RU2456652C2 - Method of switching n×n optical channels and multichannel switch - Google Patents
Method of switching n×n optical channels and multichannel switch Download PDFInfo
- Publication number
- RU2456652C2 RU2456652C2 RU2010108837/28A RU2010108837A RU2456652C2 RU 2456652 C2 RU2456652 C2 RU 2456652C2 RU 2010108837/28 A RU2010108837/28 A RU 2010108837/28A RU 2010108837 A RU2010108837 A RU 2010108837A RU 2456652 C2 RU2456652 C2 RU 2456652C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channels
- optical
- channel
- waveguide
- input
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Communication System (AREA)
- Use Of Switch Circuits For Exchanges And Methods Of Control Of Multiplex Exchanges (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
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.The invention relates to the field of information processing and communication and can be used to transmit, receive and redistribute information signals in switching devices of multi-subscriber telecommunication and fiber-optic communication systems and integrated optics systems, information processing and data calculation, including in supercomputers.
Предшествующий уровень техникиState of the art
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.Known acousto-optical (AO) fiber switch 1 × N light channels, based on the effect of Bragg AO diffraction [1]. The light from the input fiber is fed to the collimating system of the switch and then to the AO crystal. The control radio signal at a frequency f is supplied to a piezoelectric transducer, which excites an ultrasonic wave with the same frequency in the crystal. Diffracting on this wave, the light is deflected by an angle α = fλ / υ, proportional to the frequency of the radio signal (here λ is the wavelength of light and υ is the speed of sound in the crystal). The deflected beam is focused by the lens into the fibers of the output optical fibers. To organize an N × N switch, it would be necessary to either place N piezoelectric transducers on a single crystal, which would lead to unacceptably large crosstalk and reduce the contrast of switched signals, or have N crystals (with its own piezoelectric transducers), which would lead to a significant complication and cost of the switch.
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).Known optical switch 1 × 2, including an optical waveguide formed of two light-transmitting materials located one after another and having a common border, and the refractive index of one of the materials can be changed by external action, for example, by applying an electrical voltage in the case of electro-optical material [2]. Light falls on the interface between two materials at such an angle that by changing the refractive index of the first material, it is possible to ensure that the light either passes through the boundary or is reflected from it due to the well-known effect of total internal reflection (AA) [G.S. Landsberg. Optics, Moscow: Nauka, 928 p. (1976)]. To create a 1 × N switch, you need to use a certain sequence of such materials - electro-optical crystals, so that, electrically controlling the value of the refractive index, direct the light flux along certain directions on the way to a given address (output).
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.A device for filtering light and controlling the direction of the stream with 1 × N channels [3], based on the use of the effect of total internal reflection (PVO) and the transverse electro-optical effect in an optical crystal. The device includes a number of independent electrodes located above the electro-optical crystals in order to divide the layer of electro-optical material into a set of so-called pixels. A control electric circuit is connected to the device in order to change the voltage at the electrodes and thereby control the direction of propagation of the light flux. Such a device can be used as an optical scanner to shift the position of the incident beam from one pixel to another. The device can also be used as a multichannel color filter, if a filter is inserted in each output pixel that transmits light of a specific wavelength associated with this pixel and reflects light of other wavelengths.
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.Creating an N × N switch based only on the approach [2, 3] would require a huge number of individual switches and multiple optical channels crossing, which would make the switch too complicated and expensive.
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 (LiNbO3), 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.Closest to the proposed device is a fiber optic switch K × M optical channels with a relatively low attenuation in the channels and a low level of crosstalk [4]. The device comprises a plate of an electro-optical crystal of lithium niobate (LiNbO 3 ), in which waveguide channels with control electrodes are made. Each plate is divided into M cells; K waveguide channels are made in each cell, i.e. all performed K × M channels. From each of the K inputs, there are M optical cables, one for each cell. On the contrary, all K optical cables are connected to each of M outputs from the corresponding cell: from the first cell to the first output, from the second cell to the second, etc. By applying a control voltage to the electrodes that control the inclusion of the electro-optical effect in the corresponding waveguide channel from lithium niobate, due to the air defense effect, a predetermined connection of any optical input to any optical output is provided. For example, if a signal with address m is supplied to the input in order, then the next waveguide channel (according to the input serial number) in the m-th cell is turned on (voltage is applied to it and it becomes transparent) (in accordance with the serial number of the output). Thus, by simultaneously switching on 1 specific waveguide channel in each cell, all incoming signals can be switched in parallel.
