достигает 10^-10 с, фотоприемника на основе лавинных фотодиодов - 10^-9 с, электрооптического дефлектора - 10^-12 с, что позволяет обеспечить функционирование устройства практически в реальном масштабе времени.