Содержание к диссертации
Введение
1. Современные технологии коммутационных систем без оптоэлектронного преобразования для волоконно-оптических сетей передачи информации 16
1.1. Коммутационные схемы на основе оптических волноводных структур 20
1.2. Коммутационные схемы с открытым каналом 28
1.3. Технологии оптического мультиплексирования с разделением по длине волны 36
2. Общие вопросы построения акустооптического коммутатора 40
2.1. Акустооптическое взаимодействие в дефлекторах оптического излучения 40
2.2. Характеристики оптического волокна, учитываемые при построении акустооптического коммутатора 47
2.3. Исследование влияния дифракционных эффектов и затухания акустической волны на характеристики акустооптического коммутатора 50
2.4. Исследование влияния нестабильности частоты генератора электрического сигнала на характеристики акустооптического коммутатора 63
2.5. Выводы 70
3. Исследование акустооптического коммутатора на основе изотропной дифракции 72
3.1. Определение характеристик коммутатора на основе акустооптиче-ской ячейки со сплошным пьезопреобразователем 72
3.2. Применение сканируемого акустического поля для улучшения характеристик коммутатора 83
3.3. Анализ характеристик акустооптического коммутатора с динамической селекцией длин волн 97
3.4. Выводы 101
4. Исследование акустооптического коммутатора на основе анизотропной дифракции 105
4.1. Определение характеристик коммутатора на основе акустооптического дефлектора, применяющего анизотропную дифракцию 105
4.2. Исследование влияния двукратного брэгговского рассеяния света на характеристики акустооптического коммутатора 115
4.3. Выводы 134
5. Исследование акустооптического коммутатора на основе двухкоординатного дефлектора 136
5.1. Уменьшение потерь в коммутаторе путем максимизации показателя качества при дифракции на двух перпендикулярных акустических волнах 138
5.2. Увеличение емкости коммутатора, выполненного на основе кристалла парателлурита 150
5.3. Выводы 153
Заключение 155
Литература 158
- Коммутационные схемы на основе оптических волноводных структур
- Акустооптическое взаимодействие в дефлекторах оптического излучения
- Определение характеристик коммутатора на основе акустооптиче-ской ячейки со сплошным пьезопреобразователем
- Определение характеристик коммутатора на основе акустооптического дефлектора, применяющего анизотропную дифракцию
Введение к работе
Актуальность темы
Оптическое волокно в настоящее время считается самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам. Достоинства использования оптических волокон для передачи данных заключаются в огромной полосе, электрической изоляции между передатчиком и приемником, защищенности от электромагнитных помех и пробоев, низкой стоимости эксплуатации, маленькой массе и размерах, хороших механических свойствах и слабом искажении и дисперсии сигнала. Скорость современных волоконно-оптических сетей достигает 10 Гбит/с, и, по мнению специалистов, в ближайшее время она возрастет до 50 Гбит/с. Согласно прогнозам фирмы AT&T [16], в конечном итоге в домах появятся интерфейсы волоконно-оптических сетей, и тогда звуковые, видеоустройства и компьютеры можно будет подключить к единой сети. Современные широкополосные технологии пробуждают у потребителей интерес к виртуальной реальности, высококачественному видео и другим видам мультимедиа-информации, доступным только по волоконно-оптическим каналам [76].
К сожалению, сети, основанные на оптоволокне, не могут быть мобильными. Это их самый существенный недостаток, который в условиях всепроникающей мобильной среды и роста беспроводных сетей становится все более значительным. Однако вопрос о том, на какую из технологий корпоративный мир возлагает большие надежды, не ставится, поскольку каждый тип связи выполняет свою функцию. Конечно, разработка, выпуск и установка оптоволоконного оборудования - дорогостоящий процесс. Тем не менее, крупнейшие телекоммуникационные организации считают целесообразным финансировать проекты, использующие экспериментальные технологии и не имеющие коммерческий характер [77].
4 Исследования показывают, что индустрия оптоволоконных сетей в течение нескольких следующих лет столкнется с кардинальными изменениями, основной движущей силой которых станут растущие требования к общей пропускной способности сетей [46]. Трафик стандартной корпоративной сети на 80% проходит вне локальной сети и напрямую выходит в Интернет, тогда как несколько лет назад эта цифра составляла 20%. Объем данных передаваемых через Интернет, растет в среднем на 400% в год и существенно опережает среднегодовые темпы роста голосового трафика
[4].
По мере того, как потребности в пропускной способности продолжают расти и способность производить больше, чем того требует спрос для базовой сети (core network), снижается, владельцы сетей и поставщики услуг проявляют все больший интерес к оборудованию для базовой оптической сети нового поколения. Исследования показывают, что прозрачные базовые сети позволят сохранить значительные объемы капитальных вложений и текущие расходы [59].