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.The disadvantage of this method of connecting channels in the switch is the large number of intersections of fiber optic cables (as well as electrical wires for connecting control electrodes) resulting from the serial connection of the first of K inputs with all M outputs, then the second input with all M outputs, then the third, fourth, etc., up to the connection of the K-th input with all M outputs.
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.Thus, the multichannel fiber optic switch according to the patent [4] provides switching of K input channels on M output with a relatively low attenuation in the channels and a low level of crosstalk. However, the device contains a large number of intersecting fiber optic and electrical cables, making it difficult for its design and technological implementation.
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.The problem to be solved in the proposed method of switching N × N optical channels and a device for its implementation is to make connections of the input and output optical channels without intersecting fiber-optic and electric cables and with maximum parallelism.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
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:The solution to this problem is provided by the fact that in the known switching device N × N optical channels, based on the use of an electric field-controlled air defense effect for the implementation of a given connection of any optical input with a given optical output, the new is that (see Fig. 1) with the purpose of making the connections of the input and output channels without intersections of fiber optic and electric cables and with maximum parallelism:
- 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=lg2N разрядов, начиная со старшего, за n этапов (шагов), и в то же время параллельно в пределах каждого разряда адресов;- organize a bitwise serial-parallel connection of N input optical channels with N output optical channels, and all channel connections are performed sequentially (alternately) for each bit of n = log 2 N bits, starting from the oldest, in n stages (steps), and the same time in parallel within each category of addresses;
- 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;- at each stage (in each cascade), the operation of doubling the channels is performed, namely, at the first stage, the channels with 0 and 1 in the high order of addresses are separated, at the second stage, the channels with 0 and 1 are separated in the next order of addresses, etc., so that at the last stage, channels with 0 and 1 in the lower order of addresses are separated;
- 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;- at each stage after the operation of doubling the channels, an assembly (densification) of the channels is performed by arranging in the neighborhood only those channels that are required for the passage of the switched optical streams;
- 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.- at each stage, the presence or absence of an optical signal is electrically recorded in the channels, and the registration signals (feedback signals) are used to control the supply of electrical voltage to the corresponding contacts in order to change the conditions of total internal reflection in the waveguide channel.
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.From the diagram in Fig. 1 it is seen that all channel connections according to the claimed method are performed in parallel within each bit of the address and at the same time sequentially (alternately) for each bit, starting with the oldest. Thus, the essence of the proposed method consists in such a connection of channels, which provides conditions for making connections of input and output channels with maximum parallelism, providing for the absence of intersections of fiber optic and electric cables.
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=lg2N - число разрядов в адресе. При этом:To implement the method, an optoelectronic switch is proposed, containing waveguide channels with control electrodes, made on the basis of an electro-optical lithium niobate crystal and due to the air defense effect, provide a predetermined connection of any optical input with any optical output, in which it is new to make input and output connections channels without intersections of fiber optic and electric cables and with maximum parallelism, the proposed switching scheme is cascading and times branched, with serial-parallel connection of N input optical channels with N output optical channels in n stages, where n = log 2 N is the number of bits in the address. Wherein:
- 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;- the addresses for connecting the N input optical channels to the N output optical channels are set using the lines of optical modulators, and the number of lines at each step is 2, and the number of modulators in the line is N;
- для реализации удвоения используются специальные полупрозрачные зеркала или кубы, составленные из двух призм;- for the implementation of doubling, special translucent mirrors or cubes made up of two prisms are used;
- для перевода сигналов из волновода в волновод при сборке (уплотнении) каналов используют электрооптические призмы полного внутреннего отражения;- to transfer signals from the waveguide to the waveguide during the assembly (compaction) of channels, electro-optical prisms of total internal reflection are used;
- 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;- for registration in the channels of the presence or absence of an optical signal, photo sensor arrays are used, and the number of rulers at each stage is equal to the number of rulers of modulators, 2, and the number of photosensors in the line is equal to the number of modulators in the line, i.e. 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.- the connection of the optical channels is carried out at a low level of the optical signal, sufficient for its registration by photodetectors in the feedback system, for which a separate light source or a small part of the optical information stream is used, and the main information light stream is supplied to the switch after completion of the channel connection process, t. e. after installing all the air defense prisms in the appropriate transmitting or deflecting light state.
