МНОГОКАНАЛЬНАЯ ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ КОММУТАЦИОННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2004 года по МПК G02F1/295 

Изобретение относится к системам оптической обработки информации и может быть использовано в высокопроизводительных коммутирующих устройствах для приема и передачи больших массивов информации.

Требование постоянного увеличения скорости обмена данными и роста числа коммутируемых каналов является важнейшей чертой современных информационных систем. Удовлетворение этим требованиям с использованием электрических проводников для передачи и коммутации сигналов все больше сталкивается с рядом принципиальных трудностей, главной из которых является наличие перекрестных наводок между независимыми линиями связи. В значительной мере свободными от этого недостатка являются оптические линии связи [А.К.Гребнев, В.Н.Гридин, В.П.Дмитриев. Оптоэлектронные элементы и устройства. - М.: Радио и связь, 1998, 336 с.; Р.Хансперджер. Интегральная оптика. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985, 385 с.]. Оптические лучи или световоды могут пересекаться в пространстве, не вызывая существенных взаимных помех. Известны два основных подхода для решения задачи коммутации сигналов с использованием оптических каналов связи:

1) с передачей света по волоконно-оптическим или полосковым линиям;

2) с передачей света в свободном пространстве.

Построение коммутаторов на основе волоконно-оптических связей ограничивается тем, что с ростом числа коммутируемых каналов число используемых волоконно-оптических кабелей значительно возрастает. Для числа коммутируемых каналов, равного 1000, число таких кабелей может возрастать до десятков тысяч. Поэтому для систем с большим числом коммутируемых каналов обмен сигналами с помощью света через свободное пространство реализуется более простыми методами [С.Исихара. Оптические компьютеры. Пер. с японского. - М.: Наука, 1992, 96 с.].

Известен многоканальный волоконно-оптический коммутатор, включающий матрицу из N излучателей, матрицу из разветвителей, матрицу из N фотодетекторных устройств для регистрации излучения, активный элемент, выполненный с волноводными каналами (РФ, №2107318, G 02 F 1/295, G 02 F 1/315, опубл. 1998.03.20).

Недостатком этого коммутатора являются сложность согласования волоконно-оптических волноводов при разветвлении и объединении сигналов, сложность изготовления волоконно-оптической системы, возникновение технических трудностей при работе в широком спектральном диапазоне.

Известен оптоэлектронный коммутатор размера N×N (с N входными и N выходными портами) с топологией сети координатного переключателя, предназначенный для передачи по соединяемым каналам двумерных оптических изображений. Этот коммутатор выполнен в виде последовательно расположенной оптически связанной мультиплицирующей оптической системы, состоящей из двух объективов и двух квадратных растров линз с числом линз N, пространственно-временного модулятора света, выполненного в виде квадратной матрицы с N² индивидуально управляемыми светоклапанными ячейками (управляемыми элементами) и оптической системы совмещения изображений, состоящей из квадратного растра линз с числом линз N² и двух квадратных растров линз с числом линз N (Fukui M., Kitayama К. Implementation of optical image crossbar switch. Minsk, 1992, Technical digest, 30A3).

Основными недостатками такого коммутатора двумерных изображений являются большие оптические потери, ограничивающие возможную скорость передачи информации по соединяемым парам входных и выходных портов, и большое число элементов.

В основу изобретения положена задача создания многоканальной оптической кластерной коммутационной системы, в которой за счет уменьшения количества оптических элементов значительно снижают потери, а также вследствие изменения системы оптической фокусировки уменьшают поперечные геометрические размеры всей системы, что в конечном итоге приводит к упрощению изготовления, сборки и настройки системы и к ее удешевлению.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в многоканальной оптоэлектронной коммутационной системе, включающей N излучателей, активный элемент в виде массива из N×N светоклапанных устройств с разделением на кластеры, линзу для сведения пучков, N фотоприемных устройств для регистрации излучения, между излучателями и активным элементом дополнительно размещена система из N формирователей гомоцентрических пучков с заданной угловой шириной , при этом система излучателей расположена в первой фокальной плоскости линзы, система фотоприемных устройств размещена во второй фокальной плоскости линзы, а линза установлена так, что обеспечено выполнение условия λf/b<g, где а - расстояние между центрами светоклапанных устройств, λ - длина волны излучателей, f - фокусное расстояние линзы, b - диаметр светоклапанного устройства, g - расстояние между центрами фотоприемных устройств.

В качестве системы формирователей гомоцентрических пучков может быть выбрана диафрагмирующая система.

Светоклапанное устройство может быть выполнено в форме жидкокристаллической матрицы в нормально закрытом состоянии или в форме MEMS.

Светоклапанное устройство может быть выполнено в форме жидкокристаллической матрицы с тонкопленочными транзисторами.