Согласно мнению специалистов, в частности, международной исследовательской группы Communications Industry Researches (CIR), сейчас наблюдается развитие телекоммуникаций в сторону «сплошных оптоволоконных сетей» {All-Optical Networks). Об этом свидетельствуют такие факты, как переход к применению оптических усилителей для волоконно-оптических линий, развитие технологий PON {Passive Optical Network) и WDM {Wavelength Division Multiplexing).
Суть WDM - метода волнового мультиплексирования (или мультиплексирования с разделением по длине волны) заключается в объединении нескольких оптических несущих Лі (мультиплексировании) и передаче полученного сигнала 2Д, по одному волокну с последующим выделением (демультиплексированием) отдельных несущих [17, 20]. Существенным преимуществом технологии WDM является возможность ис-
ATM IP
SDH/SONET
Физический уровень Оптическая среда передачи
Рис. 1. Модель взаимодействия основных транспортных технологий: до внедрения технологии WDM (а) и после внедрения WDM (б)
пользования с большей производительностью уже проложенный волоконно-оптический кабель и стандартную аппаратуру временного мультиплексирования. В настоящее время уже решена задача мультиплексирования сотен каналов в одном световоде. С теоретической точки зрения для WDM-систем не важно, какие методы используются для кодирования и формирования конкретного цифрового сигнала. На практике же в этих системах, как правило, передается однотипный трафик, что диктуется используемым методом синхронизации и требованием единообразия процесса обработки.
До появления WDM-систем многоуровневая модель взаимодействия технологий транспортировки сигнала в глобальных цифровых сетях -SDH/SONET, ATM и IP (без учета возможности переноса IP-трафика через ATM-магистрали) имела вид, представленный на рис. 1а [31]. Она состояла из трех уровней; для транспортировки трафика сетевого уровня (ATM, IP) через оптическую среду его пакеты инкапсулировались в модули STM-N/STS-n, которые, используя физический интерфейс технологии SDH/SONET, могли попасть в оптическую среду передачи. Созданием технологий инкапсуляции ячеек ATM, например, в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH) или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET) занимались соответствующие подкомитеты по стандартизации в составе ANSI, ISO, ITU-T и ETSI, разрабатывая стандарты на эти технологии.
После появления WDM-систем модель приобрела вид, показанный на рис. 16. Теперь в нее входят три или четыре уровня. Промежуточный уровень WDM, подобно SDH/SONET позволяет выйти на оптическую среду передачи не только технологиям SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP.
Волновое мультиплексирование используется уже более десяти лет и первоначально было направлено на объединение двух несущих (1310 и 1550 нм) в одном оптоволокне, что позволяло удвоить емкость системы. В настоящее время разработчики проявляют наибольший интерес к системам с мультиплексированием по длине волны высокой плотности — Dense WDM {DWDM) [10]. При использовании технологии DWDM разнесение каналов составляет 100 ГГц. Международный союз электросвязи (ITU-T) стандартизовал номинальный ряд несущих в системах DWDM - канальный план, выпустив стандарт ITU-T Rec. G.692 [31]. Технология DWDM позволяет добиться пропускной способности 10-20 Тбит/с на каждый световод и значительно снижает стоимость передачи большого объема данных, что является особенно актуальным в базовых сетях. В некоторых коммерческих системах каналы упакованы еще плотнее, с промежутками между ними шириной 50 ГГц, а разработчиками рассматриваются даже варианты с величиной промежутка 25 ГГц. Однако такое плотное мультиплексирование пока считается слишком дорогостоящим.
Появление волокон с расширенным окном прозрачности True Wave, а затем AllWave [45] вызвало к жизни технологию с промежутком между каналами более 200 ГГц. Эта технология известна как мультиплексирование, использующее расширенный оптический спектр для передачи информации (Wide-Wavelength-Division Multiplexing - WWDM) или мультиплексирование по длине волны с большим шагом - Coarse WDM (CWDM). Спектральные каналы теперь разносятся по всем окнам прозрачности волокна, за счет чего падают требования к стабильности частоты излучения лазеров (в частности, можно обойтись без термостатирования) и к характеристикам других элементов системы. Падает и цена: в Интернете можно найти упо-
Источники данных
Оптические , усилители
^П^П ^^П^
Волновой мультиплексор
Приемники данных
Демультиплексор
Рис. 2. Организация потока данных в WDM
минания о стоимости узла на уровне 10-12 тыс. долларов. А проблема отсутствия достаточно широкополосных оптических усилителей решается очень просто - их просто не используют. Область применения Coarse WDM ограничена пока городскими сетями и линиями длиной 40-50 км.
В настоящее время поток WDM часто организуется по топологии «точка-точка» [59] (см. рис. 2). Свет с разными длинами волн объединяется и передается по одной оптической линии. Усилители обеспечивают непрерывность сигнала, который, в конце концов, разделяется демультиплексо-ром. Древовидную топологию «точка-множество точек» предполагается ввести при использовании технологии WDM в сетях PON, в последние годы получивших распространение.
