ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ Российский патент 1996 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к области оптической обработки информации и может быть использовано при построении компактных многокаскадных оптоэлектронных коммутаторов для высокопроизводительных многоабонентных систем передачи и приема больших массивов информации.

Известен базовый переключатель оптических каналов, у которого два входных канала могут быть соединены с двумя выходными каналами либо прямо, либо перекрестно (1). Этот переключатель выполнен в виде двух оптически связанных световодов, с изменяющимся под действием управляющего сигнала коэффициентом связи. Основным его недостатком является малая пропускная способность оптических каналов, поскольку информация может передаваться по световодам только последовательным кодом.

Известен базовый переключатель оптических каналов, содержащий оптически связанные первый поляризационно-чувствительный кубик, первая и вторая грани которого являются соответственно первым и вторым входами оптических каналов, управляемый модулятор плоскости поляризации света, второй поляризационно-чувствительный кубик, первая и вторая грани которого являются соответственно вторым и первым выходными оптическими каналами, и блок управления, первый выход которого подключен к модулятору плоскости поляризации света (2).Преимуществом такого переключателя является возможность увеличения его пропускной способности путем передачи информации по оптическим каналам параллельным ( в виде двумерных изображений) кодом, т.е. за счет использования большей пространственной полосы частот оптических каналов.

Однако известный базовый переключатель, во-первых, не обеспечивает равенство и неизменность длин оптических путей при произвольных соединениях его входных и выходных каналов и вследствие этого во многокаскадных коммутаторах, построенных на основе таких базовых переключателей, не может быть реализована передача по соединяемым оптическим каналам двумерных изображений с предельной (ограниченной дифракционными явлениями) плотностью элементов в изображениях и, во-вторых, такой переключатель блокируется при наличии двойных конфликтов во входных и выходных портах, что снижает его пропускную способность.

Техническая задача изобретения повышение пропускной способности базового переключателя оптических каналов.

Указанная задача достигается тем, что в переключатель введены дополнительные оптические элементы (отражающие элементы и элемент, вращающий на 90^o плоскость поляризации, проходящих через него линейно поляризованных световых пучков) и увеличено число поляризационно чувствительных кубиков и управляемых модуляторов плоскости поляризации света при иной оптической схеме компоновки входящих в переключатель элементов.

На фиг.1 приведена схема переключателя оптических каналов. На фиг.2 показаны некоторые возможные его состояния для различных поляризаций оптических сигналов на входах: прямое соединение (А), нижняя сборка (Б), перекрестное соединение (В), нижнее вещание (Г).

Переключатель оптических каналов 1, 2 для многокаскадных коммутаторов двумерных изображений содержит управляемые модуляторы 3,4 плоскости поляризации света; поляризационно-чувствительные кубики 5-8; отражающие элементы вращающие на 90^o плоскость поляризации в отраженных линейно поляризованных световых пучках, состоящие, например, из соответствующим образом ориентированной четвертьволновой пластинки и интерференционного отражающего зеркала; элемент 9, вращающий на 90^o плоскость поляризации проходящих через него линейно поляризованных световых пучков, например, соответствующим образом ориентированная полуволновая пластинка и блок управления 10.

Управляемые модуляторы плоскости поляризации света 3,4 при подаче управляющего сигнала поворачивают плоскость поляризации проходящих световых пучков на 90^o и могут быть выполнены, например, на основе электрооптических материалов или жидких кристаллов. Поляризационно -чувствительные кубики, пропускают р и отражают s компоненту падающих на их диагональную грань световых пучков. При показанной на фиг.1 компоновке элементов переключателя оптических каналов р-поляризованный световой пучок, падающий, например, на четвертую грань поляризационно-чувствительного кубика 7 оптического канала 2, проходит через диагональную грань и вторую грань этого кубика и первую грань второго поляризационно-чувствительного кубика 8, развернутого относительно первого на угол 90^o вокруг оси, проходящей через канал 2; отражается диагональной гранью второго поляризационно -чувствительного кубика 8 к его четвертой грани; проходя через четвертьволновую пластинку, превращается в циркулярно поляризованный пучок; отражается, вновь проходит через четвертьволновую пластинку, превращаясь в линейно поляризованный пучок с ортогональным направлением поляризации; проходит через диагональную грань второго поляризационно-чувствительного кубика 8 и установленную на его второй грани четвертьволновую пластинку, превращаясь в циркулярно поляризованный пучок; отражается зеркалом, вновь проходит через четвертьволновую пластинку, превращаясь в линейно поляризованный свет, отражается от диагональной грани поляризационно-чувствительного кубика 8 и попадает через его вторую грань в выходной оптический канал 2 в виде р-поляризованного светового пучка.