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.The technical result achieved in the claimed invention lies in the fact that the design of the optoelectronic switching device N × N optical channels, based on a cascade, branched and maximally parallel connection scheme and using reverse electrical communication in the control circuit switching cells of the air defense, organized using photosensors, provides the specified connection of any input and output channels without intersections of fiber optic and electric cables.
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.The main advantages of the proposed method and device for switching N × N optical channels in comparison with the prototype as a result are: a predetermined connection of any input and output channels without intersections of fiber optic and electric cables; making connections at all stages in automatic mode with a one-time installation immediately on all lines of optical digit address modulators that specify their transmission; the possibility of a block design of a switch with the same blocks at this stage (for a given category of addresses). At the same time, it is not obvious from the prior art that the advantages listed above could be achieved through the use of air defense cells for connecting channels. It should also be noted that the proposed method is quite universal and can be used for switching not only optical, but also electrical signals.
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.Thus, the use of the proposed method and device allows, on the basis of the well-known switch, which uses to connect the channels of the cell with the air defense, to obtain the specified connection of any input and output channels without intersections of fiber optic and electric cables and with the other advantages mentioned above.
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.To improve the characteristics of the claimed optoelectronic switch (without changing its architecture) in the future, individually or in combination, you can use various options for waveguide, integrated optical or prismatic air defense cells. As optical splitters, you can use translucent mirrors, dual prism optical cubes, holographic optical elements and other elements of the same purpose. In the lines of high-speed and compact optical modulators, modulators can be used not only based on lithium niobate, but also other electro-optical materials, including integrated optical, micromirror, semiconductor (for example, based on the Franz-Keldysh effect) and other modulators of the same purpose . High-speed and compact photodiodes with integrated amplifiers of electric signals can be used in the lines of photosensors built into the optical waveguide. In multi-bit switches, it is possible to provide amplification of optical flows (with preservation of their information characteristics) using compact semiconductor lasers and matching elements.
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.The switch structure according to the proposed method can be used not only with air defense cells, but also with other materials and functional elements that connect optical information channels, such as photonic crystals [5], fibers and waveguides with distributed coupled waves [6], microresonators [7] and others.
Литературные источникиLiterary sources
1. Антонов С.Н. Акустооптические устройства управления неполяризованным светом и модуляторы поляризации на основе кристалла парателлурита // ЖТФ, т.74, №10, 84-89 (2004).1. Antonov S.N. Acousto-optic devices for controlling unpolarized light and polarization modulators based on a paratellurite crystal // ZhTF, v. 74, No. 10, 84-89 (2004).
2. Skinner J.D., McCormack J.S. Optical switch // US Patent №4828362 (1989).2. Skinner J.D., McCormack J.S. Optical switch // US Patent No. 4828362 (1989).
3. Wang Yu. Efficient color filtering and beam steering based on controlled total internal reflection // US Patent №6278540 (2001).3. Wang Yu. Efficient color filtering and beam steering based on controlled total internal reflection // US Patent No. 6278540 (2001).
4. Геокчаев Ф.Г. Многоканальный волоконно-оптический коммутатор // Патент РФ №2107318 (1998).4. Geokchaev F.G. Multichannel fiber optic switch // RF Patent No. 2107318 (1998).
5. Нелин Е.А. Устройства на основе фотонных кристаллов. Функциональная микроэлектроника, №3, 18-25 (2004).5. Nelin EA Devices based on photonic crystals. Functional Microelectronics, No. 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).6. Mayer A.A. A method for switching and modulating unidirectional distributed-coupled waves and a device for its implementation. RF patent №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).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 применимостьIndustrial applicability
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.The proposed optoelectronic switch based on cells with air defense is a technological and efficient device for switching N × N optical channels. This makes it possible to use it in many modern and promising systems for transmitting, receiving and redistributing information signals, in telecommunication systems, in multi-device devices and systems for processing information and computing data, including in supercomputers, in fiber-optic and integrated-optical communication systems .