Технология PON (passive optical network) предполагает подключение конечных адресатов к магистральной сети посредством пассивных оптических разветвителей [21]. В центральном офисе устанавливается центральный узел (OLT - optical line terminal). Это устройство принимает данные со стороны магистральных сетей через интерфейсы SNI (service node interfaces) и формирует нисходящий поток к абонентским узлам (прямой поток) по дереву PON. Абонентский узел ONT (optical network terminal) имеет, с одной стороны, абонентские интерфейсы, а с другой, - интерфейс для подключения к дереву PON.
Оптический
линейный терминал
(OLT)
Оптический сетевой терминал (ONT)
Рис. 3. Система PON с волновым мультиплексированием (WDM)
В освоенных сетях PON передача ведется на длине волны 1310 нм, а прием - на длине волны 1550 нм. ONT принимает данные от OLT, конвертирует их и передает абонентам через абонентские интерфейсы UNI (user network interfaces). Оптический разветвитель - это пассивный оптический многополюсник, не требующий питания и обслуживания. Он распределяет поток оптического излучения в одном направлении и объединяет несколько потоков в обратном направлении. В общем случае у разветвителя может быть М входных и N выходных портов. В сетях PON наиболее часто используют разветвители \xN с одним входным портом. В сетях PON с мультиплексированием WDM каждому абоненту выделяется своя длина волны (см. рис. 3) [19].
Технология PON позволяет экономить на кабельной инфраструктуре за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, так как на участке от центрального узла до разветвителя используется всего
одно волокно.
Были созданы достаточно эффективные пассивные оптические устройства - мультиплексоры и демультиплексоры, которые позволяют объединять и разделять спектральные составляющие при передаче и приеме
оптических потоков данных. Однако любая более сложная обработка трафика в волоконно-оптических сетях осуществляется в основном на двух уровнях: оптическом и электрическом. Коммутаторы содержат оптические фильтры, оптические конверторы, перестраиваемые лазерные источники и электронные кросс-коммутаторы, в результате их схема существенно усложняется. Подобные коммутаторы называются непрозрачными или ОЕО-(optical-electrical-optical) коммутаторами. Поскольку сигнал в них преобразуется в электрическую форму, они могут извлекать служебную сетевую информацию и восстанавливать сигнал. На сегодняшний день ни одна из этих функций не может быть выполнена исключительно оптическими средствами.
Замена электронного ядра коммутатора оптическим сопряжена с отказом от многих важных функций. Хотя сегодняшние достижения оптики обеспечивают максимальные значения "голой" производительности, эти технологии еще не позволяют измерять характеристики трафика. Так, представители фирмы Cisco Systems видят основную сложность в том, как реализовать в оптическом ядре средства обеспечения гарантированного уровня качества обслуживания (QOS, quality of service) и функции безопасности. Поэтому для манипулирования потоками данных и их анализа приходится переводить сигнал в электронную форму [10].
Вместе с тем, некоторые функции динамического управления оптическим трафиком уже сейчас могут осуществляться на основе полностью оптических компонент. Преимущества оптических или ООО- (optical-optical-optical) коммутаторов заключаются в прозрачности для любых скоростей передачи и любых протоколов, поэтому для поддержки любого вида трафика им вполне достаточно иметь всего один интерфейс. Кроме того, они позволяют избежать высоких расходов, связанных с преобразованием сигналов из оптической формы в электрическую и наоборот. Все это делает оптические коммутаторы весьма подходящими для использования в центральной части сетей в качестве оптических кросс-соединителей, которые
10 размещаются в местах критических соединений в пределах центральной части сети, коммутируя из одного порта в другой всю полосу пропускания волоконно-оптического кабеля. Кроме того, оптические коммутаторы могут производить коммутацию на основе информации о длинах волн несущих, мультиплексированных в одном волокне. Введение новых услуг, основанных на динамическом перераспределении длин волн, обещает способствовать глобальному распространению новых приложений, требовательных к полосе [72, 77].
Фактически, и коммутатор О-О-О, и интеллектуальный коммутатор О-Е-О имеют свое место в сети. По мнению многих отраслевых обозревателей, скорее всего в дальнейшем ассортимент сетевого оборудования будет включать как полностью оптические модели, так и оптические коммутаторы с электронным ядром [46, 47, 51, 54, 76]. Поставщики услуг, стремящиеся к успешной конкуренции, имели бы наибольшие преимущества при выгодном сочетании коммутаторов обоих типов.
Сформировался ряд требований, предъявляемых к оптическим коммутаторам [57]. Так как современные сети с WDM ориентированы на соединение, один из оптических каналов должен выполнять функцию сигнализации, а в оптических коммутаторах должны использоваться процедуры установления и разрыва соединений [39]. Также, оптические коммутаторы должны иметь наименьшие вносимые потери, время переключения, перекрестные помехи. Оптические коммутаторы характеризуются емкостью -количеством входных и выходных волокон, которое стремятся получить максимальным. Технология должна быть хорошо проработана, чтобы снизить риск при ее внедрении. Одной из известных технологий, которая дает возможность управления оптическим излучением и может удовлетворить требованиям, предъявляемым к оптическим коммутаторам, является аку-стооптика. Таким образом, исследование оптических коммутаторов на основе акустооптической (АО) технологии представляется актуальным.
