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 па 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 свето-пропускающих 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 нес вследствие известного эффекта полного внутреннего отражения (ПВО) [3]. 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 [4], 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 подходов [2, 4] потребовало бы огромного числа отдельных переключателей и многократного пересечения оптических каналов, что сделало бы коммутатор слишком сложным и дорогим.
3
Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству является способ коммутации, реализованный в волоконно-оптическом коммутаторе К×М оптических каналов со сравнительно малым затуханием в каналах и малым уровнем перекрестных помех [5]. Устройство содержит пластину из электрооптического кристалла ниобата лития (LiNbO), 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 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 одному 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 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.
Таким образом, многоканальный волоконно-оптический коммутатор по патенту [5] обеспечивает коммутацию К 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 в автоматическом режиме без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей и с максимальной параллельностью, что упрощает конструкторское воплощение коммутатора, с возможностью его блочной конструкции с одинаковыми для данного разряда адресов блоками.
Краткое описание фигур чертежей
На чертежах представлены:
Фиг.1 - Схема коммутации N×N оптических каналов по предлагаемому способу.
Фиг.2 - Схема, поясняющая работу предлагаемого многоканального коммутатора.
Фиг.3 - Пример реализации операции удвоения информационных каналов с помощью оптических кубов.
Фиг.4 - Схема реализации операции «сборки» каналов с применением фоторефрактивных волноводов (ФВ) в исходном (слева), промежуточном (посередине) и конечном (справа) состоянии.
Фиг.5 - Общая схема предлагаемого коммутатора (на примере 8 канального устройства), находящегося:
а) в исходном состоянии, когда входные и выходные каналы не соединены,
б) в промежуточном состоянии, когда осуществляется адресация и сборка каналов, и
в) в конечном состоянии, когда информационный оптический поток направлен по заданным адресам.
Фиг.6 - Коммутация в электрической цепи.
Сущность изобретения
Решение указанной задачи обеспечивается тем, что способ коммутации N×N оптических каналов основан на использовании эффекта фоторефракции, и для осуществления заданного соединения любого оптического входа с заданным оптическим выходом 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 для каждого разряда из n=lgN разрядов, начиная со старшего, за n этапов, и в то же время параллельно в пределах каждого разряда адресов;
- на каждом этапе 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 каналов путем расположения по-соседству только тех каналов, которые потребуются для прохождения коммутируемых оптических потоков;
- на каждом этапе при выполнении операции сборки каналов в заданные соединения волноводов одновременно и параллельно для всех разрядов подают управляющие оптические сигналы заданной конфигурации от источника оптического излучения, к которому чувствительны переключаемые соединения волноводных каналов, что приводит к изменению в этих местах коэффициента преломления фоторефрактивного материала и, соответственно, к переводу оптического потока в соседний волновод с неизмененным коэффициентом преломления.
Переключаемые соединения волноводных каналов определяют с помощью компьютера по входным и заданным адресам, и по результату вычислений с помощью матрицы излучателей света (МИС) формируют световые пучки, согласованные по своему пространственному положению с местами переключаемых соединений волноводных каналов. Благодаря фоторефрактивному эффекту световые пучки от МИС изменяют коэффициент преломления материала соединений волноводов, что обеспечивает отклонение информационных сигналов в нужный волновод.
На фиг.1 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.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. Можно также заметить, что предлагаемый способ является достаточно универсальным и может быть использован в многоканальных коммутаторах не только оптических, но и электрических сигналов.
