КОММУТАТОР ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 2009 года по МПК G02B6/35 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для кодирования, декодирования и передачи данных, представленных оптическими сигналами, в частности к коммутаторам оптических сигналов, применяемым в компьютерных сетях.

Известен волновой фильтр-коммутатор оптических сигналов [1], содержащий первое и второе оптические волокна, образующие в некоторой ограниченной области сплавленную и растянутую витую пару. Первый вход-выход первого оптического волокна является первым мультиплексированным входом-выходом коммутатора. Второй вход-выход первого оптического волокна является первым демультиплексированным входом-выходом коммутатора. Первый вход-выход второго оптического волокна является вторым мультиплексированным входом-выходом коммутатора. Второй вход-выход второго оптического волокна является вторым демультиплексированным входом-выходом коммутатора. Волновой фильтр-коммутатор оптических сигналов [1] позволяет мультиплексировать и демультиплексировать двунаправленные оптические сигналы с разными длинами волн.

Недостатком устройства [1] являются ограниченные функциональные возможности. В частности, невозможна коммутация оптических сигналов между первым и вторым мультиплексированными или демультиплексированными входами-выходами. Это не позволяет использовать его в качестве центрального коммутирующего звена при построении компьютерной сети с топологией типа "звезда".

Известен коммутатор оптических сигналов [2], содержащий 2N логических блоков, N=1, 2, 3, ..., логический блок содержит первый, второй и третий входы-выходы, первый вход-выход логического блока с номером J=1, 2, ..., 2N является входом-выходом J-го канала коммутатора. Логический блок настраивается на передачу оптических сигналов в определенных направлениях. В частности, его можно настроить на передачу сигналов в компьютерной сети с кольцевой логической структурой и топологией типа "звезда".

Недостатками коммутатора [2] являются сложность и ограниченные функциональные возможности.

Первый недостаток связан с использованием матрицы из зеркал с управляемой прозрачностью. Для компенсации затухания сигнала в цепи из зеркал необходимы усилители. Управление прозрачностью зеркал может осуществляться вручную при конфигурировании системы либо дистанционно. Последний вариант подразумевает наличие программно-доступных средств управления (например, на основе микропроцессора с соответствующим программным обеспечением); в любом случае коммутатор должен иметь средства для подачи на него напряжения питания, что приводит к его дополнительному усложнению и ухудшает эксплуатационные качества.

Второй недостаток состоит в том, что для передачи данных в каждом направлении используется только один канал.

Цель изобретения - упрощение коммутатора и расширение его функциональных возможностей.

Цель достигается тем, что в коммутаторе оптических сигналов, содержащем 2N логических блоков, N=1, 2, 3, ..., логический блок содержит первый, второй и третий входы-выходы, первый вход-выход логического блока с номером J=1, 2, ..., 2N является входом-выходом J-го канала коммутатора, второй вход-выход логического блока с нечетным номером J=1, 3, 5, ..., 2N-1 соединен со вторым входом-выходом логического блока с ближайшим большим четным номером J=2, 4, 6, ..., 2N, третий вход-выход логического блока с четным номером J=2, 4, 6, ..., 2N-2 соединен с третьим входом-выходом логического блока с ближайшим большим нечетным номером J=3, 5, 7, ..., 2N-1, третий вход-выход логического блока с номером J=2N является первым входом-выходом дополнительно введенного (2N+1)-го канала коммутатора, третий вход-выход логического блока с номером J=1 является вторым входом-выходом (2N+1)-го канала коммутатора, логический блок содержит волновой фильтр, мультиплексированный вход-выход которого является первым входом-выходом логического блока, первый и второй демультиплексированные входы-выходы волнового фильтра являются соответственно вторым и третьим входами-выходами логического блока.