Если на четвертую грань первого поляризационно-чувствительного кубика 7 канала 2 падает s-поляризованный световой пучок, то он отражается диагональной гранью этого кубика, проходит через его первую грань и оптически связанную с этим выходом поляризационно -чувствительного кубика полуволновую пластинку 9, превращаясь в р-поляризованный световой пучок; проходит через четвертую грань установленного в оптическом канале 1 первого поляризационно-чувствительного кубика 3, его диагональную грань, проходит в прямом направлении через размещенную за второй гранью первого поляризационно-чувствительного кубика четвертьволновую пластинку и, отразившись от установленного за этой пластинкой зеркала и пройдя через четвертьволновую пластинку в обратном направлении, превращается в s-поляризованный световой пучок, который, отразившись от диагональной грани первого поляризационного чувствительного кубика 3, пройдя через его третью грань, четвертую, диагональную и вторую грани второго поляризационно-чувствительного кубика 6 (развернутого относительно первого на угол 90^o вокруг оси канала 1, попадает в выходной оптический канал 1 в виде s-поляризованного светового пучка.

Прохождение через элементы переключателя оптических каналов р- и s-поляризованных световых пучков, падающих на первую грань первого установленного в оптическом канале 1-1 поляризационно-чувствительного кубика 4, в силу симметрии схемы аналогично.

Длины оптических путей S_p и S_s, соответственно для р- и s-поляризованных сигналов, при соединениях каналов 1 (или 2) и 1, и 2 (или 2 и 1) равны
S_p=4nL+l_н+4l_G и S_s=4nL+2l_н+2l_G
где L длина ребра поляризационно-чувствительных кубиков, n показатель преломления кубиков, l_G и l_н длины оптических путей, соответственно для четверть- и полуволновой пластинок. Поскольку l_н=2l_G, то длина оптического пути S_p=S_s
Переключатель оптических каналов может находиться в четырех состояниях, определяемых управляющими сигналами на модуляторах плоскости поляризации света: U₁, U₂ 0,0; 0,U₀; U₀,0; U₀,U₀. Этим состояниям соответствуют четыре перестановки на выходах: 1_р,2_р; 1_р,1_s; 2_s,2_р;2_s,1_s при входных сигналах 1_р, 2_р и четыре перестановки 2_s,1_s; 2_s,2_р; 1_р,1_s; 1_р,2_s при входных сигналах 1_s, 1_s, где, например, 2_р обозначает передачу р-поляризованного сигнала через канал 2. Перестановки, выполняемые для наборов р и s входных поляризаций, зависимы. Например, если для для р-поляризованных входных сигналов реализуется состояние "сквозное соединение" (см.фиг.2), то для s-поляризованных входных сигналов будет реализоваться состояние "нижняя сборка" и наоборот; если для; р-поляризованных входных сигналов реализуется состояние "нижняя сборка", то для s-поляризованных входных сигналов будет реализоваться состояние "верхняя сборка" и наоборот.

Переключатель оптических каналов работает следующим образом. Предположим, что по входным каналам 1, 2 поступают р-поляризованные сигналы. Блоком управления 10 вырабатывается одна из четырех возможных комбинаций управляющих сигналов U₁, U₂, соответствующая требуемой картине соединений входных и выходных портов. После завершения переходных процессов в модуляторах плоскости поляризации поступающие по входным каналам 1, 2 световые сигналы передаются в выходные каналы 1, 2 в соответствии с установившимися соединениями. Одновременно через переключатель оптических каналов могут быть переданы оптические сигналы, поляризованные в ортогональной плоскости, т.е. с s поляризацией, для которых реализуется зависимое состояние.

Возможные параметры предложенного переключателя оптических каналов при его использовании для построения коммутатора двумерных изображений могут быть оценены следующим образом. Число элементов в передаваемом изображении m•m (т.е. число бит, которые могут передаваться по канала параллельно) определяется размерами поляризационно -чувствительных кубиков и угловой апертурой NA примененной оптической системы. Из геометрии переключателя оптических каналов следует, что NA≅0,125n, где n ≈1.5 - показатель преломления поляризационно-чувствительных кубиков.

Если в качестве источников излучения, формирующих световые картины на входах коммутатора, используются одномодовые лазеры с гауссовым распределением интенсивности, то, как известно, в многокаскадных дифракционноограниченных оптических системах при оптимальном радиусе гауссова пучка r≅0,65D/2 (где D-диаметр примененных в оптической системе объективов) дифракционные световые потери не превысят нескольких процентов при концентрации энергии в формируемых на выходах световых пятнах (элементах изображения) более 95% При такой концентрации энергии практически исключаются взаимные помехи между соседними элементами в передаваемых изображениях, и их максимальное число может быть оценено соотношением:
(m×m)_max= (0,25nL/3λ)², (1)
где L D/2^0,5 ребро поляризационно-чувствительных кубиков, λ-длина волны оптического излучения.