2
Для реализации способа предложен оптоэлектронный многоканальный коммутатор, содержащий волноводные каналы, выполненные на основе фоторефрактивного кристалла (например, ниобата лития, танталата лития, титаната бария и др.) и благодаря эффекту фоторефракции обеспечивающие оптически управляемое заданное соединение любого оптического входа с любым оптическим выходом; схема коммутации для выполнения соединений входных и выходных каналов без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей и с максимальной параллельностью 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, а для формирования управляющих оптических сигналов в устройство введены матрица излучателей света (МИС) и топографический оптический элемент (ГОЭ) и/или оптическая маска, оптически связанные между собой и с соединениями фоторефрактивных волноводов. 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 оптические сигналы от источника оптического излучения, к которому чувствительны переключаемые соединения волноводных каналов;
- для упрощения задания конфигурации оптических сигналов от МИС, необходимой для возбуждения фоторефрактивных волноводов лазерным излучением, вводится топографический оптический элемент (ГОЭ);
- введенная проекционная оптика выполнена таким образом, что световой поток от МИС, излучающих когерентный (лазерный) свет в диапазоне спектральной чувствительности соединений фоторефрактивных волноводов, проходит через ГОЭ, благодаря которому эти сигналы приобретают заданную конфигурацию, и поступает на те соединения фоторефрактивных волноводов, которые необходимо оптически переключить в заданное состояние для перевода сигналов из канала в канал;
- для упрощения задания конфигурации оптических сигналов от МИС, необходимой для возбуждения фоторефрактивных волноводов излучением светодиодов, вводится оптическая маска;
- введенная проекционная оптика выполнена таким образом, что световой поток от МИС, излучающих некогерентный свет в диапазоне спектральной чувствительности соединений фоторефрактивных волноводов, проходит через оптическую маску, благодаря которой эти сигналы приобретают заданную конфигурацию, и поступает на те соединения фоторефрактивных волноводов, которые необходимо оптически переключить в заданное состояние для перевода сигналов из канала в канал.
- переключение оптических каналов в фоторефрактивных волноводах выполняется параллельно и одновременно для всех разрядов адресов путем одновременного освещения с помощью МИС тех соединений, где на стадии сборки требуется перевод информационных потоков из канала в канал.
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 оптические сигналы от МИС с конфигурацией, задаваемой их прохождением через ГОЭ, обеспечивает заданное соединение любых входных и выходных каналов без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей, что делает устройство технологичным.
Главными достоинствами заявляемого способа и устройства коммутации N×N оптических каналов по сравнению с прототипом в итоге являются:
- заданное параллельное 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;
- выполнение соединений на всех этапах в автоматическом режиме при одноразовом формировании в МИС массива управляющих оптических сигналов и задании их конфигурации с помощью ГОЭ и/или оптической маски;
- возможность блочной конструкции коммутатора с одинаковыми на данном этапе (для данного разряда адресов) блоками.
Таким образом, предлагаемый способ и устройство с использованием фоторефрактивных волноводов позволяют получить в многоканальном коммутаторе заданное соединение любых входных и выходных каналов без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей и с другими вышеуказанными достоинствами.
Для улучшения характеристик заявляемого оптоэлектронного коммутатора (без изменения его архитектуры) в последующем можно в отдельности или в совокупности использовать различные варианты реализации оптических каналов - с помощью волноводных или интегрально-оптических структур, призменных ячеек ПВО и др. В качестве оптических расщепителей можно использовать полупрозрачные зеркала, двухпризменные оптические кубы, топографические 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 качестве источников управляющего оптического излучения, к которому чувствителен фоторефрактивный материал, кроме светодиодов и лазерных диодов можно, например, использовать плазменные, люминесцентные и др. источники излучения. Голографический оптический элемент может быть выполнен из фоторефрактивных кристаллов, халькогенидных стекол и галоидо-серебряных и др. материалов с высокой дифракционной эффективностью, не чувствительных к этому же излучению. Оптическая маска может быть выполнена из материала, не пропускающего оптическое излучение вне зоны отверстий заданной конфигурации. Расположение ГОЭ и/или оптической маски относительно соединений в волноводах не должно вносить дифракционные и др. шумы, создающие оптические помехи вне зоны действия каждого заданного оптического сигнала, сформированного МИС. Можно отказаться от использования ГОЭ и/или оптической маски, если форма оптического сигнала от излучателей света (в поперечном направлении) соответствует форме соединений в волноводах. 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 эффекта фоторефракции 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.2 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 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 {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 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 {1', 1''} (фиг.3). Пары линеек модуляторов {2', 2''}, 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.4 изображена использованная в модели схема оптического управления соединением каналов с применением эффекта фоторефракции для перекачки потока оптической информации из одного канала в другой. Для примера рассмотрены 4 канала, на вход которых подаются 2 информационных потока (в 1 и в 3 канал). Оптические сигналы от МИС 1 (лазерных диодов) проходят через топографический оптический элемент 2, где приобретают нужную конфигурацию, а затем поступают на фоторефрактивные волноводы 3 в том месте, где требуется изменить направление оптического информационного потока. Благодаря фоторефрактивному эффекту в указанных местах изменяется коэффициент преломления, что заставляет оптический поток перейти в соседний пустой канал.