11 Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является повышение эффективности оптических коммутационных систем, предназначенных для волоконно-оптических сетей передачи информации, за счет использования особенностей и достоинств акустооптического (АО) брэгговского взаимодействия.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Исследование влияния дифракционных эффектов, затухания акустической волны в АО-ячейке и нестабильности частоты управляющего сигнала на характеристики коммутационной системы.
Сравнительный анализ характеристик оптических коммутационных систем на основе однокоординатных дефлекторов, использующих различные виды АО брэгговского взаимодействия.
Выбор критериев качества и оценка структурных возможностей на основе выбранных критериев для коммутационных систем на основе АО двухкоординатных дефлекторов.
Методы исследований
В диссертационной работе использовались математический аппарат теории АО-взаимодействия, аналитические и численные методы математического моделирования, методы теории вероятности и математической статистики. Основные теоретические положения работы сопоставляются с результатами экспериментальных исследований. Научная новизна
Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. На основе исследованных зависимостей величины оптических потерь от значений затухания акустической волны и апертуры АО-ячейки предложены меры, совместное применение которых позволяет минимизировать информационные потери в оптической коммутационной системе.
Определена функциональная зависимость шага расположения волокон, при котором перекрестные помехи в соседних каналах передачи информации не превышают заданную величину, от акустического затухания и апертуры АО-ячейки.
Определена функциональная зависимость информационных потерь в коммутационной системе от протяженности энергетического спектра, центральной рабочей частоты и нестабильности частоты генератора, на основе которой сформулированы требования к характеристикам генератора управляющего сигнала.
Показано, что для улучшения информационных характеристик коммутационной системы на основе АО-ячейки с пьезопреобразователем в виде решетки с противофазным возбуждением достаточно использовать минимальное количество элементарных излучателей.
Определена геометрия анизотропного АО-взаимодействия, при которой двукратная брэгговская дифракция не оказывает влияния на частотную характеристику и найдены направления, при которых могут быть получены больший показатель качества и меньшее акустическое затухание, что позволяет снизить информационные потери в оптической коммутационной системе.
Определены режимы дифракции света на двух акустических волнах, позволяющие достигнуть минимальные информационные потери и увеличить емкость оптической коммутационной системы в случаях фиксированной или произвольной поляризации света.
Практическая ценность
Практическая ценность диссертационной работы заключаются в следующем: 1. Разработан метод расчета потерь в оптическом блоке коммутатора
вследствие влияния затухания акустической волны и ограниченной
апертуры АО-ячейки.
Разработан метод расчета параметров дефлектора с АО-ячейкой со сплошным пьезопреобразователем на основе требований емкости, потерь и времени переключения, задаваемых при проектировании оптического коммутатора.
Получена аналитическая зависимость между параметрами геометрии взаимодействия и значениями неравномерности частотной характеристики при отсутствии двукратного брэгговского рассеяния, углов дифракции и полосы рабочих частот дефлектора.
Разработан метод расчета влияния двукратной брэгговской дифракции на частотную характеристику в произвольном сечении кристалла, который подтвержден экспериментально.
Разработан метод расчета параметров оптического коммутатора с динамической селекцией длин волн, построенного на основе одноканального АО-дефлектора.
Определенные режимы дифракции света на двух акустических волнах, позволяющие получить высокую эффективность дифракции в кросс-порядке и увеличить емкость коммутационной системы, были использованы для реализации двухкоординатного АО-дефлектора, входящего в состав коммутационной системы.
Основные положения, выносимые на защиту
Оптимизация структуры оптического блока коммутационной системы с целью уменьшения информационных потерь и перекрестных помех, возникающих вследствие влияния дифракционных эффектов и затухания акустической волны в АО-ячейке.
Функциональная зависимость информационных потерь в оптической коммутационной системе от характеристик генератора управляющего сигнала.
Методы расчета параметров однокоординатных дефлекторов, использующих различные виды АО брэгговского взаимодействия, для оценки
14 достижимых информационных характеристик оптических коммутационных систем. 4. Оптимизация информационных характеристик в оптических коммутационных системах за счет применения эффективных режимов АО-взаимодействия в двухкоординатных дефлекторах. Публикации и апробация работы
Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в 9 печатных работах. Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, докладывались на международных конференциях: Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems, 2000 и 2003 гг., Lasers for measurements and information transfer, 2003 г. Исследования были поддержаны грантами: грант Министерства Образования РФ при поддержке комитета по науке и высшей школе Санкт-Петербурга 2002 года №М02-3.9К-130, грант Министерства Образования РФ 2003 года ГР 01200306646 «Поиск и исследование материалов для задач акустического управления оптическим излучением», грант Министерства Образования РФ 2004 года ГР 01200402554 «Разработка акустооптического коммутатора для волоконно-оптических сетей связи». Структура работы
Первая глава посвящена классификации и обзору известных коммутационных систем без оптоэлектронного преобразования для волоконно-оптических сетей передачи информации. Рассматриваются коммутационные схемы оптических кросс-коммутаторов на основе волно-водных структур и использующие открытый канал. Приводятся результаты исследований в области построения многофункциональных устройств, обеспечивающих ввод-вывод и коммутацию компонентных потоков данных в системах с WDM.
