CC BY
286
т
Оптические цифровые элементы обработки сигналов
Ключевые слова: оптическая обработка сигнала, элементы булевой алгебры, триггеры, оптический переключатель, интерферометр Маха-Цандера, интерферометр Фабри-Перо, решетка Брегга.
Цель работы — анализ оптических цифровых элементов и их применение для обработки сигналов. Цифровые устройства обеспечивают высокую помехоустойчивость и точность реализации алгоритмов обработки сигналов в их основе, как правило, используется явление интерференции оптических волн и нелинейность оптических устройств. К ним относятся интерферометры Маха-Цандера и Фабри-Перо, двух фотонная логика на фотонном кристалле, цифровая голография и устройства на нанотрубках и нановолокнах. На этих устройствах реализуются типовые логические функции: И, ИЛИ, НЕ и на их основе триггеры и регистры. На практике используются устройства памяти ROM,RAM, кодеры декодеры сигналов, формирователи оптических кодовых последовательностей на основе решеток Брегга и голографии и анализаторы спектра в виде оптического БПФ и голографические анализаторы спектра. Областями применения оптических логических устройств является: оптические кодеры и декодеры, формирователи потоков данных, оптические сети связи с OFDM и CDMA, устройства оптической памяти, оптические процессоры, оптические анализаторы спектра на основе ДПФ и голографических устройств. Применение указанных устройств из-за их ультравысокого быстродействия, малых габаритов и потребления весьма перспективно для передачи и обработки оптических сигналов, хранения информац ии, а также для применения в цифровых оптических процессорах. Применение оптических систем с ортогональным частотной модуляцией (OFDM) позволяет перейти к терагерцовым скоростям передачи. Это направление успешно развивается. В настоящее время наиболее подходящими для реализации устройств передачи и обработки оптических сигналов являются интерферометры Маха-Цандера и Фабри-Перо. Наиболее полно преимущества реализуются применением оптических систем при полной замене электронных устройств оптическими вплоть до "последней мили".
Сперанский В.С.,
профессор МТУСИ, speranskyv@yandex.ru Клинцов О.И.,
старший научный сотрудник ФГУП НТЦ "ОРИОН"
Цифровая обработка обеспечивает высокую точность реализации алгоритмов и помехоустойчивость. Следует отметить, что современные оптические системы связи являются цифровыми. В основе оптических логических элементов используются явления интерференции и нелинейности резонаторов или волокна. На их основе реализуются элементы булевой алгебры, триггеры, ячейки памяти [1, 2, 3]. Указанные устройства обладают сверхвысоким быстродействием на порядки выше, чем аналогичные электронные приборы. Наиболее известны элементы на интерферометрах Фабрн-1 lepo |2] и Маха-Цандера [3]. Логические функции реализуются путем подачи управляющих статических напряжений. На рис. 1 показаны логические элементы на интерферометре Фабр и -Перо. Полноводный модулятор представляет собой пассивный интерференционный прибор, осуществляющий амплитудную модуляцию линейно-поляризованного излучения лазера. Входной волновод разветвляется на два параллельных канала, которые далее объединяются, образуя выходной волновод. Волновод выполнен из материала с нелинейным оптическим эффектом. Обе ветви симметричны, поэтому поток делится на две равные по амплитуде волны, имеющие относительный сдвиг фаз, который определяется напряжением, приложенным к управляющим электродам. Волны могут складываться и вычитаться.
На рис. 2 приведена структура кристалла интерферометра Фабри-Перо с нелинейным коэффициентом преломления.
Если пучки света подобраны так, что они имеют достаточную энергию для переключения, то формируется логический элемент «И». Если оба пучка имеют равные энергии, то формируется элемент «ИЛИ». Показатель преломления нелинейной среды меняется по кубическому закону в зависимости от интенсивности потока. Время переключения со-
80
ставляет пикосекунды. Потребляемая мощность 10 МВт. Интерферометр Маха-Цандера используется для выполнения без задержек логических и арифметических операций.
А В А Повторнт&пь
^ |Д'8)*С
С 1
■о
Конъюнктор А В
1 1 Рис. ]
Рис. 2
На рис.За показан оптический переключатель; 1,2-входы, ЗдБ разветвитель, 4 - управляющее напряжение сдвига фазы, 6 разветвитель, 7 и 8 — выходы. На рис. 36 представлена схема триггера на интерферометре Маха-Цандера [4|,
Триггер содержит четыре оптических переключателя (рис За) и имеет симметричные вход и выход.
Т-Сотт #9-2014
1
д в Сложение по модулю двд
АФВ
Л
У
Т-Сотт #9-2014
81
л
т
п п
временной код
\
п п
п п
п п
п п
_nrU -TLfl-" -TV^ JLn.
11
ЛЗ
Рис, 7
оптически-пространственны и код слово п бит
Устройства содержат входное оптическое нановолокно, разветвите ль, объединитель обратной связи, две телескопические нанотрубки-внутреннюю и внешнюю. Описаны умножитель сигналов и различные типы триггеров. Однако, до практической реализации разработки пока не дошли.
Области применения оптических логических устройств:
]. Оптические кодеры-декодеры, формирователи потоков данных
2. Оптические сети связи с OFDM и CDMA [9,10].
