Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные методы и устройства оптической коммутации 12
1.1. Метод механической оптической коммутации .13
1.2. Метод электрооптической коммутации .16
1.3. Метод термооптической коммутации 16
1.4. Коммутация на основе полупроводниковых оптических усилителей 18
1.5. Метод интегральной активно-волноводной коммутации 19
1.6. Коммутация на основе использования фотонных кристаллов .21
1.7. Коммутация на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах 24
1.8. Коммутация на матрицах оптоэлектронных вентилей 28
1.9. Метод коммутации на основе использования однонаправленных распределено-связанных волн 29
1.10. Метод акустооптической коммутации 33
1.11. Метод коммутации на основе управляемого эффекта полного внутреннего отражения в электрооптическом материале волноводов .35
1.12. Метод коммутации с использованием оптических волноводов , выполненных из фоторефрактивного материала .38
1.13. Оптическая коммутация на основе использования кремниевой нанофотоники 40
1.14. Выводы к Гл. 1 42
Глава 2. Новый метод параллельной коммутации NxN оптических каналов и возможные пути его реализации 44
2.1. Принцип и схема нового метода параллельной коммутации NxN оптических каналов 45
2.2. Отличия нового метода от коммутационной баньян-сети 47
2.3. Алгоритм переконфигурации коммутатора 49
2.4. Удвоение и адресация каналов 53
2.4.1. Оптические расщепители для выполнения удвоения числа каналов...54
2.4.2. Модуляторы для выполнения адресации каналов 57
2.5. Сборка каналов 62
2.5.1. Возможное применение ячеек полного внутреннего отражения 64
2.5.2. Возможное применение фоторефрактивных волноводов 67
2.6. Выводы к Гл.2 69
Глава 3. Моделирование работы параллельного многоканального коммутатора с ячейками ПВО в волноводных каналах 70
3.1. Схема сборки с обратной связью 70
3.2. Схемы сборки без обратной связи 72
3.2.1. Первая схема сборки без обратной связи 72
3.2.2. Вторая схема сборки без обратной связи 73
3.3. Расположение ячеек ПВО в волноводных каналах 75
3.4. Функциональная схема коммутатора с использованием ячеек ПВО 79
3.5. Оценка возможных технических характеристик 82
3.6. Выводы к Гл. 4 87
Глава 4. Моделирование работы параллельного многоканального коммутатора с волноводными каналами, выполненными из фоторефрактивного материала .89
4.1. Описание принципа работы параллельного многоканального коммутатора с волноводными каналами, выполненными из фоторефрактивного материала ... 89
4.2. Расчет возможных параметров коммутатора 95
4.3. Выводы к Гл. 4 97
Заключение 98
Список условных сокращений 101
Список литературы 102
- Метод коммутации на основе использования однонаправленных распределено-связанных волн
- Удвоение и адресация каналов
- Функциональная схема коммутатора с использованием ячеек ПВО
- Описание принципа работы параллельного многоканального коммутатора с волноводными каналами, выполненными из фоторефрактивного материала
Введение к работе
Неотъемлемой частью информационно-вычислительной системы любой архитектуры и конфигурации является коммутационная сеть, обеспечивающая при высокой производительности направленность данных в потоке информации. Несмотря на существенные успехи в развитии технологии оптических сетей коммутация информационных потоков до некоторого времени включала в себя преобразование оптического сигнала в электрическую форму, выполнение необходимых переключений и обратное преобразование сигнала в оптическую форму. Понятно, что такое двойное преобразование несущей сигнала не является оптимальным.