В предлагаемом коммутаторе волновые фильтры оперируют оптическими сигналами с длинами волн, пронумерованными в виде ряда λ1, λ2, λ3, ..., длина волны равномерно возрастает по мере увеличения ее номера, мультиплексированный вход-выход волнового фильтра прозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ1, λ2, λ3, ..., первый демультиплексированный вход-выход волнового фильтра прозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ1, λ3, λ5, ... и непрозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ2, λ4, λ6, ..., второй демультиплексированный вход-выход волнового фильтра прозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ2, λ4, λ6, ... и непрозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ1, λ3, λ5, ....

На фиг.1a представлен упрощенный эскиз конструкции известного [1] волнового фильтра; на фиг.1б - вариант диаграммы прозрачности волнового фильтра; на фиг.1в-л - примеры трасс прохождения оптических сигналов через волновой фильтр; на фиг.1м - пример включения фильтра в систему передачи данных. На фиг.2 представлены наиболее распространенные варианты топологии компьютерных сетей; на фиг.3 - функциональная схема предлагаемого пятиканального коммутатора оптических сигналов; на фиг.4 - функциональная схема предлагаемого (2N+1)-канального коммутатора оптических сигналов (N=1, 2, 3, ...).

Волновой фильтр 1 (фиг.1а) предназначен для разделения (сортировки) группы сигналов по длинам волн. Он построен на основе особым образом свитых и сплавленных с одновременным растяжением расплава оптических волокон 2 и 3 [1]. Здесь и далее фильтр обозначен буквой F. Фильтр симметричен, в том смысле, что пары его выводов X-W, W-X, Y-Z и Z-Y функционально равноценны.

В зависимости от параметров скрутки, плавления и растяжения оптических волокон при изготовлении фильтра он приобретает избирательную прозрачность по отношению к передаче световых сигналов определенных длин волн. Иными словами, фильтр может некоторым образом сортировать входной поток "разноцветных" световых сигналов инфракрасного диапазона, поступающих извне в произвольных сочетаниях на вывод X (на любой из четырех выводов). Сигналы, как здесь предполагается, имеют длины волн λ1, λ2, ..., λ16, равномерно распределенные на горизонтальной числовой оси графиков, показанных на фиг.1б. Соседние длины волн разделены промежутками 100 нм.

Графики 4 и 5 (фиг.1б) представляют собой один из возможных вариантов диаграмм прозрачности каналов X-Y и X-Z фильтра. Так как фильтр симметричен, эти же графики отображают диаграммы прозрачности каналов W-Z и W-Y, a также двух оставшихся каналов, полученных взаимно-обратной заменой символов X, W символами Y, Z. Уровни 0 и 100% соответствуют непрозрачному и полностью прозрачному состояниям канала. Графики для их упрощения представлены двумя противофазными синусоидами, хотя в действительности их форма более сложная и зависит от технологии изготовления фильтра.

Из графика 4 следует, что канал X-Y (а также канал W-Z) прозрачен для света с длинами волн λ1, λ3, λ5, ..., λ15 и непрозрачен для света с длинами волн λ2, λ4, λ6, ..., λ16. Если канал прозрачен, то свет соответствующих длин волн может передаваться через него в любом или одновременно в обоих направлениях. Непрозрачный канал не пропускает свет соответствующих длин волн ни в одном направлении.

График 5 показывает, что канал X-Z (а также канал W-Y) прозрачен для света с длинами волн λ2, λ4, λ6, ..., λ16 и непрозрачен для света с длинами волн λ1, λ3, λ5, ..., λ15.

Примеры 6-11 трасс прохождения оптических сигналов через волновой фильтр (фиг.1в-з) показывают распространение группы световых сигналов через фильтр F слева направо, справа налево и одновременно в обоих направлениях. В этих примерах один из выводов фильтра не используется.

В соответствии с примером 10 (фиг.1ж), вход-выход X фильтра F далее именуется мультиплексированным входом-выходом, вход-выход Y - первым демультиплексированным входом-выходом, вход-выход Z - вторым демультиплексированным входом-выходом фильтра.

