СПОСОБ КОММУТАЦИИ N×N ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ И МНОГОКАНАЛЬНЫЙ КОММУТАТОР
METHOD OF SWITCHING N×N OPTICAL CHANNELS AND MULTICHANNEL SWITCH

Область техники
Изобретение относится к области обработки информации и связи и может быть использовано для передачи, приема и перераспределения информационных сигналов в коммутирующих устройствах многоабонентных телекоммуникационных и волоконно-оптических систем связи и систем интегральной оптики, обработки информации и вычисления данных, в том числе в суперкомпьютерах.
Предшествующий уровень техники
Известен акустооптический (АО) волоконный переключатель 1×N световых каналов, основанный на эффекте брэгговской АО дифракции [1]. Свет из входного волоконного световода поступает на коллимирующую систему переключателя и далее на АО кристалл. Управляющий радиосигнал на частоте f подается на пьезопреобразователь, возбуждающий в кристалле ультразвуковую волну с той же частотой. Дифрагируя на этой волне, свет отклоняется на угол α=fλ/υ, пропорциональный частоте радиосигнала (здесь λ - длина волны света и υ - скорость звука в кристалле). Отклоненный луч фокусируется линзой в волокна выходных световолокон. Для организации N×N коммутатора пришлось бы либо разместить на одном кристалле N пьезопреобразователей, что привело бы к недопустимо большим перекрестным шумам и снижению контраста коммутируемых сигналов, либо иметь N кристаллов (со своими пьезопреобразователями), что привело бы к существенному усложнению и удорожанию коммутатора.
Известен оптический переключатель 1×2, включающий оптический волновод, образованный из двух светопропускающих материалов, расположенных друг за другом и имеющих общую границу, причем коэффициент преломления одного из материалов может быть изменен внешним воздействием, например приложением электрического напряжения в случае электрооптического материала [2]. Свет падает на границу раздела двух материалов под таким углом, что, меняя коэффициент преломления первого материала, можно добиться, чтобы свет либо проходил сквозь границу, либо отражался от нее вследствие известного эффекта полного внутреннего отражения (ПВО) [Г.С.Ландсберг. Оптика, М.: Наука, 928 с. (1976)]. Для создания 1×N коммутатора нужно использовать некоторую последовательность таких материалов - электрооптических кристаллов, чтобы, электрически управляя величиной коэффициента преломления, направлять световой поток вдоль определенных направлений на пути к заданному адресу (выходу).
Известно устройство фильтрации света и управления направлением потока с 1×N каналами [3], основанное на применении эффекта полного внутреннего отражения (ПВО) и поперечного электрооптического эффекта в оптическом кристалле. Устройство включает ряд независимых электродов, расположенных над электрооптическими кристаллами для того, чтобы разделить слой электрооптического материала на набор так называемых пикселов. К устройству подключается управляющая электрическая цепь для того, чтобы изменять напряжение на электродах и тем самым управлять направлением распространения светового потока. Такое устройство может быть использовано как оптический сканер для сдвига позиции падающего пучка от одного пиксела к другому. Устройство может быть также использовано как многоканальный цветовой фильтр, если в каждом выходном пикселе встроить фильтр, пропускающий свет определенной, связанной именно с этим пикселом длины волны и отражающий свет других длин волн.
Создание N×N коммутатора только на основе подхода [2, 3] потребовало бы огромного числа отдельных переключателей и многократного пересечения оптических каналов, что сделало бы коммутатор слишком сложным и дорогим.
