СПОСОБ КОММУТАЦИИ NXN ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ И МНОГОКАНАЛЬНЫЙ КОММУТАТОР (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF SWITCHING NXN OPTICAL CHANNELS AND MULTICHANNEL SWITCH (VERSIONS)

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 способ коммутации К×М оптических каналов и волоконно-оптический коммутатор К×М оптических каналов со сравнительно малым затуханием в каналах и малым уровнем перекрестных помех [1]. Коммутатор содержит пластину из электрооптического кристалла ниобата лития, в которой выполнены волноводные каналы с управляющими электродами. Каждая пластина разделена на М ячеек, в каждой ячейке выполнено по К волноводных каналов, т.е. всего выполнено К×М каналов. От каждого из К входов идет М оптических кабелей, по одному на каждую ячейку. К каждому из М выходов, наоборот, от соответствующей ячейки подведены все К оптических кабелей: от первой ячейки к первому выходу, от второй ячейки - ко второму и так далее. Из последовательного соединения первого из К входов со всеми М выходами, затем второго входа со всеми М выходами, затем третьего, четвертого и т.д. вплоть до соединения К-того входа со всеми М выходами вытекает существенный недостаток, а именно: коммутатор имеет большое число пересекающихся волоконно-оптических кабелей, а также электрических проводов для подключения управляющих электродов, что затрудняет его конструктивное и технологическое воплощение.
Известен метод многокаскадной коммутации N×N каналов и коммутатор, образующий так называемую баньян-сеть, относящуюся к известным коммутационным сетям MIN (от Multistage Interconnection Network), которые строятся путем формирования каскадов коммутационных элементов [2]. При этом основной коммутационный базис баньян-сети («кросс»), состоящий из 2×2 элементов, обрабатывает входящий сигнал в соответствии со значением разряда выходного адреса, и если этот разряд равен нулю, то сигнал направляется на верхний выходной порт кросса, а в противном случае - на нижний.
Баньян-сети относятся к блокирующим схемам, причем вероятность блокировки сигнала при его маршрутизации быстро возрастает с ростом сети [3]. При возникновении конфликта маршрутов двух сигналов, адресованных на разные выходные порты, лишь один из двух сигналов способен достичь следующего каскада, в результате чего общая производительность процесса коммутации снижается. Добавление каскада предварительной сортировки, например так называемого сортировщика Батчера, позволяет избежать таких блокировок, но если сигналы одновременно адресуются на один и тот же выход, единственным решением становится буферизация [4].
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства является многоканальный коммутатор, выполненный по способу [5] коммутации N×N оптических каналов. Способ предусматривает, что в N×N коммутаторе:
- организуется поразрядное, начиная со старшего разряда адресов, оптическое соединение N входных оптических каналов с N выходными оптическими каналами;
- все оптические соединения N входных оптических каналов с N выходными оптическими каналами выполняются за n этапов (шагов), где n=lg×N - число разрядов адресов;
- все оптические соединения в каждом разряде адресов выполняются параллельно;
- на каждом этапе выполняется операция удвоения каналов, а именно - на первом этапе разделяются каналы с 0 и 1 в старшем разряде всех адресов, на втором этапе разделяются каналы с 0 и 1 в следующем разряде адресов и т.д., так что на последнем этапе разделяются каналы с 0 и 1 в младшем разряде всех адресов;
- на любом этапе после операции удвоения каналов в каждом из двух маршрутных плеч (с 0 и 1 в данном разряде адресов) выполняется операция двукратного уплотнения каналов (сборки) путем удаления пропусков, т.е. «пустых» (без оптического сигнала) каналов, и компактного (по соседству) расположения сигнальных каналов, т.е. каналов, которые потребуются для прохождения коммутируемых оптических потоков.
Многоканальный N×N коммутатор [5] является волоконно-оптическим и обеспечивает соединение любых входных каналов с любыми выходными каналами. Он содержит активный элемент из ниобата лития с волноводными каналами, соединенные с ним управляющие электроды и волоконно-оптические кабели. Схема коммутации выполняется каскадной и разветвленной, с последовательно-параллельным соединением N входных оптических каналов с N выходными оптическими каналами в n каскадах. Адреса для соединения N входных оптических каналов с N выходными оптическими каналами задаются с помощью линеек оптических модуляторов. Для реализации удвоения используются специальные полупрозрачные зеркала или кубы, составленные из двух призм.