Во второй главе рассматриваются общие вопросы построения АО-коммутатора. Производится анализ оптического блока коммутатора с уче-
15 том дифракционных эффектов и затухания акустической волны в АО-ячейке, который позволяет предъявить требования к расположению выходных волокон для удовлетворения требований к уровню перекрестных помех и минимизировать потери света, происходящие в оптическом блоке. Проводится исследование влияния нестабильности частоты генератора электрического сигнала на оптические потери в коммутационной системе на основе вероятностного анализа принципа управления АО-взаимодействием.
В третьей главе исследуются вопросы построения оптического коммутатора на основе одноканального дефлектора с использованием изотропного АО-взаимодействия. Предлагается метод расчета параметров дефлектора с акустооптической ячейкой со сплошным пьезопреобразователем на основе требований к характеристикам коммутатора. Производится оценка эффективности применения АО-ячейки с пьезопреобразователем в виде решетки с противофазным возбуждением для улучшения характеристик АО-коммутатора. Исследуется возможность построения оптического коммутатора с динамической селекцией длин волн на основе одноканального АО-дефлектора.
В четвертой главе проводится исследование анизотропного режима дифракции в произвольных сечениях анизотропного материала на примере парателлурита. Исследуется аналитическая зависимость характеристик АО-дефлектора от геометрии взаимодействия при отсутствии двукратного брэгговского рассеяния. Рассматривается модель, описывающая брэггов-скую дифракцию в произвольном сечении кристалла с учетом двукратного брэгговского рассеяния.
В пятой главе рассматриваются режимы дифракции света в однокристальном двухкоординатном дефлекторе. Исследуются возможности уменьшения потерь и увеличения емкости оптического коммутатора на основе двухкоординатного дефлектора. Исследования проводятся на примере кристаллов фосфида галлия, арсенида галлия и парателлурита.
Коммутационные схемы на основе оптических волноводных структур
Приведенные устройства относят к классу оптических коммутаторов, по мере развития исследований в данном направлении появляются модификации, сочетающие в себе некоторые качества перечисленных разновидностей оптических коммутаторов. В обзоре уделено внимание технологиям и характеристикам коммутационных схем оптических коммутаторов. Вопросы управления оптическими коммутаторами рассматриваются совместно с соответствующей коммутационной схемой. Структура блока сигнализации может быть единообразной для различных коммутационных схем и должна определиться в результате стандартизации метода сигнализации в оптических коммутаторах.
В настоящее время предложено и разработано большое количество различных методов и устройств оптической коммутации. Метод коммутации в оптическом коммутаторе можно отнести к пространственной коммутации, при которой поток данных перемещается из одной линии в другую с сохранением порядка следования данных.
Рассмотрение оптических коммутаторов начнем с оптических кросс-коммутаторов, которые зачастую становятся неотъемлемыми элементами более сложных систем оптической коммутации. Коммутационные схемы оптических кросс-коммутаторов условно можно разделить на две большие группы. В первой группе устройств в качестве связи между источниками информации, абонентами, а также отдельными элементами коммутатора используются оптические волноводные структуры: интегральные (полос-коьые) и волоконные оптические световоды. Во второй группе устройств для связи между отдельными элементами используется открытый канал (свободное пространство), а все необходимые оптические преобразования - коллимация, фокусировка оптических пучков и т. д. - выполняются объемными оптическими элементами.
