RU2117323C1 - Optical analog-to-digital converter - Google Patents

Abstract

FIELD: optical signal processing equipment, in particular, optical communication and information transmission systems. SUBSTANCE: device has optical amplifier, coherent light source, input optical splitter, optical waveguides, optical encoder, input of optical amplifier serves as device input. Its output is connected through optical waveguide to input of first optical element in serial circuit of N two-state optical elements which inputs are optically connected through optical input splitter to output of coherent light source. Inverse output of each of two-state optical elements is connected through optical waveguide to input of next element in circuit. Direct outputs of two-state optical elements are connected to corresponding inputs of optical encoder, which outputs are designed as permitted binary combinations serve outputs of device. EFFECT: increased speed. 1 dwg

Description

Изобретение относится к специализированной технике обработки оптических сигналов и может быть использовано при разработке оптических систем связи и обработки информации. The invention relates to a specialized technique for processing optical signals and can be used in the development of optical communication systems and information processing.

Известны различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), использующие элементы электронной технологии [Гитис Э.И. и Пискулов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи. - М.: Энергоиздат, 1991]. Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является интегрально-оптический АЦП [Семенов А. С. , Смирнов В.Л. и Шмалько А.В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации.-М.: Радио и связь, 1990], содержащий оптические бистабильные элементы (ОБЭ), полупроводниковый лазер, сигнальные электроды, электроды смещения, оптические усилители и компараторы. Various analog-to-digital converters (ADCs) using elements of electronic technology are known [E. Gitis. and Piskulov E.A. Analog-to-digital converters. - M.: Energoizdat, 1991]. The closest in technical execution to the proposed device is an integrated-optical ADC [Semenov A. S., Smirnov V.L. and Shmalko A.V. Integrated optics for information transmission and processing systems. M: Radio and Communications, 1990], containing optical bistable elements (RBE), a semiconductor laser, signal electrodes, bias electrodes, optical amplifiers and comparators.

Недостатки данных устройств являются сложность исполнения, а также низкое быстродействие, обусловленное необходимостью преобразования и обработки входных электрических сигналов. The disadvantages of these devices are the complexity of execution, as well as low speed, due to the need to convert and process input electrical signals.

Изобретение направлено на решение задачи синтеза оптического АЦП, обладающего простотой исполнения, позволяющего осуществлять обработку чисто оптических сигналов и имеющего быстродействие, близкое к потенциально возможному для оптических устройств. Подобная задача возникает при разработке быстродействующих оптических устройств для обработки информации, использующих в качестве информационных и управляющих сигналов только оптические сигналы. The invention is directed to solving the problem of synthesizing an optical ADC, which has simplicity of execution, which allows the processing of purely optical signals and has a speed close to the potential for optical devices. A similar problem arises in the development of high-speed optical devices for processing information that use only optical signals as information and control signals.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены оптический усилитель, источник когерентного излучения, входной оптический разветвитель, оптический шифратор, вход оптического усилителя является входом устройства, а выход с помощью оптического разветвления подключен к входу первого оптического бистабильного элемента в группе из N последовательно соединенных оптических бистабильных элементов, входы которых оптически связаны через входной оптический разветвитель с выходом источника когерентного излучения, инверсный выход каждого из оптических бистабильных элементов подключен с помощью оптического разветвления к входу последующего элемента в группе, а прямые выходы оптических бистабильных элементов подключены к соответствующим входам оптического шифратора, которые являются входами группы оптических разветвителей, выходы которых образуют разрешенные двоичные комбинации на выходах оптического шифратора и являются выходами устройства. The essence of the invention lies in the fact that an optical amplifier, a coherent radiation source, an input optical splitter, an optical encoder, an optical amplifier input is an input of the device, and the output is connected using the optical branching to the input of the first optical bistable element in a group of N series-connected optical bistable elements, the inputs of which are optically connected through the input optical splitter with the output of the coherent radiation source, inverse output each of the bistable optical elements is connected by optical branching to the input of the subsequent element in the group, and the direct outputs of the optical bistable elements are connected to the corresponding inputs of the optical encoder, which are the inputs of the optical splitter group, the outputs of which form the allowed binary combinations at the outputs of the optical encoder and are outputs devices.