С целью двукратного уплотнения каналов после их удвоения используются пары электрооптических призм полного внутреннего отражения (ПВО), переводящие сигнал из волновода в соседний волновод при подаче на соответствующие контакты управляющего электрического напряжения. Для этого на каждом этапе с помощью линейки фотодатчиков в каналах регистрируется наличие или отсутствие оптического сигнала и вырабатываются электрические сигналы обратной связи для управления изменением условий полного внутреннего отражения в волноводном канале. Соединение оптических каналов выполняется на малом (тестовом) 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 ячеек ПВО в соответствующее пропускающее или отклоняющее свет состояние.
Недостатками данного коммутатора являются:
- наличие обратной связи, обуславливающей необходимость выполнять предварительную настройку коммутатора на малом уровне оптического сигнала и требующей для своей реализации на каждом этапе N фотодатчиков;
- увеличение времени соединения каналов в результате многоэтапного вырабатывания сигналов обратной связи.
Задачей, решаемой в предлагаемых способе и устройстве коммутации N×N оптических каналов, является выполнение соединений входных и выходных оптических каналов в автоматическом режиме без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей и с максимальной параллельностью, но при многократном сокращении времени соединения каналов благодаря отсутствию обратной связи и всех фотодатчиков.
Краткое описание фигур чертежей
На чертежах представлены: Фиг.1а и 1в - схема, поясняющая работу многоканального коммутатора по способу [5].
Фиг.2 - Предлагаемая схема управления перекачкой потока информации из одного оптического канала в другой с помощью пары ячеек ПВО: а - для первого варианта исполнения, предусматривающего электрическое управление, в - для второго варианта исполнения, предусматривающего оптическое управление.
Фиг.3 - Схема реализации операции «сборки» каналов (на примере 8 каналов) с помощью ячеек ПВО; серым обозначены ячейки, на которые одновременно подано управляющее напряжение.
Фиг.4 - Предлагаемая общая схема коммутатора (на примере 8 канального устройства), находящегося:
а - в исходном состоянии, когда входные и выходные каналы не соединены;
в - в конечном состоянии, когда информационный оптический поток направляется по заданным адресам.
Сущность изобретения
Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в многоканальном коммутаторе, выполненном по способу [5] и обеспечивающем соединение любых входных каналов с любыми выходными каналами без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей и с максимальной параллельностью, включающем устройства для адресации сигналов, устройства для удвоения оптических потоков, активный элемент с волноводными каналами, а также элементы управления изменением коэффициента преломления материала волноводного канала, новым является то, что
- из устройства убирают все линейки фотодатчиков, регистрирующие наличие или отсутствие оптического сигнала и вырабатывающие электрические сигналы обратной связи для определения мест приложения электрического напряжения к ячейкам ПВО, переводящим оптический поток из одного волновода в другой (соседний),
- с помощью компьютера по входным и заданным адресам вычисляют все пары ячеек ПВО, необходимые для выполнения сборки сигналов на всех этапах,
- сборку сигналов выполняют одновременно на всех этапах, т.е. сразу для всех разрядов адресов, при параллельном электрическом управлении (первый вариант) или параллельном оптическом управлении (второй вариант) переключением ячеек ПВО,
для чего в первом варианте исполнения, предусматривающем электрическое управление, на электроды, связанные с вычисленными (переключаемыми) ячейками ПВО, одновременно и параллельно для всех разрядов адресов подают электрическое напряжение, необходимое для изменения в этих местах коэффициента преломления материала ячеек ПВО и, соответственно, для перевода оптического потока в соседний волновод по условиям эффекта полного внутреннего отражения,
а во втором варианте исполнения, предусматривающем оптическое управление, в
устройство вводят оптроны, причем каждый оптрон электрически соединен со своей ячейкой ПВО, так что количество оптронов равно числу ячеек ПВО, вводят матрицу излучателей света (МИС), длина волны которых лежит в области чувствительности оптронов, и проекционную оптику, с помощью которой массиву оптических сигналов, формируемому в МИС, геометрически однозначно ставится в соответствие массив оптронов, электрически связанных с ячейками ПВО, причем в МИС включают для работы излучатели света, оптически и геометрически связанные с теми оптронами, от которых электрическое напряжение, вырабатываемое при оптическом возбуждении, подается на вычисленные (переключаемые) ячейки ПВО, и, кроме того, в устройство вводят оптическую маску и/или голографический оптический элемент (ГОЭ), оптически связанные с МИС и оптронами и согласующие конфигурацию оптических пучков, выходящих из МИС, с конфигурацией фото-приемных площадок оптронов.