При выборе коммутационной схемы оптического коммутатора для волоконно-оптических сетей передачи информации представляют интерес следующие критерии: обеспечение требуемых технических параметров (число коммутируемых каналов, величина оптических потерь, уровень перекрестных помех, скорость переключения каналов, мощность управляющего сигнала, габариты и вес), возможность технической реализации устройства в целом или отдельных элементов, с помощью которых можно реализовать данное устройство и связанная с уровнем сложности стоимость изделия по сравнению с аналогичными оптическими или электронными устройствами. На данном этапе ведется разработка целого ряда перспективных оптических коммутаторов на основе различных технологий, предназначенных для коммутации потоков данных. Коммутационные схемы на основе оптических волноводных структур Волноводная структура надежно ограничивает световой поток, устойчива к вибрациям и другим влияниям внешней среды. Разработчики надеются, что фотонные чипы со временем станут такими же популярными, как электронные чипы сегодня [64, 74]. Интегральные оптические коммутаторы имеют важные преимущества: незначительный размер, встраиваемость и малую потребляемую мощность. Однако нужно провести еще большую работу перед тем, как эти оптические коммутаторы будут коммерчески доступными. Коммутаторы на основе оптических волноводных структур могут быть выполнены с использованием различных активных оптических элементов: интегральных оптических переключателей, магнитооптических поляризационных модуляторов, полупроводниковых оптических усилителей и т. д. Технология изготовления электрооптических коммутаторов позволяет достаточно легко реализовать переключатели размера 1x2 или 2x2 (см. рис. 1.5) [32, 38]. Коммутаторы такой емкости выпускаются, например, компанией Civcom (Израиль) [81]. Вследствие изменения показателя преломления в одном из плеч под воздействием электромагнитного поля создается сдвиг фазы оптического излучения, приводящее к отклонению излучения от исходного положения в другое направление. Важным преимуществом использования электрооптического эффекта является достигаемая при этом высокая скорость коммутации. Как правило, материалом для электрооптических переключателей служат монокристаллы ниобата лития LiNbOj. Однако создание коммутаторов большей размерности (MxN) сопряжено с трудностями. Такие коммутаторы обычно получают в результате каскадирования базовых переключателей [32]. Большие коммутаторы можно представить в виде упорядоченных наборов входных и выходных портов, связанных коммутируемой сетью связи. Существуют различные архитектуры сетей связи, среди которых матричный кросс-коммутатор является наиболее распространенной схемой. На рис. 1.6 изображена схема матричного кросс-коммутатора размерностью 4x4. Подобные схемы являются неблокируемыми в широком смысле, т. е. не требуют перемаршрутизации при определенных процедурах коммутации, не имеют пересекаемости. Однако их реализация требует наибольшего числа базовых элементов: N , где N - число входных (выходных) каналов, и уровень потерь различается для разных соединений. В настоящее время за рубежом ведется интенсивная разработка коммутационных оптических матриц с размерностью от 4x4 до 32x32 с использованием интегральных электрооптических волноводных переключателей. По опубликованным данным [56] оптические потери на канал в электрооптическом коммутаторе составляют не более 8 дБ, уровень перекрестных помех не превышает 20 дБ. Скорость переключения в таком коммутаторе составляет единицы наносекунд.
Акустооптическое взаимодействие в дефлекторах оптического излучения
В устройстве, названном перестраиваемым оптоэлектронным частотным фильтром (Tunable Optoelectronic-Frequency Filter - TOFF) [64], в основании из ниобата лития расположены три волновода (см. рис. 1.13). Волноводы имеют различную геометрию и поэтому различные постоянные распространения - различные настолько, что даже несмотря на их близкое расположение, фазовое рассогласование препятствует взаимному проникновению любых затухающих волн. Взаимодействие происходит, только когда периодические изменения показателя преломления материала компенсируют различия между волноводами, чтобы создать согласование фаз для данного спектрального диапазона.
Такая «решетка» появляется, когда к области взаимодействия прикладывается электрическое напряжение. Чем сильнее электрическое поле, тем больше амплитуда решетки изменения показателя преломления и тем больше будет эффективность соединения. Чем длиннее решетка, тем более избирательной будет спектральная характеристика.
Чтобы осуществить перестройку по длине волны, показатель преломления одного из двух волноводов, между которыми происходит взаимодействие, должен быть изменен в результате приложенного напряжения. Добавление третьего волновода создает возможность дополнительного разделения спектральной характеристики. Устройство содержит три выхода, имеющих три различные управляемые спектральные характеристики. Это устройство может быть модернизировано до большего количества выходов или коллинеарных волноводов.
Предполагаемые характеристики фильтра, который сейчас находится в стадии разработки, включают перестраиваемую полосу фильтрации от более чем 2000 ГГц до величины, меньшей 100 ГТц; охватывая спектральный диапазон от 1530 до 1560 нм. Требуемое напряжение настройки не превышает 20 В, и время переключения составляет менее 100 пс.
Пока не был найден электрооптический светочувствительный материал, который бы позволил путем облучения зафиксировать периодическую решетку показателя преломления, создающую согласование фаз в фильтре. В этом случае отпадает необходимость регулировать спектральные характеристики фильтра электрическим способом.
Безусловно, на пути реализации этого фильтра возникают проблемы, свойственные всем волноводным устройствам. Их общими недостатками являются потери на стыковку с оптическим волокном и перекрестные помехи из-за переотражений, что приводит к ухудшению отношения сигнал-шум. Кроме того, сложность технологии изготовления фильтра и удовлетворительного управления его спектральной характеристикой приводит к повышению стоимости устройства.