В последнее время возрос интерес к созданию сверхбыстродействующих и чисто оптических переключателей света. Это вызвано рядом причин. Во-первых, все возрастающими потребностями в сверхбыстрой обработке больших объемов информации в сочетании с необходимостью ее передачи по оптическим линиям связи, а также потребностями в создании суперкомпьютеров. Во-вторых, бурным развитием интегральной, волоконной и нелинейной оптики, которое, с одной стороны, ставит перед исследователями задачу создания принципиально новых сверхбыстродействующих чисто оптических приборов и устройств (в частности оптических транзисторов), а с другой стороны, создает технологическую базу, необходимую для ее решения. В-третьих, принципиальным ограничением на быстродействие электрических и электрооптических переключателей, которое обусловлено тем, что минимальное время переключения в них ограничено процессами заряда-разряда в электрической цепи устройства (значениями емкости, сопротивления и индуктивности этой цепи) и обычно составляет более 0,1-1 нс.
Ранее использовались коммутаторы типа 1xN с электрическим управлением, распределяющие сигнал со входного волокна между несколькими выходными волокнами. В оптических сетях они выполняли функцию
восстановления связи и не позволяли осуществлять динамическое выделение или перераспределение полосы пропускания. Теперь в сетях требуются мощные системы кросс-коммутации типа NxN, выполняющие сложные операции по переконфигурации потока из N оптических сигналов. Способность осуществлять полную неблокируемую коммутацию сигналов становится крайне важной функцией для современных полностью оптических сетей. Поэтому огромную практическую важность приобретают устройства оптической кросс-коммутации, в которых не происходит двойного оптоэлектронного преобразования.
Конечно, для перенаправления нескольких каналов могут использоваться простые оптические переключатели. Однако, они не подходят для сложных сетевых архитектур (кольцевой, ячеистой) с большим количеством узлов и точек доступа, где необходима гибкая быстрая коммутация большого числа каналов.
Поначалу кросс-коммутация оптических сигналов по сути была оптомеханической и выполнялась, к примеру, с помощью крошечных зеркал, размещенных на пути оптического луча. Использование технологии изготовления микрозеркал и технологии создания систем МЭМС (микро-электро-механических систем) позволяет разместить множество коммутирующих линз и микрозеркал вместе с их приводами на одном кремниевом кристалле. Такие устройства могут иметь сотни портов, обладают высокой изоляцией каналов и могут использоваться в широком диапазоне длин волн. Однако, у них есть серьезные недостатки. Прежде всего, это сложность изготовления микрозеркал (они должны иметь близкую к 100% отражательную способность, малую дисперсию и аберрацию) и низкая механическая прочность, приводящая к усталости и выходу из строя отдельных элементов.
В настоящее время с целью разработки устройств кросс-коммутации изучаются возможности применения полностью оптических технологий, использующих электрооптические и термооптические материалы,
полупроводниковые элементы, фотонные и жидкие кристаллы и др. материалы. Однако, опытные образцы устройств на основе этих материалов оказались даже менее успешными, чем выполненные по микрозеркальной технологии.
Постоянно возрастающий спрос на быстрое, надежное и недорогое оборудование для оптической коммутации стимулирует новые научные исследования и разработки в этой области. Анализ показывает, что в дальнейшем развитии коммутаторов необходимо максимально стремиться к созданию полностью оптических сетей. В них все процессы передачи, прима обработки и коммутации сигналов должны происходить на чисто фотонном уровне, без участия электронных процессов и электронных устройств в самом канале передачи информационных сигналов. Кроме того, необходимо предусмотреть максимальную параллельность процесса коммутации при минимальном уровне пересечений каналов (т. е. при отсутствии их взаимной блокировки) и управляющих электрических цепей, а также простую и быструю подготовку коммутатора к работе (настройку).
В соответствии с вышесказанным, целью диссертационной работы являлась разработка полностью оптического метода параллельной коммутации NxN волноводных каналов и исследование возможных путей его реализации.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
Разработка нового метода параллельной кросс-коммутации NхN каналов.
-
Разработка конструктивной схемы кросс-коммутатора оптических сигналов для параллельной коммутации NxN каналов.
-
Разработка алгоритма управления переключением связей входных и выходных каналов коммутатора (его переконфигурации), а также написание программы, реализующей разработанный алгоритм.
-
Исследование материалов и процессов, потенциально приемлемых для реализации нового метода параллельной кросс-коммутации N каналов, включающего указанные в п.п. 1,2,3 схемы и алгоритм.