3
Наиболее близким к предлагаемому устройству является волоконно-оптический коммутатор K×M оптических каналов со сравнительно малым затуханием в каналах и малым уровнем перекрестных помех [4]. Устройство содержит пластину из электрооптического кристалла ниобата лития (LiNbO), в которой выполнены волноводные каналы с управляющими электродами. Каждая пластина разделена на M ячеек, в каждой ячейке выполнено по K волноводных каналов, т.е. всего выполнено K×M каналов. От каждого из K входов идет M оптических кабелей, по одному на каждую ячейку. К каждому из M выходов, наоборот, от соответствующей ячейки подведены все K оптических кабелей: от первой ячейки к первому выходу, от второй ячейки - ко второму и т.д. Подавая управляющее напряжение на электроды, управляющие включением электрооптического эффекта в соответствующем волноводном канале из ниобата лития, благодаря эффекту ПВО обеспечивается заданное соединение любого оптического входа с любым оптическим выходом. Например, если на к-тый по порядку вход подается сигнал с адресом m, то включается (на него подается напряжение, и он становится прозрачным) к-тый волноводный канал (в соответствии с порядковым номером входа) в m-ной ячейке (в соответствии с порядковым номером выхода). Таким образом, одновременно включив по 1 определенному волноводному каналу в каждой ячейке, можно параллельно скоммутировать все входящие сигналы.
Недостатком данного способа соединения каналов в коммутаторе является большое число пересечений волоконно-оптических кабелей (как и электрических проводов для подключения управляющих электродов), вытекающее из последовательного соединения первого из K входов со всеми М выходами, затем второго входа со всеми M выходами, затем третьего, четвертого и т.д., вплоть до соединения K-того входа со всеми М выходами.
Таким образом, многоканальный волоконно-оптический коммутатор по патенту [4] обеспечивает коммутацию K входных каналов на М выходных со сравнительно малым затуханием в каналах и малым уровнем перекрестных помех. Однако устройство содержит большое количество пересекающихся волоконно-оптических и электрических кабелей, затрудняющее его конструкторское и технологическое воплощение.
Задачей, решаемой в предлагаемом способе коммутации N×N оптических каналов и устройстве для его осуществления, является выполнение соединений входных и выходных оптических каналов без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей и с максимальной параллельностью.
Сущность изобретения
Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в известном устройстве коммутации N×N оптических каналов, основанном на использовании управляемого электрическим полем эффекта ПВО для осуществления заданного соединения любого оптического входа с заданным оптическим выходом, новым является то, что (см. рис.1) с целью выполнения соединений входных и выходных каналов без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей и с максимальной параллельностью:
2
- организуют поразрядное последовательно-параллельное соединение N входных оптических каналов с N выходными оптическими каналами, причем все соединения каналов выполняют последовательно (поочередно) для каждого разряда из n=lgN разрядов, начиная со старшего, за n этапов (шагов), и в то же время параллельно в пределах каждого разряда адресов;
- на каждом этапе (в каждом каскаде) выполняют операцию удвоения каналов, а именно на первом этапе разделяют каналы с 0 и 1 в старшем разряде адресов, на втором этапе разделяют каналы с 0 и 1 в следующем разряде адресов и т.д., так что на последнем этапе разделяют каналы с 0 и 1 в младшем разряде адресов;
- на каждом этапе после операции удвоения каналов выполняют операцию сборки (уплотнения) каналов путем расположения по соседству только тех каналов, которые потребуются для прохождения коммутируемых оптических потоков;
- на каждом этапе электрически регистрируют в каналах наличие или отсутствие оптического сигнала, причем сигналы регистрации (сигналы обратной связи) используют для управления подачей электрического напряжения на соответствующие контакты с целью изменения условий полного внутреннего отражения в волноводном канале.
Из схемы на рис.1 видно, что все соединения каналов по заявляемому способу выполняются параллельно в пределах каждого разряда адресов и в то же время последовательно (поочередно) для каждого разряда, начиная со старшего. Таким образом, сущность предлагаемого способа заключается в таком соединении каналов, которое обеспечивает условия для выполнения соединений входных и выходных каналов с максимальной параллельностью, предусматривающей отсутствие пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей.