Технология изготовления АО-дефлекторов проще и хорошо разработана по сравнению с технологией, доступной в настоящее время для устройств на основе волноводных структур. Акустооптика обладает избирательностью по длине волны, позволяет производить переконфигурацию за единицы микросекунд, вносит умеренные потери. Поэтому анализ характеристик оптического коммутатора с динамической селекцией длин волн на основе одноканального АО-дефлектора также представляет интерес. 2. Общие вопросы построения акустооптического коммутатора
В главе рассматриваются общие вопросы построения АО-коммутатора. Прежде всего, вводятся важнейшие понятия, необходимые для описания АО-взаимодействия. Приводятся характеристики оптического волокна, которые необходимо учитывать при проектировании оптического блока АО-коммутатора. Производится анализ оптического блока АО-коммутатора с учетом дифракционных эффектов, который позволяет предъявить требования к расположению выходных волокон для удовлетворения требований к уровню перекрестных помех и минимизировать потери света, происходящие на пути от входного волокна к выходному волокну и добавляющиеся к потерям, происходящим в АО-ячейке.
Дифракция света на акустических волнах считается одним из перспективных физических явлений, применяемых для модуляции лазерного излучения, в частности для его отклонения. Под термином «модуляция» понимают процесс изменения одного или нескольких параметров несущей в соответствии с изменениями параметров передаваемого сигнала. Модуляторы направления оптического излучения называют дефлекторами [18]. Аку-стооптический эффект заключается в изменении показателя преломления вещества под действием акустических колебаний среды. При прохождении света через такую слоистую структуру происходит дифракция. Так как периодические слои с отличающимся показателем преломления движутся в среде со скоростью акустической волны, вследствие эффекта Доплера частота дифрагированного света оказывается сдвинутой по отношению к частоте падающего света.
Определение характеристик коммутатора на основе акустооптиче-ской ячейки со сплошным пьезопреобразователем
Основные результаты анализа оптического блока АО-коммутатора с учетом дифракционных эффектов и затухания акустической волны сводятся к следующему: 1. Установлена аналитическая зависимость величины уменьшения амплитуды электрического поля дифрагированной световой волны и смещения максимума распределения амплитуды от величины затухания акустической волны (выражение 2.7). 2. Предложены меры, совместное применение которых позволяет минимизировать потери, возникающие при заданных значениях затухания акустической волны и апертуры АО-ячейки: 2.1. Потери могут быть уменьшены при оптимальном расположении центра оптического пучка на апертуре АО-ячейки (выражение 2.11 и рис. 2.7). 2.2. Потери, вызванные несоответствием распределения дифрагированного света и диаграммы излучения оптического волокна вследствие ограниченной апертуры АО-ячейки и акустического затухания, могут быть уменьшены в результате нахождения оптимального фокусного расстояния выходной Фурье-линзы численным методом (рис. 2.9). Распределение оптического поля в плоскости Фурье выходной линзы описывается выражением 2.15, которое позволяет применять реализованное в математическом пакете быстрое преобразование Фурье. 3. Исследование зависимости величины оптических потерь от значе ний затухания акустической волны и апертуры АО-ячейки (рис. 2.8 и 2.10) показало, что при малом акустическом затухании (а 1) оптические потери зависят от величины апертуры АО-ячейки. При высоком уровне акустического затухания (а 2.3) потери становятся значительными и не могут быть уменьшены путем уве личения апертуры АО-ячейки. 4. Исследована зависимость величины шага расположения волокон, при котором перекрестные помехи не превышают заданную величину, от акустического затухания и апертуры АО-ячейки (рис. 2.11). При слабом затухании нормированное расстояние между волокнами приблизительно линейно зависит от величины апертуры АО-ячейки. При значительном затухании нормированное расстояние между волокнами практически не зависит от апертуры АО-ячейки. Если предъявить требование, чтобы перекрестные помехи не превышали 20 дБ, необходимое расстояние между волокнами достигает величины порядка пяти радиусов поля моды в волокне.
В параграфе 2.4 было проведено исследование влияния нестабильности частоты генератора электрического сигнала на характеристики коммутационной системы на основе вероятностного анализа принципа управления АО-взаимодействием, использующего теорию выбросов случайных процессов [40]. В результате проведенного исследования была определена зависимость средней величины отклонений угла дифракции от параметров устройства. Средняя величина отклонений угла дифракции зависит в равной степени от протяженности энергетического спектра, рабочей частоты и нестабильности частоты генератора. На основе информации о средней величине отклонений угла дифракции могут быть оценены потери, вызванные нестабильностью частоты сигнала автогенератора, и при превышении допустимой величины установлены требования к стабильности частоты генератора управляющего сигнала. 3. Исследование акустооптического коммутатора на основе изотропной дифракции
Из материалов предыдущего раздела следует, что АО-дефлектор может служить основой для построения АО-коммутатора. Наиболее простым и легко реализуемым АО-дефлектором является устройство, в котором используется режим изотропного брэгговского акустооптического взаимодействия. Общие принципы построения АО-дефлектора достаточно широко известны. В настоящем разделе основное внимание уделяется особенностям расчета основных параметров АО-дефлектора, в котором используется изотропное АО-взаимодействие, для создания оптического коммутатора 1хМ, а также исследуются возможности построения на его основе коммутатора NxM.