3. Устройства оптической памяти, например, CD-ROM.
4. Оптические процессоры [11, 12|.
5. Оптические спектро-анализаторы на основе ДПФ и голо графических устройств.
Выводы
• Применение рассматриваемых пассивных логических элементов из-за их сверхвысокого быстродействия, малых размеров и небольшого потребления энергии весьма перспективно для формирования, передачи и обработки оптических сигналов.
• В настоящее время наиболее подходящими являются интерферометры Маха-Цандера и Фабри-Перо. Однако, возникает вопрос стоимости, поскольку устройств нужно достаточно много, например, для кодера 64x64 нужно порядка I ООО элемент ов.
• Применение оптических систем е ортогональным частотной модуляцией (ОКПМ) позволяет перейти к терагерцо-вым скоростям передачи. Это направление успешно развивается,
• Наиболее полно преимущества реализуются применением оптических систем реализуется при полной замене электронных устройств оптическими вплоть до «последней мили».
Литература
1. Оптические вычисления. Под ред. Арратуна, - М.: Изд. Мир 1993.
2. Чубарое С.И. Оптическая обработка информации. - Минск. Изд. БГУ, 2009.
3. Стецюра Г.Г. Интерферометр Маха-Цандера как средство выполнения быстрых распределенных вычислении П Журнал радиоэлектроники, 2013. - №1.
4. Agrawal G.P. All-optical Signal processing and Optical Regeneration - Institute of Optics Univer.of Rochester. N.Y. 14267, 2007, 36 p.
5. Zhang T, Zhang C. Fu Q,. LiY,. Си L, Zwang G. All optical gates using bactercorhodlp sinfilms - Syracuse Univ. 1999.
6. Спектрально-фазовый нанооптическнй колер,-Информатика и её приложения, 2012. -№4.
7. Boffi P. Piccinin D. Mottarella D. Martinelli M. All-optical freespace processing for optical communication signals // Optics Comm. 2000, 181.1.
8. Соколов С.В., Каменский В.В. Патент на изобретение №2313117 Оптический реверсивный счетчик. 2007. G02F3/02.
9. Сперанский B.C., Клипцое О.И. Современные технологии телекоммуникаций в оптоволоконных сетях И Вестник связи 2012, — №4.
10. Сперанский В С. Ютнцов О.И. OFDM я оптоволоконных сетях И Всстник связи 20)3. -№10,
11. Белая П.А. и др. Оптические процессоры, достижения и новые идеи, (мегаматсриалы) в электронном виде.
12. Карпушен ко Ф.В. Оптические компьютеры. Физическая энциклопедия.
Optical Logic Signal Processing Devices Speransky V.S., MTUCI, speranskyv@yandex.ru; Klintsov O.I., "ORION"
Abstract
The object of the work is lo assess optical logics and their signal processing application. Since analog devices for optical signal processing are not high-accuracy, there is a need to develop optical logics. As a rule they are based on the nonlinearity and interference of the following optical devices: Mach-Zehnder interferometer, Fabry-Perot interferometer, two-photon logic on two-dimensional (2D) photon chip, digital holography, carbon nanotube (CNT) devces. Such typical logical functions as: AND, OR, NOT etc., triggers (flipflops) and registers are implemented by using these devces. ROM, RAM, coders, decoders, code sequence formers based on fiber Bragg gratings and holography, spectrum analyzers as optical fast Fourier transform, and holographic spectrum analyzers are put into practice. These devces applications are very promising for signal processing and optical computers due to their ultra high speed capability, small sizes, low power consumption.
Keywords: optical signal processing, elements of Boolean algebra, triggers, optical switch, Mach-Zehnder interferometer, a Fabry-Perot interferometer, the Bragg grating.
References
1. Optical Calculations. Edited by Arratun. Moscow, 1993.
2. Chubarov S.I. Optical Data Processing. Minsk, 2009.
3. Stetsyura G.G. Mach-Zehnder Interferometer for Ultrafast Computing / Radio Electronics. 2013, No1.
4. Agrawal G.P. All-Optical Signal Processing and Optical Regeneration Institute of Optics University of Rochester. NY 14267, 2007, pp. 36.
5. Wang J, Willner A.E. Optical Signal Processing: Data Exchange (dx.doi.org).
6. Zhang T, Zhang C, Fu Q, Li Y, Gu L, Zwang G. All Optical Gates Using Bacterecorhochpsin Films. Syracuse Univ., 1999.
7. Spectrum-Phase Nanooptical Coder/ Informatics and Its Applications, No4, 2012. Pp. 76-83.
8. Sokolov S.V., Kamensky VV Patent for Invention №2313117 Optical Reverse Counter. 2007. G02F3/02.
9. Speransky VS., Kiintsov O.I. Advanced Telecommunication Technologies in Optical Fiber Networks / Vestnik Svyazi, No4, 2012, Vestnik Svyazi, No10, 2013.
10. Speransky V.S., Kiintsov O.I. OFDM in Optical Networks / Vestnik Svyazi, No10, 2013.
11. Bebv PA. et al. Optical Computers: Achievements and New Notions (electronic version).
12. Karpushenko FV. Optical computers. Physical Encyclopedia.
82 T-Comm #9-2014
Л