На фиг.1а изображена схема, поясняющая на примере трехразрядного (8-канального) устройства способ коммутации в предлагаемом многоканальном коммутаторе на разных этапах соединения каналов. Здесь 1 - это линейка входных оптических каналов с заданными коммутационными адресами; 2' - линейки прямого и инверсного модуляторов (фильтров), задающих на первом этапе (принадлежность к нему обозначена одним штрихом), после удвоения каналов, пропускание оптических сигналов в соответствии с 0 и 1 в старшем разряде адресов; 3' - результат удаления пропусков на первом этапе соединения каналов; 2" - линейки прямого и инверсного модуляторов (фильтров), задающих на втором этапе (принадлежность к нему обозначена двумя штрихами), после удвоения каналов, пропускание оптических сигналов в соответствии с 0 и 1 во втором разряде адресов; 3" - результат удаления пропусков на втором этапе соединения каналов; 2"'- линейки прямого и инверсного модуляторов (фильтров), задающих на третьем этапе (принадлежность к нему обозначена тремя штрихами), после удвоения каналов, пропускание оптических сигналов в соответствии с 0 и 1 в младшем разряде адресов; 3" - результат удаления пропусков на третьем этапе соединения каналов, приводящий каждый из 8 входных оптических сигнала к выбранному адресу.
Из схемы на фиг.1а видно, что все соединения каналов по заявляемому способу выполняются параллельно не только в пределах каждого разряда адресов, но практически одновременно для всех разрядов. Таким образом, сущность предлагаемого способа заключается в таком соединении каналов, которое обеспечивает условия для выполнения соединений входных и выходных каналов с максимальной параллельностью.
Можно также заметить, что предлагаемый способ является достаточно универсальным и может быть использован в многоканальных коммутаторах не только оптических, но и электрических сигналов.
Для реализации способа предложен оптоэлектронный многоканальный коммутатор, содержащий волноводные каналы с управляющими электродами, выполненные на основе электрооптического кристалла ниобата лития со встроенными в них ячейками ПВО и благодаря эффекту ПВО обеспечивающие заданное соединение любого оптического входа с любым оптическим выходом, в котором по сравнению с прототипом новым является то, что отсутствует необходимость в использовании фотоэлектронной обратной связи и в дополнительном настроечном пропускании света.
При этом:
- адреса для соединения N входных оптических каналов с N выходными оптическими каналами задают с помощью линеек оптических модуляторов,
- для реализации удвоения используются специальные полупрозрачные зеркала или кубы, составленные из двух призм,
- для перевода сигналов из волновода в волновод при уплотнении каналов используют ячейки ПВО, на которые управляющие электрические сигналы поступают параллельно:
в первом варианте - от источника напряжения с числом всех выходов, равным полному числу ячеек ПВО, и с числом открытых для напряжения выходов, равным вычисленному компьютером числу одновременно переключаемых ячеек ПВО; во втором варианте - от оптронов, возбуждаемых оптически с помощью МИС, в которой число излучателей равно полному числу ячеек ПВО, а число включаемых в работу излучателей равно вычисленному компьютером числу одновременно переключаемых ячеек ПВО.
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 сигналы от компьютера для управления полным внутренним отражением в требуемых местах, обеспечивает заданное соединение любых входных и выходных каналов без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей, с большей параллельностью, за более короткое время и без использования настроечного пропускания света малой мощности, что делает устройство технологичным.
