DE1297907B - Optisches Rechenwerk - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein optisches Rechenwerk zur Addition binärer Zahlen, bei dem die Binärwerte mit optischer Frequenz als Laserstrahlen eingegeben werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, mittels solcher Strahlen Rechnungen nach binärem Code durchzuführen, wobei sich die im binären Code üblichen Summen- und Übertragungsbedingungen bei Anwesenheit bzw. Abwesenheit der Strahlen ergeben.
• Nur in der Amplitude moduliertes Licht, z. B. im Sinne einer Aus-Ein-Schaltung eines Lichtstrahls, als Binär-Code zu verwenden und damit entsprechende Rechenoperationen, z. B. eine Addition, durchzuführen, bereitet Schwierigkeiten, da die Aufnehmer amplitudenselektiv sein müssen, um z. B. bei einem Übertrag die doppelte Lichtmenge von der einfachen genau unterscheiden zu können. Eine verhältnismäßig kleine Amplitudenänderung der Strahlung würde bereits zu unbrauchbaren Ergebnissen führen. Die Erfindung schlägt daher einen anderen Weg vor und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein zwei als Bits dienende Strahlen unterschiedlicher Richtung aufnehmendes Element aus einem linear und einem nichtlinear transparenten Material vorgesehen ist, deren Brechungsindices derart gewählt sind, daß der eine Strahl an der Grenzschicht bei Abwesenheit des anderen Strahls total reflektiert und beim Auftreffen beider Strahlen an der Schicht durchgelassen wird, und aus dem reflektierten bzw. durchgelassenen Strahl ein Summenergebnis gewonnen ist und beim Auftreffen beider Strahlen der nicht mehr total reflektierte Strahl ein Übertragssignal darstellt.
• Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Der Rechenvorgang erfolgt in einem einzigen simultanen Prozeß auf optischem Wege, d. h., es brauchen nur die den einzelnen Summanden bzw. Bits zugeordneten Lichtstrahlenaufteilungen eingestellt zu werden. Die Geschwindigkeit des neuen Rechenwerks ist dann im wesentlichen durch die Lichtgeschwindigkeit gegeben und liegt damit in der Größenordnung 10-9 sec.
• Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
• F i g. 1 erläutert das Grundprinzip der benutzten Logikschaltung. Darin bedeutet Ml ein lineares, optisch transparentes Material, Brechungsindex n1, M2 ein nichtlineares, optisch transparentes Material, Brechungsindex n2.
• Die Brechungsindices n1 und n2 der Materialien Ml und M2 können so gewählt werden, daß der Lichtstrahl L1 an der Grenze Ml - M2 normalerweise Totalreflexion erleidet. Bei Einstrahlung von L2 an der in der F i g. 1 bezeichneten Stelle S kann jedoch der Brechungsindex n2 so groß werden, daß n2 = n1 ist. In diesem Falle tritt L1 in das Medium M2 ein und verläßt dieses in Richtung L,". Diese Erscheinung tritt insbesondere bei Verwendung von Laserlicht auf (vgl. den Aufsatz von C h i a o , C a r m i r e und T o w n e s in »Physical Review Letters« vom 12.10.64).
• Gemäß der Erfindung können nun optische Leiter in der Anordnung nach F i g. 2 verknüpft werden: Am Punkt S befinde sich wieder das Material M2, ansonsten seien die Leiter Il . . . L2 mit Material Ml gefüllt. Die Ummantelung ist nicht eingezeichnet. Bei Fehlen des Lichtstrahls L2 aus Richtung 1 verläßt L1 aus Richtung 2 das Netzwerk als L1' in Richtung 3, bei vorhandenem Lichtstrahl L2 aus Richtung 1 verläßt L1 das System jedoch als Ll" in Richtung 4, L2 geht als LZ in Richtung 5 weiter.
• Neben dieses Anordnung nach F i g. 2 ist noch die Anordnung nach F i g. 3 möglich.
• Der wesentliche Unterschied zu der Anordnung nach F i g. 2 besteht darin, daß L1" in Richtung 4 (bei Vorhandensein von L2) in dem Leiter absorbiert oder anderweitig vernichtet wird. Ansonsten bleibt die Betriebsweise dieselbe. Zur besseren Addition wird noch eine Verknüpfung zweier Lichtstrahlen nach F i g. 4 benötigt.
• In dieser Verknüpfungsanordnung werden lediglich zwei Strahlen, nach Ausführungsbeispiel von F i g. 2 und 3, L1' und L2" - aus LZ abgeleitet - zusammengeführt und verlassen die Verknüpfungsanordnung in jedem Falle in Richtung R. Die Verknüpfungsanordnungen werden nun ihrerseits gemäß F i g. 5 verbunden.
• Das Netzwerk nach F i g. 5 hat folgende Logik:

  L1

  L2

  L1'