-
Разработка функциональной схемы коммутации оптических каналов с применением ячеек полного внутреннего отражения и моделирование работы коммутатора на 8х8 каналов.
-
Разработка функциональной схемы коммутации оптических каналов с применением фоторефрактивных волноводов и моделирование работы коммутатора на 8х8 каналов.
-
Оценка возможной конфигурации, функциональных и технических параметров разрабатываемого коммутатора с применением ячеек полного внутреннего отражения и фоторефрактивных материалов в оптических волноводах.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Предложен новый метод параллельной кросс-коммутации NxN каналов с поразрядным, начиная со старшего разряда адреса, управлением процессом настройки и постадийным (к=log2N стадий) прохождением оптических сигналов к заданным адресам, обеспечивающий максимальную параллельность процесса коммутации и отсутствие пересечений управляющих цепей.
-
Впервые предложена конструктивная схема устройства для реализации параллельной коммутации NxN оптических каналов с поразрядным управлением процессом настройки, включающая оптические элементы ввода данных, их удвоения, инверсии и обратной сборки (уплотнения) каналов.
-
Впервые разработан алгоритм управления переключением связей входных и выходных каналов коммутатора (его переконфигурации), а также написана программа, реализующая разработанный алгоритм.
-
На основании анализа материалов и процессов, потенциально приемлемых для сборки каналов, впервые предложены подходящие для ее реализации элементы, обеспечивающие надежную работу коммутатора и простую и быструю его подготовку к работе, а именно: электрооптические ячейки полного внутреннего отражения в оптических волноводах и сами оптические волноводы, выполненные из фоторефрактивного материала.
-
Впервые предложена функциональная схема параллельной коммутации каналов с использованием ячеек полного внутреннего отражения для сборки каналов в оптических волноводах и промоделирована работа коммутатора на 8х8 каналов.
-
Впервые предложена функциональная схема параллельной коммутации каналов с использованием фоторефрактивного материала для сборки каналов в оптических волноводах и промоделирована работа коммутатора на 8х8 каналов.
-
Впервые выполнена оценка возможных параметров разрабатываемого коммутатора с ячейками полного внутреннего отражения и фоторефрактивным материалом в оптических волноводах.
Таким образом, научное значение диссертационной работы состоит в разработке нового метода полностью оптической параллельной коммутации оптических каналов и в предложении двух вариантов реализации коммутатора, соответствующих этому методу и наиболее полно удовлетворяющих требованиям к коммутаторам.
Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что разработанные в ней метод параллельной полностью оптической коммутации с поразрядной настройкой и варианты его реализации служат практической базой для создания эффективного устройства коммутации NxN оптических каналов, отличающегося простотой и надежностью, быстрой настройкой, отсутствием блокировки каналов и пересечений управляющих цепей, возможностью
блочной конструкции коммутатора и наращивания (без принципиальных ограничений) числа коммутируемых каналов.
Это делает возможным применение нового метода и реализуемого на его базе устройства коммутации NxN оптических каналов во многих современных и перспективных системах передачи, приема и перераспределения информационных сигналов, включая телекоммуникационные системы, системы обработки информации и вычисления данных (в том числе суперкомпьютеры), волоконно-оптические и спутниковые системы связи.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Новый метод параллельной коммутации NxN каналов, заключающийся в поразрядном, начиная со старшего разряда адреса, управлении процессом настройки и в постадийном (к=log2N стадий) прохождении оптических сигналов к заданным адресам.
-
Конструктивная схема кросс-коммутатора для реализации параллельной коммутации NxN оптических каналов с поразрядным управлением процессом настройки, включающая оптические элементы ввода данных, их удвоения, инверсии и обратной сборки (уплотнения) каналов.
-
Алгоритм управления переключением связей входных и выходных каналов коммутатора (его переконфигурации), а также программа, реализующая разработанный алгоритм.