Главными достоинствами заявляемого способа и устройства коммутации N×N оптических каналов по сравнению с прототипом в итоге являются:
- выполнение соединений на всех этапах параллельно в автоматическом режиме при одноразовом формировании с помощью компьютера управляющих электрических сигналов к электродам ячеек ПВО, изменяющих под действием сигналов коэффициент преломления;
- отсутствие настроечного этапа, когда на малом уровне оптического сигнала, достаточном для его регистрации фотодетекторами в системе обратной связи, выполняется соединение оптических каналов, причем для этого 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;
- обусловленное вышесказанным многократное уменьшение времени соединения каналов;
- в отличие от коммутатора типа баньян-сети, предлагаемое устройство не нуждается в применении таких дополнительных каскадов, как буфер или сортировщик, поскольку здесь конфликтные ситуации (внутренние блокировки) исключены за счет изначально корректного задания адресов и вычисления маршрутов с помощью компьютера, а также в результате полной параллельности процесса коммутации в каждом каскаде, достигаемой путем разделения маршрутов с «нулевым» и «единичным» разрядом адресов для всех маршрутов сразу, а не для каждого в отдельности.
Таким образом, предлагаемый способ и устройство с использованием в волноводах ячеек ПВО позволяют получить в многоканальном коммутаторе заданное соединение любых входных и выходных каналов без использования фотоэлектронной обратной связи и дополнительного настроечного этапа, максимально параллельно и быстро.
Достоинством первого варианта реализации, использующего электрическое управление коэффициентом преломления материала ячеек ПВО, по сравнению со вторым, использующим оптическое управление, является меньшее количество конструктивных элементов (отсутствуют МИС, проекционная оптика, ГОЭ или оптический фильтр), что облегчает конструктивное и технологическое воплощение коммутатора. С другой стороны, достоинством второго варианта, с управлением ячеек ПВО от автономных оптронов, является отсутствие общей электрической цепи управления и появление возможности, с помощью только что указанных конструктивных элементов, ввести в работу коммутатора дополнительные функции управления коммутируемыми каналами.
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. Кроме принципа ПВО для перевода оптического сигнала из одного волноводного канала в другой в заданном плече Y-ответвителя можно использовать управляемое электрическим сигналом изменение показателя преломления (например, с помощью поперечного электрооптического эффекта). Изменение показателя преломления в плечах Y-ответвителей можно инициировать и оптическим сигналом, если материал волновода является фоторефрактивным. 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 из ниобата лития, но и на основе других электрооптических материалов, в том числе интегрально-оптические, микрозеркальные, полупроводниковые (например, на основе эффекта Франца-Келдыша) и др. модуляторы того же назначения. В многоразрядных коммутаторах можно предусмотреть усиление оптических потоков (с сохранением их информационных характеристик) с помощью компактных полупроводниковых лазеров и согласующих элементов.
Промышленная применимость
Предлагаемый оптоэлектронный коммутатор на основе ячеек 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.
Пример осуществления изобретения
По предлагаемому способу была промоделирована работа оптоэлектронного многоканального коммутатора с соединением 8×8 оптических каналов.
Фиг.1в поясняет работу такого коммутатора. На первом этапе выполнялись операции удвоения каналов {1'} с разделением по 0 и 1 в старшем разряде адресов и операция уплотнения каналов {2'} в обоих плечах, т.е. сборки сигнальных каналов и удаления тех каналов, в которых 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 {1", 2"} образовывались 4 плеча по 2 сигнальных канала, а на третьем этапе {1'", 2"'} - 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, как и в прототипе [5], 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. 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 фиг.2а и 2в изображены использованные в модели схемы реализации перекачки потока оптической информации из одного канала в другой по первому варианту исполнения, предусматривающему электрическое управление (фиг.2а), и по второму варианту исполнения, предусматривающему оптическое управление (фиг.2б). Для пояснения процесса перекачки в первом варианте (фиг.2а) рассмотрим два оптических волновода А и Б, вплотную расположенных друг к другу. В них встроены пары ячеек ПВО 1-2 и 3-4, к которым подключаются управляющие электроды (электрод а к ячейке 1, электрод в к ячейке 4). Пусть один из волноводов (А) открыт и в нем распространяется информационный поток, а соседний волновод (Б) закрыт, т.е. «пустой» (случай I). По входным и заданным выходным адресам компьютер определяет, в каких местах требуется перевод оптического потока в соседний пустой канал, и подает сигналы на генератор, чтобы подключить управляющие электроды а и б. Поданное на электроды напряжение в свою очередь приводит к изменению коэффициента преломления электрооптических ячеек 1 и 4, и благодаря эффекту полного внутреннего отражения ячейки отражают свет в соседний волновод. В другом случае (случай II), когда оба волновода открыты для оптического сигнала, коэффициент преломления ячеек ПВО не изменяют, и информационные потоки продолжают распространение по своим каналам.