В примерах 12-14, приведенных на фиг.1и-л, использованы все выводы фильтра.

Примеры 12 и 13 показывают возможность применения фильтра F для сопряжения однонаправленных линий передачи оптических сигналов с двунаправленными.

В примере 12 оптический сигнал, поступающий на вход X с левой стороны, содержит 16 составляющих с длинами волн λ1-λ16. Сигнал, снимаемый с выхода W фильтра, также содержит 16 составляющих с теми же длинами волн λ*1-λ*16. Знаки "*" показывают, что сигналы поступили на входы фильтра F с правой стороны. На входе-выходе Y сигналы с длинами волн λ1, λ3, λ5, ..., λ15 распространяются вправо, а сигналы с длинами волн λ*2, λ*4, λ*6, ..., λ*16 - влево. На входе-выходе Z сигналы с длинами волн λ2, λ4, λ6, ..., λ16 распространяются вправо, а сигналы с длинами волн λ*1, λ*3, λ*5, ..., λ*15 - влево.

Пример 13 отличается от примера 12 направлениями передачи сигналов через выводы X и W фильтра F.

В примере 14 все подключенные к фильтру F линии двунаправленные. По каждой линии передаются 16 пар противоположно направленных оптических сигналов, каждая пара имеет одинаковую длину волны. По существу, эта схема представляет собой неполносвязный коммутатор, способный транслировать данные в направлениях: X→Y, X→Z, W→Y, W→Z, Y→X, Y→W, Z→X, Z→W. Для выбора направления передачи (маршрутизации информационного пакета) источник данных использует длины волн с четными или нечетными номерами. Например, внешний источник сигнала, подаваемого на вход-выход Z фильтра F, желая передать сообщение в линию связи, подключенную к входам-выходам X или W, может использовать для этого световые импульсы с соответствующими длинами волн λ*6 или λ"15.

Непосредственная передача данных в смежных направлениях X→W, W→X, Y→Z, Z→Y невозможна. При наличии устройства - посредника 15 (фиг.1м) такие передачи осуществимы. Например, внешний источник сигнала, подаваемого на вход-выход Z фильтра F, желая передать сообщение в линию связи 16, подключенную к входам-выходам Y, может использовать для этого световые импульсы с длиной волны λ*8. Эти импульсы проходят на вход-выход X и принимаются устройством Q (15). По предварительной "договоренности" с этим устройством, оно незамедлительно выдает полученные импульсы обратно на вход-выход X, но использует для этого свет с длиной волны λ13. Фильтр F передает эти импульсы на вход-выход Y, что и требуется.

Приведенный пример показывает отмеченные ранее ограниченные возможности фильтра [1] при его использовании в качестве функционально-законченного коммутатора оптических сигналов в компьютерной сети.

На фиг.2 представлены наиболее распространенные варианты топологии компьютерных сетей. Топология типа "общая шина" (фиг.2а) применяется в основном в локальных сетях ранних поколений. В качестве среды передачи сигналов обычно применяют коаксиальные кабели. Использование оптоволоконных линий связи в рамках данной топологии затруднено, так как необходима установка оптических разветвителей для подключения каждого узла 17 к общей магистрали 18. Это нетехнологично, кроме того, каждый разветвитель делит энергию поступающего на него сигнала на две части, так что уровни принимаемых сигналов зависят от взаимного расположения передатчика и приемника.

Топология типа "звезда" с общим концентратором 19 (фиг.2б) предполагает наличие радиальных связей между концентратором и узлами 20 сети. Концентратор суммирует все поступающие в него оптические сигналы, по возможности равномерно распределяет суммарный сигнал между всеми каналами и параллельно передает его в обратных направлениях. Некоторые концентраторы работают по принципу распределения входного сигнала между всеми каналами, кроме "своего", что облегчает обнаружение коллизий при одновременном обращении двух или более узлов 20 к общей среде передачи сигналов.