-
Функциональная схема коммутации NxN оптических каналов с использованием ячеек полного внутреннего отражения для сборки каналов в оптических волноводах.
-
Функциональная схема коммутации NxN оптических каналов с использованием фоторефрактивных материалов для сборки каналов в оптических волноводах.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на конференциях: на всероссийском заочном конкурсе научных и инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых (МФТИ, Москва, 2012); на X всероссийском молодежном Самарском конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике (СФ ФИАН, Самара, 2012); на всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике (НИЯУ МИФИ, Москва, 2012); на всероссийском конкурсе молодых физиков (ФИАН, Москва, 2010); на научной сессии НИЯУ МИФИ (НИЯУ МИФИ, Москва, 2010); на XIII международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых «Молоджь и наука» (НИЯУ МИФИ, Москва, 2010).
Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано печатных работ: 3 статьи в рецензируемых журналах, указанных в перечне ВАК, 1 - в трудах международных конференций, 3 - в трудах всероссийских конференций, 3 патента РФ на изобретения.
Метод коммутации на основе использования однонаправленных распределено-связанных волн
Основной поток работ, касающихся однонаправленных распределенно-связанных волн (ОРСВ), начался в 1986 году и после 1990г количество публикаций увеличивалось громадными темпами. ОРСВ играют важную роль в оптике, особенно в интегральной [1-3], волоконной [6-8] и нелинейной [4, 11, 12]. Их можно разделить на две группы: с независящим и зависящим от амплитуд коэффициентом связи.
К первой, более обширной группе ОРСВ с независящим от амплитуд волн коэффициентом связи можно отнести: волны в туннельно-связанных-волноводах, в частности, - в туннельно-связанных оптических волноводах (ТСОВ), т.е. в двух параллельных, близко расположенных (на расстоянии d порядка 1-10 мкм) оптических волноводах (рис. 1.11.); волны различных поляризаций в одиночном волноводе с двулучепреломлением или в двулучепреломляющем кристалле; две волны (проходящую и дифрагированную) в периодической структуре; две моды в неоднородном оптическом волноводе и др. [1-3].
В линейном режиме, когда интенсивности волн малы и нелинейностью среды можно пренебречь, между такими волнами, по мере их распространения, происходит периодический (синусоидальный) обмен энергиями (рис. 1.12.). Так, если на вход системы подать одну из волн (назовем ее нулевой), то на некотором расстоянии от входа энергия перекачается в другую волну (назовем ее первой), затем может снова вернуться в нулевую, затем перекачаться в первую и т.д.
Если волны идентичны, т.е. их эффективные показатели преломления одинаковы, то перекачка будет полная (рис. 1.12.а); если же волны не идентичны, т.е. имеют разные эффективные показатели преломления, то перекачка не полная (рис. 1.12.б и рис. 1.12.в). Таким образом, коэффициент передачи мощности каждой волной зависит от разности эффективных показателей преломления волн [1-3].
Отсюда следует, что в нелинейном режиме, когда показатель преломления зависит от интенсивности волны, коэффициент передачи мощности каждой волной должен зависеть от входной интенсивности, т.е. возможна нелинейная передача мощности или нелинейная перекачка.