При использовании поляризационно-чувствительных кубиков с L=1 см и источников излучения с l = 0,9 мкм на основании (I) найдем m•m 10³•10³ при диаметре элементов изображения примерно 10 мкм. Учитывая неизбежные аберрации оптической системы и требование простоты ее юстировки, а также возможности создания матриц GaAs вертикально излучающих лазеров и матриц фoтоприемников, можно считать, что в практических разработках реально формировать, передавать по оптическим каналам и регистрировать изображения с числом дискретных элементов m×m ≃ 10⁵ при шаге между ними примерно 30 мкм.

Темп передачи информации по любой соединенной паре каналов W (произведение пространственной и временной полосы частот) определяется как произведение числа элементов в передаваемом изображении и скорости передачи информации V бит/с (т.е. W m²V), достижимой при заданной вероятности потери информации. Предельное значение w ограничено причинами энергетического характера доступным уровнем непрерывно генерируемой световой мощности P, допустимым уровнем тепловыделения Q и пороговой чувствительностью фотоприемников Е_п. B отсутствии световых потерь W QL²/E_п. При Q 10 Вт/см², L² 1 см² и Еп 1 ФДж (порог надежного срабатывания фотоприемника при использовании в качестве источников излучения одномодовых лазеров с характерной для них пуассоновской статистикой фотонов) темп передачи информации может достигать величины W 10 Рбит/с. В реальных матрицах с большим числом элементов пороговая чувствительность фотоприемников не превышает Е_п 10 ФДж и коэффициент полезного действия GаАs лазеров η ≈ 10%. Поэтому в случае использования матрицы лазеров с общей излучаемой мощностью P = ηQ ≈ 1 Вт при тепловыделении в ней Q=10 Вт и тепловыделении в матрице фотоприемников Q=10 Вт возможен темп передачи информации W≈0,1 Рбит/с, что более чем в 100 раз превышает темп передачи в известных системах коммутации потоков информации. Поскольку предложенный переключатель оптических каналов не блокируется при возникновении входных и выходных двойных конфликтов, то выигрыш в общей производительности коммутаторов, построенных на основе таких переключателей, будет еще больший.

Использование: в области оптической обработки информации, в качестве базового переключателя с двумя входными и двумя выходными каналами при построении компактных многокаскадных оптоэлектронных коммутаторов для высокопроизводительных многоабонентных систем передачи и приема больших массивов информации. Сущность изобретения: переключатель содержит установленные в каждой оптически связанной паре входных и выходных каналов 1,2 управляемый модулятор плоскости поляризации света 3,4; два поляризационно-чувствительных кубика 5,6 (7,8), три четвертьволновые пластинки с отражающими элементами, общую для обоих каналов полуволновую пластинку 9 и блок управления 10. 2 ил.

Переключатель оптических каналов с двумя входными и двумя выходными каналами для многоканальных коммутаторов двумерных изображений, содержащий оптически связанные первый поляризационно-чувствительный кубик, первый управляемый модулятор плоскости поляризации света, второй поляризационно-чувствительный кубик, вторая грань которого является первым выходным оптическим каналом, и связанный с устройством управления коммутатора блок управления переключателем, первый выход которого подключен к первому управляемому модулятору плоскости поляризации света, отличающийся тем, что в него введены второй управляемый модулятор плоскости поляризации света, два поляризационно-чувствительных кубика, шесть отражающих элементов, вращающих на 90° плоскость поляризации отраженных линейно поляризованных световых пучков, и один элемент, вращающий на 90^o плоскость поляризации прошедшего через него линейно поляризованного светового пучка, причем вход первого модулятора является входом первого оптического канала, выход первого модулятора оптически связан с первой гранью первого поляризационно-чувствительного кубика первого оптического канала, вторая и третья оптические грани которого оптически связаны соответственно с первым отражающим элементом и четвертой гранью второго поляризационно-чувствительного кубика первого канала, у которого первая и третья грани оптически связаны соответственно с вторым и третьим отражающими элементами, четвертая грань первого поляризационно-чувствительного кубика через элемент, вращающий на 90° плоскость поляризации проходящих через него линейно поляризованных световых пучков, оптически связана с первой гранью первого поляризационно-чувствительного кубика второго канала, у которого четвертая, третья и вторая грани оптически связаны соответственно с выходом второго модулятора, с четвертым отражающим элементом и первой гранью второго поляризационно-чувствительного кубика второго канала, вторая и четвертая грани этого поляризационно-чувствительного кубика оптически связаны соответственно с пятым и шестым отражающими элементами, а его третья грань является оптическим выходом второго канала, первые и вторые поляризационно-чувствительные кубики в обоих каналах развернуты относительно друг друга на угол 90° вокруг осей, проходящих через одноименные каналы переключателя, оптический вход второго управляемого модулятора плоскости поляризации света является оптическим входом второго канала, а его управляемый вход подключен к второму выходу блока управления переключателем.