2
Для реализации способа предложен оптоэлектронный коммутатор, содержащий волноводные каналы с управляющими электродами, выполненные на основе электрооптического кристалла ниобата лития и благодаря эффекту ПВО обеспечивающие заданное соединение любого оптического входа с любым оптическим выходом, в котором новым является то, что с целью выполнения соединений входных и выходных каналов без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей и с максимальной параллельностью предлагаемая схема коммутации является каскадной и разветвленной, с последовательно-параллельным соединением N входных оптических каналов с N выходными оптическими каналами в n каскадах, где n=lgN - число разрядов в адресе. При этом:
- адреса для соединения N входных оптических каналов с N выходными оптическими каналами задают с помощью линеек оптических модуляторов, причем число линеек на каждом этапе составляет 2, а число модуляторов в линейке равно N;
- для реализации удвоения используются специальные полупрозрачные зеркала или кубы, составленные из двух призм;
- для перевода сигналов из волновода в волновод при сборке (уплотнении) каналов используют электрооптические призмы полного внутреннего отражения;
- для регистрации в каналах наличия или отсутствия оптического сигнала используют линейки фотодатчиков, причем число линеек на каждом этапе равно числу линеек модуляторов, т.е. 2, а число фотодатчиков в линейке равно числу модуляторов в линейке, т.е. N;
- соединение оптических каналов выполняется на малом уровне оптического сигнала, достаточном для его регистрации фотодетекторами в системе обратной связи, для чего используется отдельный источник света или малая часть оптического информационного потока, а основной информационный световой поток подается в коммутатор после завершения процесса соединения каналов, т.е. после установки всех призм ПВО в соответствующее пропускающее или отклоняющее свет состояние.
Технический результат, достигаемый в заявляемом изобретении, заключается в том, что конструкция оптоэлектронного устройства коммутации N×N оптических каналов, основанная на каскадной, разветвленной и максимально параллельной схеме соединения и использующая обратную электрическую связь в цепи управления переключением ячеек ПВО, организуемой с помощью фотодатчиков, обеспечивает заданное соединение любых входных и выходных каналов без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей.
Главными достоинствами заявляемого способа и устройства коммутации N×N оптических каналов по сравнению с прототипом в итоге являются: заданное соединение любых входных и выходных каналов без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей; выполнение соединений на всех этапах в автоматическом режиме при одноразовой установке сразу на всех линейках оптических модуляторов разрядных адресов, задающих их пропускание; возможность блочной конструкции коммутатора с одинаковыми на данном этапе (для данного разряда адресов) блоками. При этом из уровня техники не очевидно, что перечисленные достоинства могли быть достигнуты благодаря использованию ячеек с ПВО для соединения каналов. Следует также заметить, что предлагаемый способ является достаточно универсальным и может быть использован для коммутации не только оптических, но и электрических сигналов.
Таким образом, использование предлагаемого способа и устройства позволяет на основе известного коммутатора, использующего для соединения каналов ячейки с ПВО, получить заданное соединение любых входных и выходных каналов без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей и с др. вышеуказанными достоинствами.
Для улучшения характеристик заявляемого оптоэлектронного коммутатора (без изменения его архитектуры) в последующем можно в отдельности или в совокупности использовать различные варианты волноводных, интегрально-оптических или призменных ячеек ПВО. В качестве оптических расщепителей можно использовать полупрозрачные зеркала, двухпризменные оптические кубы, голографические оптические элементы и пр. элементы того же назначения. В линейках быстродействующих и компактных оптических модуляторов можно использовать модуляторы не только на основе ниобата лития, но и других электрооптических материалов, в том числе интегрально-оптические, микрозеркальные, полупроводниковые (например, на основе эффекта Франца-Келдыша) и др. модуляторы того же назначения. В линейках фотодатчиков можно использовать встроенные в оптический волновод быстродействующие и компактные фотодиоды с усилителями электрических сигналов в интегральном исполнении. В многоразрядных коммутаторах можно предусмотреть усиление оптических потоков (с сохранением их информационных характеристик) с помощью компактных полупроводниковых лазеров и согласующих элементов.
Структура коммутатора по предлагаемому способу может быть использована не только с ячейками ПВО, но и с другими материалами и функциональными элементами, осуществляющими соединение информационных оптических каналов, как то: фотонными кристаллами [5], волокнами и волноводами с распределенно-связанными волнами [6], микрорезонаторами [7] и др.