Зависимость мощности (нормированной на входную, 7} = Iji/Ioo, j = 0, 1) двух ОРСВ (О и 1) от нормированной длины связи L=2izKl/Xfi в линейном режиме; К- коэффициент связи волн, /-длина системы, /?=(/?i+/?o)/2, fij - эффективный показатель преломленияу -й волны Автору работ [30-32] удалось обнаружить интересное, ранее неизвестное явление, которое он назвал самопереключением ОРСВ. Оно заключается в том, что при определенных условиях малая вариация входной интенсивности одной из ОРСВ вызывает рекое изменение соотношения ОРСВ на выходе системы. Изменение мощности каждой волны на выходе может в десятки, сотни, тысячи и даже миллионы раз превышать изменение входной мощности. Ко второй группе ОРСВ можно отнести волны, коэффициент связи которых зависит от их амплитуд. Это, прежде всего, волны на двух или трех различных частотах квдртично-нелинейной среде. К ним относятся и волны при попутном вынужденном омбинационном рассеянии (ВКР). Проведенные исследования позволили предсказать теоретически описать [33] ранее неизвестное явление самопереключения таких ОРСВ, аналогично явлению самопереключению ОРСВ первой группы. На их основании был впервые предложен [34] класс оптических транзисторов и полностью оптических переключателей света. Явление самопереключения ОРСВ весьма сложно многообразно. Существуют различные режимы этого явления, оно может происходить по-разному, иметь различную луину и направление, а крутизна его может отличаться в сотни и тысячи раз (при одной и той же длине системы) в зависимости от начальных условий и параметров системы. Были найдены простые аналитические формулы [31], описывающие самопереключение: условие его возникновения, его крутизну, глубины, характерные точки и т.д. Для создания того или иного устройства следует выбрать соответствующий режим явления самопереключения. Однако, процесс самопереключения между волноводами носит периодических характер - излучение переходит из одного волновода в другой, потом возвращается обратно. В результате на выходе соседних волноводов формируются две противофазные последовательности импульсов. Это свойство полезно при создании, например, оптических мультивибраторов, но никак не коммутаторов, где важно стабильное перемещение оптического потока по волноводу
Акустооптический (АО) эффект наблюдается при взаимодействии оптического сигнала с возмущениями в среде, вызванными акустической волной. Так, при распространении плоской акустической волны в кристалле образуются периодические слои изменения пок азателя преломления, представляющие для падающего света периодическую структуру – дифракционную решетку, движущуюся со скоростью звука . Пройденный через такую среду свет отклоняется на неоднородностях показателя преломления на угол, зависящий от периода дифракционной решетки, который, в свою очередь, пропорционален частоте распространения звуковой волны в кристалле . Отклоненный таким образом оптический сигнал коммутируется с матрицей выходных оптических волокон [35].
Описанный ниже метод разрабатывается группой специалистов под руководством Антонова С.Н. во Фрязинском филиале Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН [36]. Ими был детально исследован ранее открытый эффект высокоэффективной многолучевой брэгговской АО дифракции, позволяющий создавать многолучевые оптические поля с малыми суммарными потерями световой мощности и изменяющимся распределением световой мощности между лучами. На этой основе был разработан высокоэффективный метод, обеспечивающий достижения заданного распределения э нергии света в многолучевом дифракционном поле. Метод основан на выборе оптимальной геометрии АО взаимодействия в анизотропной кристаллической среде и вида многочастотного управляющего сигнала с определёнными амплитудно-фазовыми соотношениями спектральных компонент. Как утверждают авторы изобретения, в отличие от известных, данный метод всегда обеспечивает минимальные потери света (порядка нескольких процентов), значительное увеличение числа выходных волокон и высокую скорость функциональной перестройки (время переключения порядка нескольких микросекунд).
Данный метод использован для создания коммутатора пространственно-разделённых олоконно-оптических каналов связи. В таких коммутаторах лазерный луч из одного входного волоконного канала в результате АО дифракции на акустических волнах разных частот расщепляется на множество лучей, каждый из которых несет в себе заданную долю энергии входного луча и направляется в предназначенное ему одно из многих выходных волокон.
Удвоение и адресация каналов
Удвоение числа каналов предлагается осуществить с помощью оптического расщепителя, а разделение их по 0 и 1 - с помощью инверсного оптического фильтра [54].
Пример реализации операции удвоения и адресации информационных каналов с помощью оптических кубов и линеек модуляторов В качестве оптических расщепителей можно использовать полупрозрачные пластины и оптические кубы, составленные из двух призм (1 и 1” на рисунке 2.7.). Пары линеек модуляторов (2 и 2” на рисунке 2.7.), одна из которых всегда является инвертором, т. е. задаёт не единичные, а нулевые разряды адресов, могут быть выполнены на основе электрооптических кристаллов. Включая те или иные модуляторы, можно избирательно пропускать свет, осуществляя тем самым адресацию сигналов.