  I 0 0 0 0 0

  il 1 0 1 0 0

  III 0 1 0 1 0

  IV 1 1 0 0 1

  Summe Übertrag

  Da L2 (F i g. 2) bzw. L2' und L1' (F i g. 3) zusammengeführt sind, tritt am Summenausgang L2" bzw. L1' in den Positionen 1I und III das Signal 1, in den Positionen I und IV das Signal 0 auf, wobei in Position IV über 4" der Übertrag zur Verfügung steht. Die Anordnung nach F i g. 5 wurde deshalb gewählt, weil der Strahl L2, der die Totalreflexion steuert, nicht zum Erlöschen gebracht werden kann, wenn die Totalreflexion aufgehoben ist.
• Die Strahlen L1 und L2 nach F i g. 6 bedeuten zwei binäre Zahlen: L1 = 10011 und L2 = 01101, wobei die Anwesenheit eines Strahles den Wert »1« und die Abwesenheit den Wert »0« bedeutet. Die Addition geht wie folgt vor sich: Bei ausreichender Anzahl von Elementen nach F i g. 5 wird das Ergebnis die Reihe R der Elemente nach F i g. 6 nach unten in Form von Lichtstrahlen verlassen, im vorliegenden Fall R1 an »a« als 1 und die übrigen Elemente an »a« als 0, so daß 100000 mit Übertrag R entsteht und demgemäß ein Element R mehr benötigt wird. Die Multiplikation liegt als Erweiterung nahe, indem man eine genügende Anzahl Einheiten R hintereinanderschaltet und bei jeder neuen Einheit den Multiplikanden entsprechend dem nächsten Digitalwert des Multiplikators als L1 einspeist.
• Die Einspeisung der Strahlen 4 und L2 kann z. B. über als Lichtleitungsfasern dienende optische Fibern aus photochromem Glas erfolgen, die für den Wert »0« durch einen Außenimpuls an den Stellen P1 . . . bzw. Chl ... in den absorbierenden Zustand übergeführt werden, wie F i g. 7 zeigt: ein Impuls L1 oder L2 kann sich dann nicht in die folgende Einheit R fortpflanzen. Alle Fibern für die Impulse L1 bzw. L2 lassen sich dann vol den photochromen Abschnitten zu einem Bündel B1 bzw. B2 zusammenfassen und können dann integral durch einen Lichtimpuls »beschickt« werden. Entsprechend kann auch das Ergebnis am Ausgang der Elemente R in photochromen Glas gespeichert werden. Die Ansteuerung des photochromen Glases kann z. B. durch einen an sich bekannten digitalen Lichtstrahlablenker erfolgen, da das photochrome Glas etwa im Sinne einer bistabilen Kippstufe entweder in den Absorptionszustand oder in den Durchlaßzustand überführbar ist.
• Bei Impulslängen von 2 ns würde mit einem Energieverbrauch von 10-4 Ws zu rechnen sein.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Optisches Rechenwerk zur Addition binärer Zahlen, bei dem die Binärwerte mit optischer Frequenz als Laserstrahlen eingegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwei als Bits dienende Strahlen unterschiedlicher Richtung aufnehmendes Element aus einem linear (Ml) und einem nichtlinear (M2) transparenten Materials vorgesehen ist, deren Brechungsindices derart gewählt sind, daß der eine Strahl (L1) an der Grenzschicht bei Abwesenheit des anderen Strahls (L2) total reflektiert (Li') und beim Auftreffen beider Strahlen an der Schicht durchgelassen wird (L1") und aus dem reflektierten (Lr') bzw. durchgelassenen Strahl (L2') ein Summenergebnis gewonnen ist, und beim Auftreffen beider Strahlen (L,, L2) der nicht mehr total reflektierte Strahl ein Übertragssignal (L1") darstellt.
2. 2. Optisches Rechenwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an sich total reflektierbare Strahl (L1) nach dem Durchgang durch die Grenzschicht (Ml, M2) mittels photochromem Glas absorbiert ist.
3. 3. Optisches Rechenwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein den total reflektierbaren Strahl nicht absorbierendes Element mit einem diesen Strahl absorbierenden Element kombiniert ist und die total reflektierten Strahlen beider Elemente zusammengeführt sind.
4. 4. Optisches Rechenwerk nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsleiter optische Fibern verwendet sind.
5. 5. Optisches Rechenwerk nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fibern mindestens zu einem Teil aus photochromem Glas bestehen, das durch einen äußeren Lichtimpuls in den Absorptionszustand übergeführt ist.
6. 6. Optisches Rechenwerk nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergebniswerte in photochromem Glas gespeichert sind.
7. 7. Optisches Rechenwerk nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des photochromem Glases ein digitaler Lichtablenker verwendet ist. B. Optisches Rechenwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fibern wenigstens teilweise aus einem optisch oder thermisch löschbaren Phosphor, wie z. B. mit Eu und Sm dotiertem SrS, bestehen.