Литературные источники
1. Антонов С.Н. Акустооптические устройства управления неполяризованным светом и модуляторы поляризации на основе кристалла парателлурита // ЖТФ, т.74, №10, 84-89 (2004).
2. Skinner J.D., McCormack J.S. Optical switch // US Patent №4828362 (1989).
3. Wang Yu. Efficient color filtering and beam steering based on controlled total internal reflection // US Patent №6278540 (2001).
4. Геокчаев Ф.Г. Многоканальный волоконно-оптический коммутатор // Патент РФ №2107318 (1998).
5. Нелин Е.А. Устройства на основе фотонных кристаллов. Функциональная микроэлектроника, №3, 18-25 (2004).
6. Майер А.А. Способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн и устройство для его осуществления. Патент РФ №2129721 (1999).
7. Schmidt B., Xu O., Shakya J., Manipatruni S., Lipson M. Compact electro-optic modulator on silicon - on insulator substrates using cavities with ultra-small modal volumes. Optics Express, v.15, No. 6, 3140-3148 (March 19, 2007).
Промышленная применимость
Предлагаемый оптоэлектронный коммутатор на основе ячеек с ПВО является технологичным и эффективным устройством коммутации N×N оптических каналов. Это делает возможным его применение во многих современных и перспективных системах передачи, приема и перераспределения информационных сигналов, в телекоммуникационных системах, в многоабонентных устройствах и системах обработки информации и вычисления данных, в том числе в суперкомпьютерах, в волоконно-оптических и интегрально-оптических системах связи.
Вариант осуществления изобретения
По предлагаемому способу и устройству была промоделирована работа оптоэлектронного коммутатора с соединением 8×8 оптических каналов.
На рис.1 показана схема работы такого коммутатора. На первом этапе выполнялись операция удвоения каналов с разделением по 0 и 1 в старшем разряде адресов и операция уплотнения каналов в обоих плечах, т.е. сборки открываемых (сигнальных) каналов и удаления закрытых каналов (в них сигнал отсутствует). В результате в обоих плечах оставалось по 4 сигнальных канала. На следующих этапах осуществлялось выполнение тех же операций для последующих разрядов адресов, в результате чего на втором этапе образовывались 4 плеча по 2 сигнальных канала, а на третьем этапе - 8 плеч по 1 сигнальному каналу, приводящему световой сигнал к выбранному адресу.
n
Понятно, что при наличии N=2 каналов за n этапов могут быть скоммутированы по заданным N адресам все N каналов. Соответственно для распространенных 64-разрядного и 128-разрядного коммутатора число этапов составляет 6 и 7.
В используемой модели соединение каналов осуществлялось при минимальном (настроечном) пропускании, регистрируемом фотодетекторами. Удвоение числа каналов выполнялось с помощью оптического расщепителя, а разделение их по 0 и 1 - с помощью инверсного оптического фильтра. В качестве оптических расщепителей использовались оптические кубы, составленные из двух призм (рис.2). Пары линеек модуляторов, одна из которых всегда являлась инвертором, т.е задавала не единичные, а нулевые разряды адресов, были выполнены на основе электрооптических кристаллов. Включая те или иные модуляторы, можно было избирательно пропускать свет, осуществляя тем самым адресацию сигналов.
На рис.3 изображена использованная в модели схема расположения ячеек ПВО для управления соединением каналов с целью перекачки потока оптической информации из одного канала в другой. Для пояснения процесса перекачки рассмотрим два оптических волновода, вплотную расположенных друг к другу. Пусть один из них открыт, и в нем распространяется информационный поток, а соседний канал закрыт, т.е. «пустой» (случай I). Информация об этом регистрируется устройством обратной связи (в данном случае, фотодетекторами), которое вырабатывает сигнал для подачи электрического напряжения на ячейки ПВО, встроенные в волноводы. Поскольку в данном случае один из каналов «пуст» и необходимо удалить пропуск, то на ячейку в этом волноводе подают напряжение (включают ПВО), и благодаря ПВО она отражает свет в соседний волновод. В другом случае (случай II), когда оба волновода открыты для оптического сигнала, коэффициент преломления ячеек ПВО не изменяют (ПВО не включают), и информационный поток продолжает распространение по своему каналу.