Кубические расщепители составлены из одинаковых прямоугольных призм (рис. 2.8.). Поверхность гипотенузы одной из призм покрыта металлическим диэлектрическим слоем и две призмы склеены друг с другом, так что они образуют форму куба.
Кубические расщепители обладают следующими достоинствами: простая интеграция при угле падения 0, отсутствие сдвига пучка, одинаковая длина пути отраженного и проходящего пучка, сокращение оптического пути системы. К их недостаткам можно отнести: тяжелая твердая стеклянная конструкция, сложно и более дорого изготовить в большем размере.
Для примера на рисунке 2.9. приведены технические характеристики и стоимость одного из видов кубического расщепителя [55].
Расщепители – пластины обычно состоят из тонкой, плоской стеклянной пластины, которая имеет покрытие первой поверхности подложки (рис. 2.10.).
Большинство расщепителей - пластин имеют антиотражающее покрытие на второй поверхности для избавления от нежелательных отражений Френеля. Расщепители - пластины, как правило, изготавливаются для угла падения 45. Для подложек с коэффициентом преломления 1,5 и углом падения 45 сдвиг пучка d примерно равняется 0,329t (рис. 2.10.).
Достоинства расщепителей - пластин таковы: лёгкость, достаточно недорогие, легко изготовить большем размере. Их недостатки: пути отраженного и проходящего пучков разной длины, сдвиг пучка проходящего света, угол падения 45 может потребовать дополнительного времени для регулировки.
Для выполнения адресации сигналов можно использовать электрооптические модуляторы, использующие зависимость оптических характеристик среды, например показателя преломления и/или поляризации света, от распределения связанных зарядов (электронов и ионов) в среде. Под действием приложенного электрического поля распределение зарядов меняется, что приводит к изменению так называемого эллипсоида показателей преломления и состояния поляризации [56].
Электрооптический линейный эффект Поккельса возникает в средах, не имеющих центральной симметрии. На практике он проявляется во вращении плоскости поляризации входной световой волны при приложении напряжения к кристаллу, по причине изменения в кристалле показателей преломления по направлениям осей х и у (т.е. по причине изменения эллипсоида показателей преломления). Для некоторых кристаллов (например, ниобата лития) этот поворот может достигать 90 в зависимости от приложенного напряжения. Такой кристалл (ячейка Поккельса — ЯП), помещенный между двумя поляризационными фильтрами (линейным поляризатором и анализатором) с углом в 90 между их плоскостями поляризации (рис. 2.11.), является основой модулятора. При отсутствии напряжения на ЯП плоскость поляризации луча дополнительно не вращается и световой луч, плоскополяризованный линейным поляризатором на входе, не проходит через анализатор на выход модулятора. При максимальном напряжении на ЯП о на будет поворачив ать плоскость поляри изаци и э практ т ически на 90 вправо, плоскости поляризации луча на выхо оде ячейки и анализатора совпадут, обеспечивая полное прохождение входного луча на выход модулятора.
Таким обра зом, ЯП поз воляет модулировать све етовую волну по интенсивности п путем амплитудной модуляции и напряжения, подаваемого на эту ячейку. Ча астота модуляцр ии о может превышать 10 ГГц, глубина модуляцо ии с достигает 99,9%.
Функциональная схема коммутатора с использованием ячеек ПВО
На рисунке 3.8. показана функциональная схема многоканального кросс-коммутатора с 8х8 каналами в а - исходном (каналы не скоммутированы) и в б -конечном состояниях (коммутация каналов завершена, и по ним распространяется информационный световой поток). Коммутатор содержит оптические затворы 3, выполненные на основе модуляторов света , являющиеся входными портами коммутатора; полупрозрачные кубы 1 , 1”, 1” , составленные из двух призм, используемые для удвоения сигналов; 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 подает различные, заранее запрограммированные комбинации управляющих сигналов на электроды (а и б на рис. 3.2.) или на МИС (рис. 3.3.), которые в свою очередь включают соответствующие ячейки ПВО (на рисунке 3.8. б они окрашены в зеленый цвет). Выходящие скоммутированные потоки обозначены на рисунке цифрой 6.