Вариант осуществления изобретенияAn embodiment of the invention
По предлагаемому способу и устройству была промоделирована работа оптоэлектронного коммутатора с соединением 8×8 оптических каналов.According to the proposed method and device, the operation of an optoelectronic switch with a connection of 8 × 8 optical channels was modeled.
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.Figure 1 shows the operation diagram of such a switch. At the first stage, the operation of doubling the channels with separation by 0 and 1 in the highest order of addresses and the operation of channel multiplexing in both arms were performed, i.e. assembling open (signal) channels and removing closed channels (there is no signal in them). As a result, 4 signal channels remained in both arms. At the next stages, the same operations were carried out for subsequent bits of addresses, as a result of which, at the second stage, 4 arms were formed with 2 signal channels, and at the third stage, 8 arms were formed with 1 signal channel leading the light signal to the selected address.
Понятно, что при наличии N=2n 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.It is clear that if there are N = 2 n channels in n stages, all N channels can be switched to the given N addresses. Accordingly, for the common 64-bit and 128-bit switch, the number of stages is 6 and 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.In the model used, the connection of the channels was carried out with a minimum (tuning) transmission recorded by photodetectors. The number of channels was doubled using an optical splitter, and their separation by 0 and 1 was performed using an inverse optical filter. As optical splitters, optical cubes composed of two prisms were used (Fig. 2). Pairs of rulers of modulators, one of which was always an inverter, that is, did not specify single, but zero bits of addresses, were made on the basis of electro-optical crystals. Including those or other modulators, it was possible to selectively transmit light, thereby addressing the signals.
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.Figure 3 shows the layout of the air defense cells used in the model to control the connection of channels in order to transfer the flow of optical information from one channel to another. To explain the pumping process, we consider two optical waveguides closely spaced to each other. Let one of them be open, and the information flow spreads in it, and the adjacent channel is closed, i.e. “Empty” (case I). Information about this is recorded by a feedback device (in this case, photodetectors), which generates a signal for supplying electric voltage to the air defense cells built into the waveguides. Since in this case one of the channels is “empty” and it is necessary to remove the gap, a voltage is applied to the cell in this waveguide (they include air defense), and due to air defense it reflects light into an adjacent waveguide. In another case (case II), when both waveguides are open to the optical signal, the refractive index of the air defense cells is not changed (air defense is not included), and the information flow continues to propagate through its channel.
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.Figure 4 shows how the air defense cells should be located in the waveguide in order to realize a “self-controlled” assembly in one of the switch arms at the first stage with 8 channels for any combination of the presence of signals in them.
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.The assembly of the channels was carried out as follows. Photodetectors distinguished the presence and absence of light power in each channel of the switch and generated feedback signals that, after amplification, included on all segments of the waveguides of this cascade those air defense cells that were necessary to transfer the light power from one channel to another. For a specific combination of input signals in one of the switch arms (Fig. 4), these cells are shown in green. When the air defense was turned on, the light was reflected at an angle of 90 ° into the adjacent waveguide, and then it turned at the same right angle to continue its propagation along another waveguide. In this way, all the “empty” channels were removed, and at the output of the first cascade only 4 (out of 8) signal channels were located in two arms, and at the output of the second cascade in four arms only 2 (out of 4) located signal paths channel. As a result, after the end of the channel connections in all stages, the air defense is turned on in all cells necessary to pass the entire information optical flow to the given addresses.
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.The above location of the air defense cells solves the problem of "self-managed" assembly not only for 8-channel switches, but also for more complex ones - 16-, 64-, 128-channel. It is easy to verify that the scheme can be generalized further. Moreover, for 8-channel switches, 4 rows of air defense cells are needed, for 16-channel switches - 8, and for 64-channel switches - 32, etc. It also does not matter where to place the “assembled” channels: on the side of the array, as in Fig. 4, or in the center.