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.
Такая схема применения фоторефрактивного эффекта решает задачу сборки не только для 8-канальных коммутаторов, но и для более сложных - 16, 64, 128 канальных. Нетрудно проверить, что схему можно обобщить и дальше. Важно, что места приложения и конфигурация оптических управляющих сигналов легко просчитываются при поступлении адресных данных и тут же задаются на МИС, так что реализация оптического управления не требует элементов обратной связи и выполняется сразу для всех разрядов. Таким образом, благодаря использованию МИС оптическое управление переключением каналов коммутатора существенно упрощается и убыстряется.
На фиг.5 показана общая схема многоканального коммутатора с 8х8 каналами в исходном (каналы не скоммутированы), промежуточном (осуществляется адресация и сборка каналов) и в конечном состояниях (коммутация каналов завершена, и по ним распространяется информационный световой поток). Оптоэлектронный коммутатор по заявляемому способу и устройству содержал оптические затворы 1, выполненные на основе модуляторов света, являющихся входными портами коммутатора; полупрозрачные кубы 2', 2'', 2''', составленные из двух призм; линейки модуляторов 3', 3'', 3''', используемые для адресации сигналов; фоторефрактивные волноводы 4', 4''. На рисунке также показаны соединения фоторефрактивных волноводов 5', 5'', где под действием оптического сигналов 8', 8'' от МИС 6', 6'' изменялся коэффициент преломления материала, что заставляло повернуть информационный оптический поток в соседний открытый волновод и распространяться вдоль него. Для каждой комбинации световых пучков на входе МИС подавали различные, заранее запрограммированные комбинации управляющих сигналов. ГОЭ 7', 7'' нужны здесь для задания конфигурации оптических сигналов, сформированных в МИС. Входящие и выходящие коммутируемые потоки обозначены на рисунке как 9' и 9''.
Следует отметить, что количество лазерных или светодиодных излучателей 6', 6'' не обязательно должно равняться количеству соединений фоторефрактивных волноводов 5', 5'', т.к. не для всех соединений требуется управление сигналами от МИС. В тех местах, где соединения на фиг.5 изображены более светлым цветом, показатель преломления фоторефрактивного материала менялся, чтобы отражать оптический сигнал или пропускать его в соседний волновод. А в тех местах, где соединения изображены более темным цветом, 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.
Предложенный метод и параллельная архитектура многоканального коммутатора, а также метод оптического управления переключением каналов применимы и для разнообразных коммутаторов электрических сигналов (фиг.6). В данном случае электрический сигнал I, распространяющийся вдоль электрической цепи, проходит далее по верхнему ответвлению цепи, в котором встроенный в цепь контакт замыкается с помощью элемента (изображен кружком), чувствительного к управляющему оптическому сигналу hv.
Источники информации
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. Г.С. Ландсберг. Оптика, «Наука», М., 928 с. (1976).
4. Wang Yu. Efficient color filtering and beam steering based on controlled total internal reflection // US Patent №6278540 (2001).
5. Геокчаев Ф.Г. Многоканальный волоконно-оптический коммутатор // Патент РФ №2107318 (1998).