Оптоэлектронный сумматор

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пилипович Владимир Антонович Есман Александр Константинович Поседько Валерий Сергеевич Гончаренко Игорь Андреевич Кулешов Владимир Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Оптоэлектронный сумматор, содержащий оптически и электрически связанные первый светоизлучатель и первый фотоприемник, оптически и электрически связанные второй светоизлучатель и второй фотоприемник, причем анод первого светоизлучателя соединен с первым входом первого фотоприемника, анод второго светоизлучателя соединен с первым входом второго фотоприемника, отличающийся тем, что содержит третий светоизлучатель, элемент И, диод развязки, третий и четвертый фотоприемники, первые входы третьего и четвертого фотоприемников подключены к анодам первого и второго светоизлучателей соответственно, вторые входы третьего и четвертого фотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам элемента И, выход которого соединен с анодом диода развязки, катоды первого и второго светоизлучателей подключены к аноду третьего светоизлучателя, катод которого является первым электрическим входом сумматора, второй вход первого фотоприемника соединен со вторым входом второго фотоприемника и с вторым электрическим входом сумматора, при этом спектральные характеристики первого, четвертого фотоприемников и первого светоизлучателя совпадают, второго, третьего фотоприемников и второго светоизлучателя также совпадают, а спектральные характеристики электрически связанных фотоприемников различны, анод первого светоизлучателя является входом переноса, катод диода развязки - выходом переноса, оптические входы всех фотоприемников являются оптическим входом сумматора,оптический выход третьего светоизлучателя является оптическим выходом сумматора. 6137 1 2. Сумматор по п. 1, отличающийся тем, что третий светоизлучатель выполнен в виде полупроводникового лазера, закрепленного с возможностью вертикального излучения,причем выходное излучение лазера распространяется в плоскости расположения входных оптических сигналов и совпадает с ними по направлению. 3. Сумматор по п. 2, отличающийся тем, что спектральная характеристика третьего светоизлучателя совпадает со спектральной характеристикой первого или второго фотоприемников.(56)4588896 , 1986.2020549 1, 1994.4042814 , 1977.03027410 , 1991. Изобретение относится к элементной базе вычислительной техники и может быть использовано при разработке оптоэлектронных узлов параллельной обработки цифровых данных. Известно оптоэлектронное устройство для вычитания чисел 1, содержащее первый и второй оптоэлектронные регистры, каждая ячейка первого и второго оптоэлектронных регистров содержит два оптоэлектронных квантующих модуля и два модулятора, соединенные между собой, также устройство для вычитания чисел содержит два элемента ИЛИНЕ, регенеративный оптрон, четыре элемента И и два элемента НЕ, соединенные между собой и с первым и вторым оптоэлектронными регистрами. Данное устройство обладает низким быстродействием и чрезмерной сложностью. Указанные свойства описанного устройства вызваны последовательным алгоритмом работы устройства в канонической системе счисления, когда результат получается в результате последовательного наращивания информации в оптоэлектронных регистрах до полного обнуления одного из них. Наиболее близкой по технической сущности является бистабильная схема 2, содержащая оптически связанные между собой две пары светодиодов (СД) и фотоприемников,при этом между фотоприемниками из первой пары и СД из второй пары имеется электрическая коммутация с помощью первого инвертируемого усилителя, причем катоды СД и фотоприемников первой и второй парах соединены между собой, а входы бистабильной схемы - оптические, цепь питания подключена к первому и второму инвертирующим усилителям. Описанная схема обладает ограниченными функциональными возможностями, заключающимися в невозможности выполнения арифметических операций над входными оптическими сигналами. Техническая задача - расширение функциональных возможностей. Поставленная техническая задача в заявляемом устройстве решается тем, что в устройство, содержащее оптически и электрически связанные первый светоизлучатель (СИ) и первый фотоприемник, оптически и электрически связанные второй СИ и второй фотоприемник, причем анод первого СИ соединен с первым входом первого фотоприемника,анод второго СИ соединен с первым входом второго фотоприемника, введены третий СИ,элемент И, диод развязки, третий и четвертый