Определение характеристик коммутатора на основе акусто-оптической ячейки со сплошным пьсзопреобразователем Определение характеристик коммутатора 1хМ Звуковое поле, излучаемое сплошным 1Ш (см. рис. 2.1), должно иметь достаточно большую расходимость, чтобы акустооптическое взаимодействие было эффективным в широком диапазоне частот. Оптический луч в плоскости дифракции падает под некоторым углом к 1111. Так как АО-взаимодействие будет наиболее эффективным на частоте, связанной с углом падения соотношением Брэгга, то угол падения будем называть брэг-говским, а соответствующую частоту - брэгговской. При распространении акустической волны с частотой свет отклоняется из угла вБ в угол 9dl.
Определение характеристик коммутатора на основе акустооптического дефлектора, применяющего анизотропную дифракцию
Так как для упрощения технологии изготовления АО-ячейки желательно уменьшать количество элементарных излучателей, на основе точного выражения для ЧХЭД был проведен анализ, насколько изменяется ЧХЭД при т 4. При дальнейшем уменьшении количества излучателей в центре ЧХЭД появляется недопустимо глубокий провал, поэтому преимущества применения решетки излучателей не используются. Таким образом, количество элементов порядка четырех обеспечивает все преимущества использования дефлектора с фазированной решеткой излучателей, что позволяет максимально уменьшить технологическую сложность реализации дефлектора такого типа. Дальнейшее увеличение количества элементов ПП, когда полная длина ПП и соотношение между параметрами решетки .у//о не меняются, только смещает рабочую полосу в область более высоких частот, но не приводит к дальнейшему ее расширению.
На основании оценочных расчетов можно утверждать, что использование 1111 в виде решетки с противофазным возбуждением соседних элементов, количество которых не менее четырех, при одинаковых прочих условиях позволяет увеличить количество выходных волокон приблизительно в два раза.
Рассмотрена возможность построения АО-коммутатора NxM на основе одноканального АО-дефлектора с решеткой фазированных излучателей. Подобный коммутатор при установлении любого одного соединения будет иметь одинаковые низкие потери. Однако установление более чем одного соединения приведет к увеличению потерь из-за перекрытия поддиапазонов рабочих частот для каждого канала. Чтобы не допустить увеличения потерь, коммутатор NxM должен быть блокируемым, что не отвечает современным требованиям к коммутаторам. Поэтому на основе одноканального АО-дефлектора с решеткой излучателей рекомендуется реализовы-вать коммутатор \xN. Исследование возможности построения коммутатора с динамической селекцией длин волн на основе одноканального АО-дефлектора позволяет сделать следующие выводы: На основе одноканального АО-дефлектора может быть создан оптический коммутатор с динамической селекцией длин волн с тремя (четырьмя) несущими с разносом длин волн в соседних каналах 20 нм. Найдены соотношения, одновременное выполнение которых необходимо для динамического переключения нескольких мультиплексированных длин волн. При добавлении длин волн условия будут выполняться с меньшей точностью, вследствие чего будут увеличиваться потери из-за уменьшения эффективности дифракции на подходящей управляющей частоте и усиления взаимодействия с соседними управляющими частотами. Возможность уменьшения разноса между несущими в оптическом коммутаторе с динамической селекцией длин волн, построенного на основе одноканального АО-дефлектора, ограничена вследствие влияния дифракционных эффектов и затухания акустической волны Определение характеристик коммутатора на основе анизотропной дифракции Анизотропный режим дифракции позволяет достичь высокую эффективность дифракции в более широкой полосе частот по сравнению с изотропным режимом. Поэтому представляет интерес проведение анализа этого режима дифракции в случае построения АО-коммутатора.
В отличие от изотропных сред, где проходящая световая волна может иметь любую поляризацию (линейную, круговую, эллиптическую), в типичной анизотропной среде свет может распространяться только в виде линейно поляризованных волн. Причем в каждом направлении в произвольном случае могут распространяться две линейно поляризованные волны, имеющие одинаковую частоту и одинаковое направление волнового вектора, но отличающиеся скоростью распространения и поляризацией. Скорости различаются, так как каждая волна характеризуется своим показателем преломления при распространении в одном и том же направлении. Линейно поляризованная волна в результате дифракции на поперечной акустической волне меняет поляризацию на 90. Поэтому падающая и дифрагированная световые волны характеризуются разными поверхностями показателей преломления. Благодаря этой особенности анизотропная дифракция позволяет получить выигрыш в полосе частот по сравнению с изотропным рассеянием. Среди анизотропных материалов, выбор которых еще более ограничен по сравнению с материалами, которые могут работать в режиме изотропной дифракции, популярным является парателлурит. Парателлурит является положительным одноосным кристаллом [9].