На чертеже приведена функциональная схема оптического АЦП. The drawing shows a functional diagram of an optical ADC.

Оптический АЦП содержит оптический усилитель 1 (ОУ), источник когерентного излучения 2 (ИКИ), оптический разветвитель 3 (ОР), группу из N последовательно соединенных оптических бистабильных элементов 4_i (ОБЭ), оптические волноводы 4_1i, 4_2i (ОВ), оптический шифратор 5.The optical ADC contains an optical amplifier 1 (OA), a coherent radiation source 2 (IRI), an optical splitter 3 (OR), a group of N series-connected optical bistable elements 4 _i (RBE), optical waveguides 4 _1i , 4 _2i (OB), optical encoder 5.

Вход АЦП совмещен с входом оптического усилителя I, выход которого подключен к входу оптического бистабильного элемента 4₁ в группе из N последовательно соединенных ОБЭ 4₁ ^oC 4_N. Выход источника когерентного излучения 2 подключен к входу оптического разветвителя 3, выходы которого подключены к входам каждого, кроме первого, ОБЭ 4₂ ^oC 4_N.The input of the ADC is combined with the input of the optical amplifier I, the output of which is connected to the input of the optical bistable element 4 ₁ in the group of N series-connected RBE 4 ₁ ^o C 4 _N. The output of the coherent radiation source 2 is connected to the input of the optical splitter 3, the outputs of which are connected to the inputs of each, except the first, RBE 4 ₂ ^o C 4 _N.

Инверсный выход каждого ОБЭ 4₁ подключен с помощью оптического волновода 4_2i к входу последующего ОБЭ 4_i+1 в группе ОБЭ 4₁ ^oC4_N, прямые выходы ОБЭ 4_i подключены через оптические волноводы 4_1i к соответствующим входам оптического шифратора 5, которые являются входами группы оптических разветвителей, выходы которых являются выходами 5_j оптического шифратора 5 и образуют разрешенные двоичные комбинации на выходе устройства.The inverse output of each RBE 4 _{1 is} connected via an optical waveguide 4 _2i to the input of the subsequent RBE 4 _{i + 1} in the RBE group 4 ₁ ^o C4 _N , the direct outputs of the RBE 4 _{i are} connected through the optical waveguides 4 _1i to the corresponding inputs of the optical encoder 5, which are the inputs of the group of optical splitters, the outputs of which are the outputs 5 _{j of the} optical encoder 5 and form the permitted binary combinations at the output of the device.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии оптический сигнал на входе устройства отсутствует - на выходах АЦП сформирован нулевой код. The device operates as follows. In the initial state, there is no optical signal at the input of the device - a zero code is generated at the ADC outputs.

Аналоговый оптический сигнал определенной интенсивности A поступает через оптический усилитель 1 с коэффициентом усиления k₁, выбранным из расчета компенсации потерь в оптических волноводах и оптических разветвителях, на вход оптического бистабильного элемента 4₁, имеющего по сравнению с другими ОБЭ 4₂ ^oC 4_N наибольший порог срабатывания Δ₁ (для обеспечения функционирования АЦП порог порог срабатывания каждого последующего ОБЭ 4_i+1 по сравнению с порогом предыдущего 4_i меньше на величину ΔI - шага квантования входного сигнала по интенсивности, равного Δ₁N , где N - требуемое количество уровней квантования, определяемое из условия требуемой точности преобразования). Если интенсивность сигнала превышает порог срабатывания ОБЭ 4₁, на его выходе появляется сигнал, который по оптическому волноводу 4₁₁ поступает на 1-й вход оптического шифратора 5. Если интенсивность сигнала оказывается меньше порога срабатывания Δ₁ , то входной сигнал проходит на инверсный выход ОБЭ 4₁ и далее поступает по ОВ 4₂₁ на вход следующего ОБЭ 4₂, который имеет порог срабатывания Δ₂= Δ₁-ΔI.An analog optical signal of a certain intensity A is supplied through an optical amplifier 1 with a gain k ₁ selected from the calculation of loss compensation in optical waveguides and optical splitters to the input of an optical bistable element 4 ₁ , which has the largest in comparison with other RBEs 4 ₂ ^o C 4 _N threshold Δ ₁ (for the operation of the ADC threshold threshold of each subsequent RBE 4 _{i + 1} compared with the previous threshold 4 _i is less than the amount ΔI - input signal quantization step by the intensity awns equal to Δ ₁ N, where N - number of required quantization levels, determined from the condition that the required accuracy of conversion). If the signal intensity exceeds the response threshold of the RBE 4 ₁ , a signal appears at its output, which is fed to the 1st input of the optical encoder 5 via the optical waveguide 4 _11. If the signal intensity is lower than the response threshold Δ ₁ , the input signal passes to the inverse output of the RBE 4 ₁ and then goes through OB 4 ₂₁ to the input of the next RBE 4 ₂ , which has a threshold Δ ₂ = Δ ₁ -ΔI.