фотоприемники, первые входы третьего и четвертого фотоприемников подключены к анодам первого и второго СИ соответственно,вторые входы третьего и четвертого фотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам элемента И, выход которого соединен с анодом диода развязки,катоды первого и второго СИ подключены к аноду третьего СИ, катод которого является первым электрическим входом сумматора, второй вход первого фотоприемника соединен 2 6137 1 со вторым входом второго фотоприемника и с вторым электрическим входом сумматора,при этом спектральные характеристики первого, четвертого фотоприемников и первого СИ совпадают, второго, третьего фотоприемников и второго СИ также совпадают, а спектральные характеристики электрически связанных фотоприемников различны, анод первого СИ является входом переноса, катод диода развязки - выходом переноса, оптические входы всех фотоприемников являются оптическим входом сумматора, оптический выход третьего СИ является оптическим выходом сумматора. Эффективное решение поставленной задачи достигается за счет того, что третий СИ выполнен в виде полупроводникового лазера закрепленного с возможностью вертикального излучения, причем выходное излучение лазера распространяется в плоскости расположения входных оптических сигналов и совпадает с ними по направлению. Также эффективное решение поставленной задачи достигается за счет того, что спектральная характеристика третьего СИ совпадает со спектральной характеристикой первого или второго фотоприемников. Расширение функциональных возможностей в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что совокупность признаков позволяет в устройстве кроме функций хранения поступивших разрядовиполучать двоичные значения их суммыи переноса 1 в следующий разряд. Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 на нем приведена функциональная схема заявляемого устройства, где 1 - первый фотоприемник, 2 - второй фотоприемник, 3 - третий фотоприемник, 4 - первый светоизлучатель (СИ), 5 - второй СИ, 6 четвертый фотоприемник, 7 - третий СИ, 8 - элемент И, 9 - диод развязки. На фиг. 2 приведена таблица истинности оптоэлектронного сумматора. В заявляемом устройстве первые входы первого 1 и второго 2 фотоприемников соединены между собой и являются первым электрическим входом устройства, второй вход первого фотоприемника 1, являющийся входом переноса устройства соединен с первым входом третьего фотоприемника 3 и анодом первого СИ 4, второй вход второго фотоприемника 2 соединен с анодом второго СИ 5 и с первым входом четвертого фотоприемника 6, катодом первого 4 и второго СИ 5 соединен с анодом третьего СИ 7, катод которого является вторым электрическим входом устройства, а его оптический выход является оптическим выходом устройства, вторые входы третьего 3 и четвертого 6 фотоприемников соединены соответственно с первым и вторым выходами элемента И 8, выход которого соединен с анодом диода развязки 9, катод которого является выходом переноса устройства, оптические входы первого - четвертого фотоприемников 1, 2, 3, 6 являются оптическим входом устройства, первый - 1 и второй 2 фотоприемники оптически соединены соответственно с первым 4 и вторым 5 СИ. В конкретном исполнении фотоприемники 1, 2, 3, 6 - это миниатюрные тонкопленочные фоторезисторы на основе полупроводниковых соединений сульфида, селенида кадмия с максимумом спектральной чувствительности на 1660 нм, а также на основе сульфида кадмия с максимумом спектральной чувствительности на 2565 нм. В качестве СИ 4, 7 используются миниатюрные светодиоды фирмына основе(тип КМ 2520 01001), излучающие на длине волны 1, а в качестве СИ 5 - светодиоды на основе(тип КМ 2520 001), излучающие на длине волны 2. Во втором варианте использования (п. 2 формулы) в качестве СИ 7 используется полупроводниковый лазер, излучающий вертикально относительно плоскости крепления корпуса, например ЛПИ 102. Элемент И 8 - это стандартный ТТЛ - логический элемент типа ЛБ 555 ЛАЗ с согласующим усилительным каскадом на выходе. Диод развязки 5 - это стандартный полупроводниковый диод с малой емкостью перехода, например КД 512 А. Работает оптоэлектронный сумматор следующим образом. На первый и второй электрические входы устройства подается напряжение питания п. Величина п выбирается такой, чтобы при отсутствии оптического сигнала на оптическом входе устройства первый и второй светоизлучатели находились в выключенном состоянии, т.