Основной недостаток такой структуры состоит в том, что мощность входного сигнала делится на число каналов, достигающее ста или более. Для восстановления уровней выходных сигналов применяют активные концентраторы, способные усиливать мощность выдаваемых ими световых потоков по всем направлениям. Это усложняет структуру концентратора и требует наличия источника питания.

В сети с топологией типа "кольцо" (фиг.2в) узлы 21 соединены в последовательную замкнутую цепь. Недостатки, свойственные рассмотренным ранее сетям (фиг.2а, б), в данном случае отсутствуют. Каждый узел приостанавливает распространение адресованных ему информационных пакетов и транслирует "чужие" пакеты следующему узлу.

При отказе некоторого узла основное направление передачи пакетов можно, добравшись до ближайшего к нему узла, изменить на противоположное, так что все оставшиеся исправными узлы остаются доступными. Чтобы сохранить возможность двунаправленной передачи данных по кольцу при отказе одного из узлов, этот узел автоматически или вручную исключается из работы, а разорванные таким отказом оптические линии связи соединяются между собой "напрямую". При этом соединительный элемент вносит потери при передаче сигнала, кроме того, длина вновь созданной линии связи становится равной сумме длин линий связи, ранее соединявших отказавший узел с соседними.

Этот недостаток отсутствует в сети с комбинированной топологией (фиг.2г). Внешне она напоминает рассмотренную ранее сеть с топологией типа "звезда" (фиг.2б), но вместо концентратора 19 в ней применен коммутатор 22, соединенный с узлами 23. В отличие от концентратора, коммутатор 22 способен определенным образом объединять между собой оптические волокна, соединяющие его с узлами 23. Например, внутри коммутатора можно создать соединения, при которых сеть имеет кольцевую логическую структуру, аналогичную показанной на фиг.2в. Стрелки 24 на фиг.2г соответствуют маршрутам передачи пакетов между узлами 23. Как следует из приведенной схемы, передача пакетов между узлами 23 происходит, по существу, по стрелкам 25, как в сети с кольцевой топологией.

Изоляция и обход одного или нескольких неисправных узлов 23 осуществляется соответствующей настройкой внутренних цепей коммутатора 22 и не затрагивает узлы сети и линии связи.

Коммутатор 26 [2] (фиг.2д) содержит 2N логических блоков 27, N=1, 2, 3, ... Логический блок 27 содержит первый 28, второй 29 и третий 30 входы-выходы, первый 28 вход-выход логического блока с номером J=1, 2, ..., 2N является входом-выходом J-го канала коммутатора. Входы-выходы 28 логических блоков 27 соединены с узлами 31 сети. Вход-выход 30 логического блока с номером J соединен с входом-выходом 29 соседнего логического блока с номером J+1 (J=1, 2, ..., 2N-1), вход-выход 30 логического блока с номером 2N соединен с входом-выходом 29 логического блока с номером J=1.

Логические блоки 27 могут быть настроены на передачу сигналов между узлами 31 по кольцевой схеме, как было показано на фиг.2г.

Предлагаемый коммутатор (пятиканальный вариант, N=2, J=1, 2, ..., 5), показанный на фиг.3, содержит 2N=4 логических блока 32-35, каждый логический блок содержит первый 36, второй 37 и третий 38 входы-выходы, первый вход-выход 36 логического блока с номером J=1, 2, 3, 4 является входом-выходом J-го канала коммутатора, второй вход-выход 37 логического блока 32 (34) с нечетным номером J=1 (J=3) соединен со вторым входом-выходом 37 логического блока с ближайшим большим четным номером J=2 (J=4).

Третий вход-выход 38 логического блока 33 с номером J=2 соединен с третьим входом-выходом 38 логического блока 34 с ближайшим большим нечетным номером J=3, третий вход-выход 38 логического блока 35 с номером J=2N=4 является первым входом-выходом 39 дополнительно введенного (2N+1)-го канала 40 коммутатора (J=5), третий вход-выход 38 логического блока 32 с номером J=1 является вторым входом-выходом 41 пятого канала 40 коммутатора.