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}.Figure 5 shows a general diagram of a model of a switch with 8 × 8 channels in the initial state (channels are not switched) and in the final states (channel switching is completed, and the information light flux propagates to them). The optoelectronic switch according to the claimed method and device contained an optical shutter {1}, made on the basis of light modulators, which are the input ports of the switch; translucent cubes composed of two prisms {2, 3, 4}; line of modulators {5, 6, 7} used for addressing signals; line of windows {8, 9}, in the corners of which photodetectors {10} were located; controlled air defense cells {12} embedded in waveguides {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.The process of connecting the channels began with bitwise addressing, carried out by switching on the corresponding modulators {5, 6, 7}. Then, an optical information flow was fed into the input (the numbers indicate the addresses according to which the distribution of the light channels at the output was expected), and the optical shutter {1} was opened, which sets up the transmittance of the order of less than 1% of the input power. Light passed through this shutter, translucent cubes {2}, a line of modulators {5}, waveguides {11} with air defense cells {12} to photodetectors FD {10}. In accordance with a combination of excited photodetectors (Fig. 5), an electric signal was supplied to the corresponding air defense cells, leading to a change in their refractive index and causing the flow to turn into a neighboring open waveguide and propagate along it. The connection of information channels by doubling and removing the "empty" channels was repeated at each stage (in each cascade) with the difference that the light along the waveguides before the PD went along the path "laid" in the previous step. When 4 PDs were excited in the first line of photodetectors in a row, the optical signal was passed to the second line {9}, and the process of switching on the air defense cells continued already in the second stage. When the specified connections were established for all the optical input and output channels, the optical shutter fully opened, and the information flow went to the desired addresses.
Claims (7)
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=lg2N 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 направляют в разные плечи каналы с 0 и 1 в младшем разряде адресов;
на каждом этапе, кроме последнего, после операции удвоения каналов выполняют операцию сборки каналов путем расположения по-соседству только тех каналов, которые потребуются для прохождения коммутируемых оптических потоков на следующем этапе;
на каждом этапе после операции удвоения каналов электрически регистрируют в каналах наличие или отсутствие оптического сигнала, и полученные электрические сигналы в качестве сигналов обратной связи используют для управления подачей электрического напряжения на соответствующие контакты ячеек ПВО с целью изменения условий полного внутреннего отражения в волноводном канале.1. The method of switching N × N optical channels, based on the optical connection of any given input optical channel to any given output optical channel in a multi-channel switch, including an active element of electro-optical material with waveguide channels, control electrodes and fiber optic cables connected to it, using a change in the conditions of total internal reflection (TIR) in the waveguide channel when applying to the corresponding contacts of the control electric voltage, I provide em compound of any input channel to any output channels, characterized in that in order to make the connections of input and output channels without crossing fiber optic and electrical cables and with maximum parallelism,
organize a bitwise serial-parallel connection of N input optical channels with N output optical channels, and all channel connections are performed sequentially for each bit of n = log 2 N bits, starting from the senior, in n stages, and at the same time in parallel within each discharge of addresses;
at each stage, the operation of doubling the channels is performed, namely, at the first stage, the channels with 0 and 1 in the high order of addresses are separated, at the second stage, the channels with 0 and 1 are separated in the next order of addresses, etc., so that they direct on different shoulders channels from 0 and 1 in the lower order of addresses;
at each stage, except the last, after the operation of doubling the channels, the operation of assembling the channels is performed by arranging in the neighborhood only those channels that are required for the passage of the switched optical flows in the next stage;