Данное решение позволяет устранить большое количество оптических элементов и тем самым избавиться от значительных потерь. Одна линза обеспечивает и направление излучения, прошедшего через различные элементы светоклапанного устройства, на соответствующие элементы системы фотоприемных устройств, и сведение излучения от разных элементов источника излучения на фотоприемных устройствах за счет своего расположения таким образом, что излучатели расположены в первой фокальной плоскости линзы, система фотоприемных устройств размещена во второй фокальной плоскости линзы.

Выбор угловой ширины пучка, соответствующей размеру кластера, обеспечивает отсутствие перекрещивания сигналов разных каналов и обеспечивает техническое решение задачи.

Условие установки линзы λf/b<g, где а - расстояние между центрами светоклапанных устройств, λ - длина волны излучателей, f - фокусное расстояние линзы, b - диаметр светоклапанного устройства, g - расстояние между центрами фотоприемных устройств, обеспечивает условие учета явления дифракции, что позволяет увеличить число коммутирующих каналов за счет уменьшения перекрестных помех.

Использование жидкокристаллической матрицы в нормально закрытом состоянии позволяет решить задачу управления типа "точка-точка" с высокой скоростью и дешево.

Использование жидкокристаллической матрицы с тонкопленочными транзисторами позволяет решить задачу коммутации каналов типа "точка-точка" и "точка-многоточие". Использование этих вариантов расширяет функциональные возможности системы.

Система поясняется фиг.1-5. На фиг.1 и 2 на примере N=4 показана оптическая схема коммутатора. На фиг.3 показана топология кластеров светоклапанных устройств. Имеем матрицу излучателей 1, линзу 2, диафрагмирующие устройства 3, светоклапанное устройство 4, матрицу фотоприемников 5. На фиг.4 показано взаимное расположение источников и приемников излучения для различных случаев согласования их друг с другом по размеру. На фиг.5 показана схема построения полного неблокирующего оптического коммутатора 16×16 с использованием коммутаторов 4×4 на основе топологии связей сети Клоса [C.Clos, A study of non-blocking switching networks. /Bell System Technical Journal, 32, 406-424 (1953)].

Работу схемы поясним на примере числа излучателей N=4.

На фиг.1-3 обозначены входные А1, А2, A3, А4 и выходные В1, В2, В3, В4 сигналы коммутатора, а также плоский массив 1 источников излучения S1, S2, S3, S4, плоская диафрагма 2 с отверстиями 6 для формирования углового размера пучков, плоский массив 3 светоклапанных устройств, линза 4 и плоский массив фотоприемников 5. Массив светоклапанных элементов 3 в рассматриваемом случае состоит из четырех кластеров C(j) по четыре светоклапанных элемента C(1,j), C(2,j), C(3,j), C(4,j) в каждом. Плоскости массива 1 излучателей, диафрагмы 2, массива светоклапанных устройств 3 и линзы 4 параллельны плоскости F массива фотоприемников 5. Центр j-го отверстия диафрагмы 2 и центр соответствующего ей j-го кластера светоклапанных устройств 3 находятся на оси, проходящей через центр j-го источника излучения из массива излучателей 1 перпендикулярно плоскости F.

Источники излучения 1 расположены в левой фокальной плоскости линзы 4, а фотоприемники 5 - в ее правой фокальной плоскости. Плоскости линзы 4 и светоклапанных устройств 3 расположены достаточно близко друг к другу так, что их можно считать практически совпадающими. Расстояние от источников излучения 1 до диафрагмы 2, а также форма и размер отверстий в ней выбираются таким образом, чтобы вырезаемый диафрагмой 2 пучок излучения от данного источника излучения 6 S(j) равномерно освещал элементы кластера светоклапанных устройств C(j), не пересекая при этом площадки светоклапанных устройств соседних кластеров. Массив светоклапанных устройств 4 управляется от устройства управления Y (показано на фиг.3,а) таким образом, что открытой ячейке (i,j) соответствует сигнал C(i,j)=1, а закрытой - сигнал C(i,j)=0. Относительное расположение фотоприемников 5 повторяет относительное расположение светоклапанных устройств 3 в кластерах C(j), т.е. конфигурация кластеров массива 4 совпадает с конфигурацией кластера массива фотоприемников 5. Так как источники излучения 1 находятся в фокальной плоскости линзы 4, излучение, прошедшее через светоклапанные устройства 3 данного кластера C(j) и линзу 4, имеет вид совокупности параллельных пучков, каждый из которых попадает на соответствующий ему фотоприемник F(i). При этом световые пучки, прошедшие через одноименные светоклапанные устройства 3 разных кластеров, попадают на один и тот же фотоприемник массива 5. Таким образом, сигнал i-того фотоприемника можно записать в следующем виде:

F(i)=gSUMS(j)C(i,j),

где g - коэффициент пропорциональности.