На рис.4 показано, каким образом должны быть расположены в волноводе ячейки ПВО, чтобы реализовать «самоуправляемую» сборку в одном из плеч коммутатора на первом этапе с 8 каналами при любой комбинации наличия в них сигналов.
Сборка каналов осуществлялась следующим образом. Фотодетекторы различали наличие и отсутствие световой мощности в каждом канале коммутатора и вырабатывали сигналы обратной связи, которые после усиления включали на всех отрезках волноводов данного каскада те ячейки ПВО, которые были необходимы для перевода световой мощности из одного канала в другой. Для конкретной комбинации входных сигналов в одном из плеч коммутатора (рис.4) эти ячейки показаны зелеными. При включении ПВО свет отражался под углом 90° в соседний волновод, а потом под таким же прямым углом поворачивал, чтобы продолжить свое распространение уже по другому волноводу. Указанным образом были удалены все «пустые» каналы, и на выходе первого каскада оставалось в двух плечах только по 4 (из 8) рядом расположенных сигнальных канала, а на выходе второго каскада в четырех плечах - только по 2 (из 4) рядом расположенных сигнальных канала. В итоге после окончания соединений каналов во всех каскадах оказывается включенным ПВО во всех ячейках, необходимых для пропускания всего информационного оптического потока по заданным адресам.
Вышеуказанное расположение ячеек ПВО решает задачу «самоуправляемой» сборки не только для 8-канальных коммутаторов, но и для более сложных - 16-, 64-, 128-канальных. Несложно проверить, что схему можно обобщить и дальше. При этом для 8-канальных коммутаторов необходимо 4 ряда ячеек ПВО, для 16-канальных - 8, а для 64-канальных - 32 и т.д. Также не имеет значения, где располагать «собранные» каналы: сбоку массива, как на рис.4, или по центру.
На рис.5 показана общая схема модели коммутатора с 8×8 каналами в исходном (каналы не скоммутированы) и в конечном состояниях (коммутация каналов завершена, и к ним распространяется информационный световой поток). Оптоэлектронный коммутатор по заявляемому способу и устройству содержал оптический затвор {1}, выполненный на основе модуляторов света, являющихся входными портами коммутатора; полупрозрачные кубы, составленные из двух призм {2, 3, 4}; линейки модуляторов {5, 6, 7}, используемые для адресации сигналов; линейки окошек {8, 9}, в углах которых располагались фотодетекторы {10}; управляемые ячейки ПВО {12}, встроенные в волноводы {11}.
Процесс соединения каналов начинался с поразрядной адресации, осуществляемой путем включения соответствующих модуляторов {5, 6, 7}. Затем на вход подавался информационный оптический поток (цифрами указаны адреса, согласно которым ожидалось распределение световых каналов на выходе), и приоткрывался оптический затвор {1}, устанавливающий настроечное пропускание порядка и менее 1% от входной мощности. Свет проходил через этот затвор, полупрозрачные кубы {2}, линейку модуляторов {5}, волноводы {11} с ячейками ПВО {12} до фотодетекторов ФД {10}. В соответствии с комбинацией возбужденных фотодетекторов (рис.5) на соответствующие ячейки ПВО подавался электрический сигнал, приводящий к изменению их коэффициента преломления и заставляющий повернуть поток в соседний открытый волновод и распространяться вдоль него. Соединение информационных каналов путем удвоения и удаления "пустых" каналов повторялось на каждом этапе (в каждом каскаде) с тем различием, что свет по волноводам до ФД шел по пути, "проложенному" на предыдущем шаге. Когда в первой линейке фотодетекторов оказывались возбужденными 4 ФД подряд, оптический сигнал пропускался ко второй линейке {9}, и процесс включения ячеек ПВО продолжался уже во втором каскаде. Когда устанавливались заданные соединения всех оптических входных и выходных каналов, оптический затвор полностью открывался, и информационный поток шел по нужным адресам.