Логический блок 32-35 содержит волновой фильтр 1 (фиг.1а), мультиплексированный вход-выход X которого является первым входом-выходом 36 логического блока, первый Y и второй Z демультиплексированные входы-выходы волнового фильтра являются соответственно вторым 37 и третьим 38 входами-выходами логического блока.

При использовании коммутатора в компьютерной сети ее узлы подключаются к входам-выходам 42-45, 40 первого - пятого каналов (J=1, 2, ...5). Для удобства изложения каналы обозначены на фиг.3 буквами А, В, С, D и Е.

Для обмена данными между узлами сети используются оптические сигналы с длинами волн λ1, λ2, ..., λ16, равномерно распределенными на горизонтальных числовой оси диаграммы, показанной на фиг.1б.

Узлы сети, подключенные к каналам А и В, обмениваются данными с использованием длин волн λ1, λ3, λ5, ..., λ15. Эти же длины волн используются для двунаправленной передачи данных между устройствами, подключенными к каналам С и D. Узлы сети, подключенные к каналам В и С, обмениваются данными с использованием длин волн λ2, λ4, λ6, ..., λ16. Эти же длины волн используются для двунаправленной передачи данных между устройствами, подключенными к каналам D и Е, а также к каналам Е и А. Последнее достигается благодаря тому, что обмен данными с устройством, подключенным к каналу Е, осуществляется одновременно по двум оптическим волокнам, соединенным с первым 39 и вторым 41 входами-выходами коммутатора.

Таким образом, каждый узел сети может одновременно и двусторонне обмениваться данными с двумя ближайшими соседними узлами с использованием в каждом направлении приема-передачи восьми длин волн.

В общем случае предлагаемый коммутатор оптических сигналов, показанный на фиг.4, содержит 2N логических блоков 46-51, N=1, 2, 3, ..., логический блок содержит первый 52, второй 53 и третий 54 входы-выходы, первый вход-выход 52 логического блока 46-51 с номером J=1, 2, ..., 2N является входом-выходом J-го канала коммутатора, второй вход-выход 53 логического блока 46, 48, 50 с нечетным номером J=1, 3, 5, ..., 2N-1 соединен со вторым входом-выходом 53 логического блока 47, 49, 51 с ближайшим большим четным номером J=2, 4, 6, ..., 2N, третий вход-выход 54 логического блока 47, 49 с четным номером J=2, 4, 6, ..., 2N-2 соединен с третьим входом-выходом логического блока 48, 50 с ближайшим большим нечетным номером J=3, 5, 7, ..., 2N-1, третий вход-выход 54 логического блока 51 с номером J=2N является первым входом-выходом 55 дополнительно введенного (2N+1)-го канала 56 коммутатора, третий вход-выход 54 логического блока с номером J=1 является вторым 57 входом-выходом (2N+1)-го канала 56 коммутатора, логический блок 46-51 содержит волновой фильтр F (фиг.1а), мультиплексированный вход-выход X которого является первым входом-выходом логического блока, первый Y и второй Z демультиплексированные входы-выходы волнового фильтра являются соответственно вторым 53 и третьим 54 входами-выходами логического блока.

Волновые фильтры F оперируют оптическими сигналами с длинами волн, пронумерованными в виде ряда λ1, λ2, λ3, ..., длина волны равномерно возрастает по мере увеличения ее номера, мультиплексированный вход-выход X волнового фильтра прозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ1, λ2, λ3, ..., первый демультиплексированный вход-выход Y волнового фильтра прозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ1, λ3, λ5, ... и непрозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ2, λ4, λ6, ..., второй демультиплексированный вход-выход Z волнового фильтра прозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ2, λ4, λ6, ... и непрозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ1, λ3, λ5, ....