В случае, когда размер светочувствительной области фотоприемника q отличается от размера b диафрагмы 2 светоклапанного устройства, за счет изменения положения плоскости источников излучения 1 относительно левой фокальной плоскости возможно согласование их размеров. На фиг.4 показаны варианты такого согласования для случаев 1) b=q, 2) b>q, 3) b<q.

Для нормальной работы коммутатора по описанной схеме необходимо выполнить ряд условий. Рассмотрим случай b=q и примем следующие обозначения для параметров коммутатора:

N - число коммутируемых каналов,

f - фокусное расстояние линзы,

- угол расходимости пучка излучения от плоскости S до плоскости 4,

d - поперечный размер пучка излучения на плоскости 4,

p - расстояние между излучателями на плоскости S,

а - расстояние между центрами светоклапанных элементов на плоскости К,

b - поперечные размеры (диаметр) отверстия светоклапанного элемента,

λ - длина волны излучения,

w - параметр, характеризующий степень перекрывания соседних пучков на плоскости F,

D - диаметр линзы,

ϕ - рабочая угловая апертура фотоприемника.

Независимыми параметрами являются параметры λ, N, t.

Параметр w растет с ростом N. Для N=4 - 32 с круглым отверстием элемента светоклапанных устройств имеем w=2-4.

Остальные параметры находятся по формулам

f=4λw(Nϕ)²,

D=fϕ,

b=2f(Nϕ),

а=f(ϕ/N),

s=ϕ/N^1/2,

p=аN^1/2.

Приведенная схема реализует схему полного неблокирующего коммутатора. При этом она позволяет работать как в режиме “точка-точка”, когда сигнал от одного источника попадает на один приемник, так и в режиме “точка-многоточие”, когда сигнал от одного источника попадает на несколько приемников.

В случае, если необходимое число коммутируемых информационных каналов превышает число N, схема представленного коммутатора допускает масштабирование по схеме Клоса для неблокирующих коммутационных сетей. При этом сигналы управления светоклапанными устройствами оптических коммутаторов, объединенных в сеть Клоса, формируются с помощью дополнительного устройства управления YY с использованием специального управляющего алгоритма (фиг.5).

Достоинства многоканальной оптоэлектронной коммутационной системы основаны на том, что в ней применен оптический способ коммутации с равномерным распределением энергии входного сигнала по всем коммутируемым каналам, что обеспечивает ее неблокирующие свойства, масштабирование коммутации, осуществление соединений любого типа, низкий уровень перекрестных помех. Эта система может быть использована при создании коммутаторов для компьютерных кластеров, коммутаторов для встраиваемых суперкомпьютеров, при создании сверхбыстродействующих коммутаторов сигналов с большим числом коммутируемых каналов и коммутаторов общего применения для систем передачи данных на основе технологии FiberChannel.

Изобретение относится к системам оптической обработки информации. В устройстве между излучателями и активным элементом дополнительно размещена система из N формирователей гомоцентрических пучков с заданной угловой шириной , при этом система излучателей расположена в первой фокальной плоскости линзы, система фотоприемных устройств размещена во второй фокальной плоскости линзы, а линза установлена так, что обеспечено выполнение условия λf/d<g, где а - расстояние между центрами светоклапанных устройств, λ - длина волны излучателей, f - фокусное расстояние линзы, b - диаметр светоклапанного устройства, g - расстояние между центрами фотоприемных устройств. Технический результат - упрощение и удешевление устройства. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Многоканальная оптоэлектронная коммутационная система, включающая N излучателей, активный элемент в виде массива из N×N светоклапанных устройств с разделением на кластеры, линзу для сведения пучков, N фотоприемных устройств для регистрации излучения, отличающаяся тем, что между излучателями и активным элементом дополнительно размещена система из N формирователей гомоцентрических пучков с заданной угловой шириной при этом система излучателей расположена в первой фокальной плоскости линзы, система фотоприемных устройств размещена во второй фокальной плоскости линзы, а линза установлена так, что обеспечено выполнение условия λf/b<g, где а - расстояние между центрами светоклапанных устройств, λ - длина волны излучателей, f - фокусное расстояние линзы, b - диаметр светоклапанного устройства, g - расстояние между центрами фотоприемных устройств.2. Многоканальная оптоэлектронная коммутационная система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве системы формирователей гомоцентрических пучков выбрана диафрагмирующая система.3. Многоканальная оптоэлектронная коммутационная система по п.1, отличающаяся тем, что светоклапанное устройство выполнено в форме жидкокристаллической матрицы в нормально закрытом состоянии или в виде микроэлектромеханической системы MEMS.4. Многоканальная оптоэлектронная коммутационная система по п.1, отличающаяся тем, что светоклапанное устройство выполнено в форме жидкокристаллической матрицы с тонкопленочными транзисторами.