Если интенсивность поступившего оптического сигнала превышает порог срабатывания ОБЭ 4₂, то сигнал с прямого выхода ОБЭ 4₂ поступит по ОВ 4₁₂ на второй вход оптического шифратора 5, в противном случае сигнал с инверсного выхода ОБЭ 4₂ через ОВ 4₂₂ поступит на вход следующего ОБЭ 4₃ в группе ОБЭ 4₁ ^oC 4_N и т.д. Порог срабатывания каждого ОБЭ в группе соответствует i-му уровню квантования по интенсивности входного аналогового сигнала и равен Δ_i= Δ₁-(i-1)ΔI. Различие порогов срабатывания у одинаковых ОБЭ достигается увеличением интенсивности входного сигнала каждого, кроме первого, ОБЭ 4₂ ^oC 4_N за счет сложения сигнала, поступающего на вход ОБЭ с дополнительным сигналом с выхода источника излучения 2 интенсивности (N-1)ΔIK₂ (K₂ - коэффициент усиления, выбранный из расчета компенсации потерь в оптическом разветвителе 3), сигнал интенсивности ΔI , равный требуемому шагу квантования, поступает на вход каждого ОБЭ 4₂ ^oC 4_N. Таким образом, начальный порог каждого ОБЭ 4₂ ^oC 4_N, равный Δ₁= N•ΔI , будет уменьшаться на величину ΔI при прохождении сигналом очередного ОБЭ вследствие увеличения входного сигнала на величину ΔI в каждом ОБЭ, сигнал на входе ОБЭ 4₁ равен K₁A, на входе ОБЭ 4₂-K₁A+ΔI , на входе ОБЭ 4₃ - K₁A+2DI и т.д.If the intensity of the received optical signal exceeds the threshold of the RBE 4 ₂ , then the signal from the direct output of the RBE 4 ₂ will go through OB 4 ₁₂ to the second input of the optical encoder 5, otherwise the signal from the inverse output of the RBE 4 ₂ through OB 4 ₂₂ will go to the input of the next RBE 4 ₃ in the RBE group 4 ₁ ^o C 4 _N , etc. The response threshold of each RBE in the group corresponds to the i-th quantization level in terms of the intensity of the input analog signal and is equal to Δ _i = Δ ₁ - (i-1) ΔI. The difference in response thresholds for the same RBE is achieved by increasing the intensity of the input signal of each, except for the first, RBE 4 ₂ ^o C 4 _N due to the addition of the signal fed to the input of the RBE with an additional signal from the output of the radiation source of intensity 2 (N-1) ΔIK ₂ (K ₂ - gain selected from the calculation of loss compensation in the optical splitter 3), the intensity signal ΔI, equal to the required quantization step, is fed to the input of each RBE 4 ₂ ^o C 4 _N. Thus, the initial threshold of each RBE 4 ₂ ^o C 4 _N , equal to Δ ₁ = N • ΔI, will decrease by ΔI when the signal passes through the next RBE due to an increase in the input signal by ΔI in each RBE, the signal at the input of RBE 4 ₁ is K ₁ A, at the input of the RBE 4 ₂ -K ₁ A + ΔI, at the input of the RBE 4 ₃ - K ₁ A + 2DI, etc.