Так же как и в схеме на фиг.3, соответствующей N=2, соседние узлы компьютерной сети обмениваются данными с использованием длин волн λ1, λ3, λ5, ..., λ15 или λ2, λ4, λ6, ..., λ16 в зависимости от сочетания номеров J каналов коммутатора. В общем случае число используемых длин волн не ограничивается шестнадцатью.

Применение предлагаемого коммутатора оптических сигналов позволяет упростить построение сетей с логической структурой типа "кольцо" и топологией типа "звезда". Коммутатор функционирует без источника питания. Маршрут передаваемого узлом сети пакета задается выбором длины волны (λ1-λ16), что позволяет одновременно обмениваться информацией с соседними узлами с использованием 16 потоков данных.

Источники информации

1. Патент США №5809190 (Fig.5).

2. Патент США №6134357 (Fig.4) (прототип).

Изобретение относится к устройствам для кодирования, декодирования и передачи данных, представленных оптическими сигналами, в частности к коммутаторам оптических сигналов, применяемым в компьютерных сетях. Устройство содержит 2N логических блоков, N=1, 2, 3, ..., логический блок содержит первый, второй и третий входы-выходы. Первый вход-выход логического блока с номером J=1, 2, ..., 2N является входом-выходом J-го канала коммутатора. Второй вход-выход логического блока с нечетным номером J=1, 3, 5, ..., 2N-1 соединен со вторым входом-выходом логического блока с ближайшим большим четным номером J=2, 4, 6, ..., 2N. Третий вход-выход логического блока с четным номером J=2, 4, 6, ..., 2N-2 соединен с третьим входом-выходом логического блока с ближайшим большим нечетным номером J=3, 5, 7, ..., 2N-1. Третий вход-выход логического блока с номером J=2N является первым входом-выходом дополнительно введенного (2N+1)-го канала коммутатора. Третий вход-выход логического блока с номером J=1 является вторым входом-выходом (2N+1)-го канала коммутатора. Технический результат - упрощение коммутатора оптических сигналов и расширение его функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Коммутатор оптических сигналов, содержащий 2N логических блоков, N=1, 2, 3, ..., логический блок содержит первый, второй и третий входы-выходы, первый вход-выход логического блока с номером J=1, 2, ..., 2N является входом-выходом J-го канала коммутатора, отличающийся тем, что второй вход-выход логического блока с нечетным номером J=1, 3, 5, ..., 2N-1 соединен со вторым входом-выходом логического блока с ближайшим большим четным номером J=2, 4, 6, ..., 2N, третий вход-выход логического блока с четным номером J=2, 4, 6, ..., 2N-2 соединен с третьим входом-выходом логического блока с ближайшим большим нечетным номером J=3, 5, 7, ..., 2N-1, третий вход-выход логического блока с номером J=2N является первым входом-выходом дополнительно введенного (2N+1)-го канала коммутатора, третий вход-выход логического блока с номером J=1 является вторым входом-выходом (2N+1)-го канала коммутатора, логический блок содержит волновой фильтр, мультиплексированный вход-выход которого является первым входом-выходом логического блока, первый и второй демультиплексированные входы-выходы волнового фильтра являются соответственно вторым и третьим входами-выходами логического блока.2. Коммутатор оптических сигналов по п.1, отличающийся тем, что волновые фильтры оперируют оптическими сигналами с длинами волн, пронумерованными в виде ряда λ1, λ2, λ3, ..., длина волны равномерно возрастает по мере увеличения ее номера, мультиплексированный вход-выход волнового фильтра прозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ1, λ2, λ3, ..., первый демультиплексированный вход-выход волнового фильтра прозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ1, λ3, λ5, ... и непрозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ2, λ4, λ6, ..., второй демультиплексированный вход-выход волнового фильтра прозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ2, λ4, λ6, ... и непрозрачен для оптических сигналов с длинами волн с номерами λ1, λ3, λ5, ....