Оценим, сколько ячеек ПВО необходимо для реализации задачи в 8-, 16-, 32-, 64- и 128- канальном коммутаторе. Эти данные потребуются для оценки технологической сложности и стоимости разрабатываемого коммутатора.
Количество ячеек ПВО в блоке XZ рассчитывалось как разница между XO -общим количеством ячеек ПВО, которые м огли бы присутствовать из соображений симметрии, и XH - количеством ячеек ПВО, которые можно убрать за ненадобностью.
Например, рассмотрим 4 - , 8 - , и 16 - канальные блоки (рис. 3.9. а , б, в соответственно).
Для 4-канального блока (Z=4) всего требуется 6 пар ячеек, т.е. Х0=6 2; для 8-канального блока (Z=8) Х0=28 2; для 16-канального блока (Z=16) Хо=120 2. И Х0 можно выразить следующей формулой:
Х0={количество пар ячеек по вертикали} х {количество ячеек по горизонтали} (1)
Для расчета Хн (на рисунке 3.9. эти ячейки закрашены в розовый цвет) можно мысленно поделить все ячейки на две равные половины (верхнюю и нижнюю), и тогда Хн будут составлять половину от верхней половинки, если считать только целые пары ячеек ПВО. Для понимания эта доля ячеек была выделена другим цветом. Общее количество ячеек верхней половине рассчитывается по тому же принципу, как и Х0:
Общее количество ячеек ПВО по всей длине прямолинейного волновода для целого устройства (Y) рассчитывалось, исходя из количества ячеек в каждом блоке и количества таких блоков. Например, в 8-канальном коммутаторе будет два 8-канальных и четыре 4-канальных блока; в 16-канальном коммутаторе будет два 16-канальных, четыре 8-канальных и восемь 4-канальных блока и т.д.
Из расчётов видно, что количество ячеек значительно увеличивается с ростом ёмкости устройства (ростом N).
Теперь следует рассчитать максимальное количество ячеек ПВО M, через которые проходит световой поток в 8-, 16-, 32-, 64- и 128- канальном коммутаторе. Этот расчёт необходим для выяснения возможных оптических потерь устройстве, когда для него будут подобраны конкретные комплектующие.
Сумма в скобках – это не что иное, как сумма бесконечно убывающей геометрической прогрессии со знаменателем q=1/2 и первым членом b1=1, для которой известна следующая формула:Соответственно, можно считать, что интенсивность света упадет в 6т, 14т, 30т, 62т и 126т раз (для 8-, 16-, 32-, 64- и 128- канального коммутатора), где т-это потеря света в одной ячейке ПВО. Вследствие нарастающих потерь света в соединениях необходимо предусматривать усиление оптических сигналов помощью компактных полупроводников или волоконных лазеров и согласующих элементов, как это делается в волоконно-оптических линиях связи среднего и дальнего диапазона.
Для оценки быстродействия необходимо учесть, с какой скоростью возможна подача управляющих сигналов, и с какой скоростью система успевает на эти сигналы реагировать. Максимально мощный на сегодняшний момент процессор обладает частотой 5 ГГц, т.е. управляющие сигналы можно подавать со скоростью 10 секунд. Здесь следует отметить, что есть 2 варианта подачи управляющих сигналов. В первом компьютер каждый раз по составленному алгоритму вычисляет, какие узлы системы, в зависимости от входных и заданных адресов, должны быть включены. Во втором варианте компьютер по этому же алгоритму заранее рассчитает все возможные комбинации и во время работы будет только обращаться к полученной базе данных. Какой из этих вариантов более оптимальный, пока трудно сказать.