Сигнал, прошедший по прямой выход одного из ОБЭ, соответствует определенному уровню квантования входного сигнала и поступает по оптическому волноводу 4_1i на i-й вход оптического шифратора 5. Для преобразования в цифровой (здесь - двоичный) код сигнал с входа оптического шифратора 5 поступает на вход соответствующего оптического разветвителя, откуда по оптическим разветвлениям поступает на выходы 5_j оптического шифратора 5, являющиеся разрядами выходного кода АЦП, соответствующего мгновенному значению входного аналогового сигнала A (приведена схема оптического шифратора 5 для стандартного двоичного кода).The signal passed through the direct output of one of the RBEs corresponds to a certain level of quantization of the input signal and is transmitted via the optical waveguide 4 _1i to the ith input of the optical encoder 5. For conversion into a digital (here, binary) code, the signal from the input of the optical encoder 5 is fed to the input of the corresponding optical splitter, from where it goes through the optical branches to the outputs 5 _{j of the} optical encoder 5, which are the bits of the ADC output code corresponding to the instantaneous value of the input analog signal A ( The optical encoder scheme 5 for the standard binary code is provided).

Максимальное время срабатывания АЦП τ_АЦП складывается из времени срабатывания оптического усилителя 1 τ_oy , максимального времени срабатывания группы из N ОБЭ, равного N•τ , где τ - время срабатывания ОБЭ ( τ ≈ τ_oy≈ 10¹²C ) и времени срабатывания оптического шифратора, которым можно пренебречь вследствие его малости. Отсюда τ_АЦП = 10^-12 + N • 10^-12 = (N + 1) • 10^-12 и для 10-разрядного АЦП (N = 1024) не превышает 10^-9C.The maximum response time of the ADC τ _{ADC is the} sum of the response time of the optical amplifier 1 τ _oy , the maximum response time of a group of N RBE equal to N • τ, where τ is the response time of RBE (τ ≈ τ _oy ≈ 10 ¹² C) and the response time of the optical encoder which can be neglected due to its smallness. Hence, τ _ADC = 10 ^-12 + N • 10 ^-12 = (N + 1) • 10 ^-12 and for a 10-bit ADC (N = 1024) does not exceed 10 ^-9 C.

Claims (1)

Оптический аналого-цифровой преобразователь, содержащий оптические бистабильные элементы, оптические волноводы, оптический усилитель, источник когерентного излучения, входной оптический разветвитель, отличающийся тем, что в него введен оптический шифратор, вход оптического усилителя является входом устройства, а выход оптического усилителя с помощью оптического волновода подключен к входу первого оптического бистабильного элемента в группе из N последовательно соединенных оптических бистабильных элементов, входы которых оптически связаны через входной оптический разветвитель с выходом источника когерентного излучения, инверсный выход каждого из оптических бистабильных элементов подключен с помощью оптического волновода к входу последующего оптического бистабильного элемента в группе, а прямые выходы оптических бистабильных элементов подключены к соответствующим входам оптического шифратора, выходами оптического шифратора являются выходы разрешенных двоичных комбинаций, которые и являются выходами устройства. An optical analog-to-digital converter containing optical bistable elements, optical waveguides, an optical amplifier, a coherent radiation source, an input optical splitter, characterized in that an optical encoder is inserted into it, the input of the optical amplifier is the input of the device, and the output of the optical amplifier using an optical waveguide connected to the input of the first optical bistable element in a group of N series-connected optical bistable elements, the inputs of which are optical connected through the input optical splitter to the output of the coherent radiation source, the inverse output of each of the optical bistable elements is connected using the optical waveguide to the input of the subsequent optical bistable element in the group, and the direct outputs of the optical bistable elements are connected to the corresponding inputs of the optical encoder, the outputs of the optical encoder are the outputs allowed binary combinations, which are the outputs of the device.