at each stage after the operation of doubling the channels, the presence or absence of an optical signal is electrically recorded in the channels, and the obtained electrical signals are used as feedback signals to control the supply of electric voltage to the corresponding contacts of the air defense cells in order to change the conditions of total internal reflection in the waveguide channel.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010108837/28A RU2456652C2 (en) | 2010-03-11 | 2010-03-11 | Method of switching n×n optical channels and multichannel switch |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010108837/28A RU2456652C2 (en) | 2010-03-11 | 2010-03-11 | Method of switching n×n optical channels and multichannel switch |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010108837A RU2010108837A (en) | 2011-09-20 |
| RU2456652C2 true RU2456652C2 (en) | 2012-07-20 |
Family
ID=44758341
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010108837/28A RU2456652C2 (en) | 2010-03-11 | 2010-03-11 | Method of switching n×n optical channels and multichannel switch |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2456652C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014065717A2 (en) * | 2012-10-24 | 2014-05-01 | Kompanets Igor Nikolaevich | Nxn optical switching method and multi-channel switch |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4828362A (en) * | 1985-06-26 | 1989-05-09 | The General Electric Company, P.Lc. | Optical switch |
| RU2107318C1 (en) * | 1996-04-09 | 1998-03-20 | Фикрет Гаджиевич Геокчаев | Multichannel fibre-optical commutator |
| CA2676868A1 (en) * | 2008-08-27 | 2010-02-27 | Maged E. Beshai | Time-coherent global network |
-
2010
- 2010-03-11 RU RU2010108837/28A patent/RU2456652C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4828362A (en) * | 1985-06-26 | 1989-05-09 | The General Electric Company, P.Lc. | Optical switch |
| RU2107318C1 (en) * | 1996-04-09 | 1998-03-20 | Фикрет Гаджиевич Геокчаев | Multichannel fibre-optical commutator |
| CA2676868A1 (en) * | 2008-08-27 | 2010-02-27 | Maged E. Beshai | Time-coherent global network |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| МАКСИМОВ Н.В. АРХИТЕКТУРА ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. - М.: ФОРУМ - ИНФРА-М, 2005, с.316-317. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014065717A2 (en) * | 2012-10-24 | 2014-05-01 | Kompanets Igor Nikolaevich | Nxn optical switching method and multi-channel switch |
| WO2014065717A3 (en) * | 2012-10-24 | 2014-06-26 | Kompanets Igor Nikolaevich | Nxn optical switching method and multi-channel switch |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010108837A (en) | 2011-09-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Riza et al. | Reconfigurable wavelength add-drop filtering based on a Banyan network topology and ferroelectric liquid crystal fiber-optic switches | |
| US7529442B2 (en) | Polarization-independent electro-optical (EO) switching | |
| US10613412B2 (en) | Light beam deflecting element, wavelength-selective cross-connect device using same, and optical cross-connect device | |
| US6865310B2 (en) | Multi-layer thin film optical waveguide switch | |
| US20030063363A1 (en) | Optical switching network and network node and method of optical switching | |
| US9521474B2 (en) | Wavelength selective switch having multi-layer reflector | |
| US6337931B1 (en) | Effective optical path length compensable optical device | |
| KR101165715B1 (en) | Optical communication device haiving digital optical switch | |
| JP2003207668A (en) | Polarization control circuit and optical circuit using the same | |
| TWI240841B (en) | Scalable and mass-manufacturable OXC using liquid crystal cells | |
| RU2456652C2 (en) | Method of switching n×n optical channels and multichannel switch | |
| JP2002058050A (en) | Optical add/drop switch | |
| RU2504812C2 (en) | Method of switching n×n optical channels and multichannel switch | |
| US6665460B2 (en) | Method and apparatus for selecting signal components from optical signals | |
| RU2491592C2 (en) | Method of switching n×n optical channels and multichannel switch | |
| US7209607B2 (en) | Optical space-switching matrix | |
| Yuan et al. | Optical switches | |
| US6879754B2 (en) | Drop-before-add optical switching and routing system employing grating-based wavelength selective switches | |
| KR20030079741A (en) | Optical cross-connect device | |
| RU2515958C1 (en) | Method of switching nxn optical channels and multichannel switch (versions) | |
| JPH0513289B2 (en) | ||
| WO2005047963A1 (en) | Optical add drop multiplexer device with an electrically switchable bragg grating | |
| JPH09127347A (en) | Wavelength selecting device | |
| US20110109869A1 (en) | Reconfigurable wavelength selective cross-connect switch using liquid crystal cells | |
| US20040071427A1 (en) | Waveguide-grating-based wavelength-intelligent devices |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20130610 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140312 |