В самой системе коммутатора быстродействие зависит от скорости двух процессов - адресации (модуляторов) и сборки (каналов). Для адресации можно использовать графеновые модуляторы или ячейки Поккельса - и те и другие могут работать с высокой скоростью (до 10 секунды). Для сборки могут быть использованы ячейки ПВО из ниобата лития или арсенида галлия - это те же 10 секунды. Следовательно, ограничивающим фактором пока является частота процессора, и предположительно скорость коммутации составит 10 секунды. В настоящее время такая орость коммутации достигнута только в электрооптических коммутаторах. Но электрооптические коммутаторы реализованы для малого количества коммутируемых каналов: 2x2 и 4x4. Поэтому возможность получить скорость коммутации 10 секунды для коммутатора 128x128 является большим достижением.
Описание принципа работы параллельного многоканального коммутатора с волноводными каналами, выполненными из фоторефрактивного материала
На рисунке 2.10. была приведена использованная в модели схема чисто оптического управления переключением соседних каналов для перекачки потока оптической информации из одного канала в другой. С этой целью сами каналы изготавливаются из фоторефрактивного материала. В данном случае: - для перевода сигналов из волновода в волновод при сборке (уплотнении) каналов используются оптические сигналы от источника оптического излучения, к которому чувствительны переключаемые соединения волноводных каналов; - переключаемые соединения волноводных каналов определяются с помощью компьютера по входным и заданным адресам, и по результату вычислений с помощью ПВМС формируются световые пучки, согласованные по своей структуре с местами переключаемых соединений волноводных каналов; - благодаря фоторефрактивному эффекту световыми пучками от ПВМС изменяется коэффициент преломления материала соединений волноводов, что обеспечивает отклонение информационных сигналов в нужный волновод; - для упрощения задания конфигурации оптических сигналов от ПВМС, необходимой для возбуждения фоторефрактивных волноводов, вводится голографический оптический элемент (ГОЭ), который может быть выполнен из фоторефрактивных кристаллов, халькогенидных стекол и галоидо-серебряных и др. материалов с высокой дифракционной эффективностью, не чувствительных к управляющему оптическому излучению. Кроме того, ГОЭ может быт заменен пространственной маской, если используется излучение не лазеров, а например, светодиодов или ламп;
- переключение оптических каналов в фоторефрактивных волноводах выполняется параллельно и одновременно для всех разрядов адресов путем одновременного освещения с помощью ПВМС тех соединений, где на стадии сборки требуется перевод информационных потоков из канала в канал.
Важно, что места приложения и конфигурация оптических управляющих сигналов легко просчитываются при поступлении адресных данных и тут же задаются на ПВМС, так что реализация оптического управления не требует элементов обратной связи и выполняется сразу для всех разрядов.
Функциональная схема многоканального коммутатора с 8x8 каналами в исходном (каналы не скоммутированы), промежуточном (осуществляется адресация и сборка каналов) и в конечном (коммутация каналов завершена, и по ним распространяется информационный световой поток) состояниях представлена на рис. 4.1. а, б, в соответственно [66]. Такой коммутатор состоит из оптических затворов 1, выполненных на основе модуляторов света, являющихся входными портами коммутатора; полупрозрачных кубов 2 , 2”, 2” , составленных из двух призм, используемых для удвоения сигналов; линеек модуляторов 3 , 3”, 3” , используемых для адресации сигналов; фоторефрактивных волноводов 4 , 4”. На рисунке также показаны соединения фоторефрактивных волноводов 5 , 5”, где под действием оптического сигналов 8 , 8” от ПВМС 6 , 6” изменяется коэффициент преломления материала, вследствие его информационный оптический поток переходит в соседний открытый волновод и распространяется по нему. Для каждой комбинации световых пучков на вход ПВМС подаются различные, заранее запрограммированные комбинации управляющих сигналов. ГОЭ 7 , 7” нужны здесь для задания нужной конфигурации оптических сигналов, сформированных в ПВМС. Входящие и выходящие коммутируемые потоки обозначены на рисунке цифрами 9 и 9”.