е. не излучали 3 6137 1 света. Значения разрядов двоичных слагаемыхипоступают в цифровом виде и в оптической форме на оптический вход сумматора. Слагаемому Х 1 соответствует наличие оптического сигнала с длиной волны 1 на оптическом входе устройства. Слагаемому 1 соответствует наличие оптического сигнала с длиной волны 21 на оптическом входе устройства. Отсутствие оптических сигналов 1 и 2 на оптическом входе означает 0,0. Для сложения чисел в двоичной знакоразрядной системе счисления с прореживающим кодированием сумматор должен функционировать в соответствии с таблицей истинности, представленной на фиг. 2 3. Когда на оптическом входе устройства Х 0,0, на оптическом выходе и электрическом выходах отсутствуют сигналы(строка 1 таблицы истинности, фиг. 2). При появлении оптического сигнала 1 на входе первого фотоприемника 1 его проводимость увеличивается, через цепь последовательно включенных первый фотоприемник 1, первый СИ 4, третий СИ 7 начинает протекать ток, который усиливается благодаря положительной обратной связи, так как излучение с выхода первого СИ 4 поступает на оптический вход первого фотоприемника 1, ток через третий СИ 7 достигает номинального значения и оптический сигнал с его выходаувеличивается до значения логической единицы. Оптический сигналтакже поступает на вход четвертого фотоприемника 6, однако изменение сопротивления последнего не приведет к существенному изменению тока через него, так как второй фотоприемник 2 имеет большое сопротивление, а второй СИ 5 включен в обратном направлении. Порядок работы устройства, отображенный в строке 2 таблицы истинности, фиг. 2, описанный выше, аналогичен функционированию в соответствии со строкой 3, когда приходит один оптический сигнал , который увеличивает проводимость второго фотоприемнпка 2 и третьего фотоприемника 3, однако ток существенно изменяется лишь в цепи второй фотоприемник 2, второй СИ 5, третий СИ 7 и благодаря положительной обратной связи, когда излучение второго СИ 5 приходит на вход второго фотоприемника 2, после чего излучение с выхода третьего СИ 7 достигает значения логической единицы 1. При одновременном поступлении оптических сигналовиу всех фотоприемников 1, 2, 3, 6 увеличивается проводимость и основная часть токов, протекающих через фотоприемники 1 и 2, ответвляется через фотоприемники 3 и 6 на входы элемента И 8, который в данном случае срабатывает и его выходной сигнал через диод развязки 9 поступает на выход переноса 1. В этом режиме работы (строка 4 таблицы истинности, фиг. 2) токи, протекающие через первый СИ 4 и второй СИ 5 недостаточны для возникновения глубокой обратной связи в оптронных парах первый фотоприемник 1 - первый СИ 4, второй фотоприемник 2 - второй СИ 5, поэтому ток, протекающий через третий СИ 7, будет существенно меньше номинального и сигнал на оптическом выходе третьего СИ 7 (0) отсутствует. В последнем режиме работы (строка 5 таблицы истинности, фиг. 2) входные оптические сигналы ,отсутствуют, а пришедший электрический сигнал переноса Р изменяет потенциал на аноде первого СИ 4 и протекающий через него ток вызывает возникновение положительной обратной связи в оптронной паре первый СИ 4 - первый фотоприемник 1, проводимость последнего увеличивается, ток через третий СИ 7 увеличивается и достигает номинального значения и сигнал с оптического выхода третьего СИ 7 достигает значения логической 1. Для выключения состояния 1 в режимах 2, 3,5 обнуляется питающее напряжение п на электрических входах устройства на время рассасывания носителей в фотоприемниках 1 и (или) 2. Описанное устройство позволяет выполнить дополнительную функцию - производить сложение одновременно пришедших значений -го разряда двух операндовинезависимо от их логических значений. Значение переноса из предыдущего разрядаобрабатывается в предлагаемом оптоэлектронном сумматоре отдельно от разрядов слагаемых, фактически - при их отсутствии. Такой неполной таблицы истинности достаточно для параллельного сложения цифровых чисел в двоичной знакоразрядной системе счисления при выполнении алгоритмов кодирования, прореживающих распределение значащих 4 6137 1 цифр. Функции записи отдельных двоичных единиц в оптронные пары первый фотоприемник 1 - первый СИ 4 или во второй фотоприемник 2 - второй СИ 5 остались, они иллюстрируются строками 2, 3 таблицы истинности, фиг. 2. Источники информации 1.1136157, 1985. 2.4588896 , 1986. 3. Пилипович В.А. и др. Алгоритмические и схемотехнические особенности кодирования при параллельных вычислениях в знакоразрядной системе счисления // Весц НАНБ. Серия физ.-мат. навук. - 1998. -2. - С. 102. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.