Для пояснения второго варианта исполнения (фиг.2в) также рассмотрим два оптических волновода А и Б, вплотную расположенных друг к другу со встроенными в них парами ячеек ПВО 1-2 и 3-4. Ячейки ПВО 1 и 4 электрически соединены с оптронами (для каждой ячейки имеется свой оптрон). На оптроны управляющие оптические сигналы подаются с помощью матрицы излучателей света (МИС), которая, в свою очередь, управляется компьютером. Так же как и в первом варианте, на рисунке показаны два случая: случай I, когда один из волноводов (А) открыт и в нем распространяется информационный поток, а соседний волновод (Б) закрыт, т.е. «пустой», и случай II, когда оба волновода открыты для оптического сигнала. В случае I по входным и заданным выходным адресам компьютер определяет, в каких местах требуется перевод оптического потока в соседний пустой канал, и подает сигналы на МИС, которая, в свою очередь, посылает оптические сигналы на соответствующие оптроны, чтобы те выработали электрические сигналы для включения нужных ячеек ПВО. В случае II коэффициент преломления ячеек ПВО изменять не требуется, поэтому компьютер никаких сигналов не вырабатывает.
На фиг.3 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. По входным и заданным выходным адресам компьютер определяет, какие ячейки ПВО должны быть включены, и подает сигналы на соответствующие электроды (в первом варианте исполнения) или на соответствующие МИС (во втором варианте исполнения). Сами электроды, МИС, оптроны и компьютеры на рисунке не показаны. Для конкретной комбинации входных сигналов в одном из плеч коммутатора (фиг.3) включаемые ячейки окрашены в серый цвет. 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.
На фиг.4 показана общая схема многоканального коммутатора с 8×8 каналами в а - исходном (каналы не скоммутированы) и в b - конечном состояниях (коммутация каналов завершена, и по ним распространяется информационный световой поток). Оптоэлектронный коммутатор по заявляемому способу и устройству содержал оптические затворы 3, выполненные на основе модуляторов света, являющихся входными портами коммутатора; полупрозрачные кубы 1', 1", 1", составленные из двух призм; линейки модуляторов 2', 2", 2"', используемые для адресации сигналов; управляемые ячейки ПВО 5', 5", встроенные в волноводы 4. Для каждой комбинации световых пучков на входе компьютер подавал различные, заранее запрограммированные комбинации управляющих сигналов на электроды (а и в на фиг.2а) или на МИС (фиг.26), которые в свою очередь включали соответствующие ячейки ПВО 5', 5". Выходящие скоммутированные потоки обозначены на рисунке цифрой 6.
Следует отметить, что не для всех ячеек требуется управление сигналами от компьютера. В первых четырех каналах (если считать снизу на фиг.4) показатель преломления материала ячеек ПВО менялся, чтобы отражать оптический сигнал в соседний волновод или пропускать его. А в каналах с пятого по восьмой показатель преломления не изменялся и всегда находился в состоянии «включено», т.е. отражал оптический сигнал, т.к. оптические сигналы, идущие по указанным каналам, всегда должны быть переведены при сборке в соседние. В этих соединениях можно также поставить, например, отражающее зеркало или призму.
Источники информации
1. Геокчаев Ф.Г. Многоканальный волоконно-оптический коммутатор // Патент РФ №2107318(1998).
2. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем // М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, с.316-317 (2005).
3. Захаров Г.П., Симонов М.В., Яновский Г.Г. Службы и архитектура широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания // М.: Эко-Трендз, 102 с.(1993).
4. Ефимушкин В., Ледовских Т. Коммутация в сетях ATM // Сети, №1, с.26-31 (2000).
5. Компанец И.Н., Компанец С.И., Неевина Т.А. Способ коммутации N×N оптических каналов и многоканальный коммутатор // Патент РФ №2456652 (2012).