Устройство для резервирования в волоконно-оптических системах передач (варианты) Российский патент 2018 года по МПК G02B6/12 

Изобретения относятся к технике связи, в частности к оптическим переключателям, и предназначены для резервирования линий связи в волоконно-оптических системах передач (ВОСП) с помощью электрооптической коммутации. Изобретение может быть применено в дублировании каналов передачи данных, например в самолете или корабле.

Из уровня техники известен ряд технических решений, релевантных заявляемому изобретению.

Так известен термооптический переключатель [Thermo-capillary optical switch. Makoto Sato, Makoto Horie, Nobuaki Kitano, Katsuya Ohtomo, Hiroaki Okano. Hitachi Cable Review, No. 2 (August 2001), pp. 19-24] на основе интерферометров Маха-Цендера, в котором переключение оптических каналов осуществляется за счет изменения оптических путей лучей в плечах интерферометров, путем нагрева находящихся там объемов газа.

Недостатком указанного термооптического переключателя является то, что при его изготовлении интерферометры настраивают на определенную рабочую длину волны. Использовать этот переключатель на другой длине волны невозможно из-за резкого возрастания потерь световой энергии. Указанный недостаток не позволяет включать термооптический переключатель в состав современных оптических линий связи, где для увеличения их пропускной способности используют несколько несущих длин волн.

Известен оптический коммутатор (Патент РФ №2444036), который содержит n блоков коммутации оптического потока, каждый из которых содержит m пар оптически связанных волноводов, m фотоприемников, m пьезоэлементов, в которые интегрированы m пар оптически связанных волноводов. Коммутатор также содержит (m+1) оптических n входных объединителей, j-м информационным входом оптического коммутатора является информационный вход j-го блока коммутации оптического потока, адресными входами оптического коммутатора являются соответствующие адресные входы n блоков коммутации оптического потока. Технический результат - повышение быстродействия, упрощение конструкции устройства, обеспечение возможности коммутации каждого из n оптических потоков по f=m+1 каналам передачи информации в волоконно-оптических системах передачи информации.

Однако его недостатком является то, что использование для управления коммутацией трех шагов включает оптоэлектронное преобразование на фотоприемниках, далее электрическое воздействие на пьезоэлементы и далее на оптически связанные волокна. Пьезоэлементы в данной схеме являются слабым звеном, так как механически влияют на растяжение волокна приводя его к деформации. Также в данном прототипе сложно управлять адресными входами на основе ФПУ (фотоприемниками), так как различия в параметрах ФПУ и различия в подаваемом на них оптическом сигнале будут приводить к неравнозначному и не сильно коррелируемому воздействию ПЭ (пьезоэлемента) на ОСВ (оптически связанные волокна).

Известно устройство для резервирования информационных потоков в синхронных волоконно-оптических сетях связи (Слепов Н.Н. Синхронные цифровые иерархии SDH. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1999, с. 56-58; Баркова И.В., Сергеева Т.П. Математические модели оценки надежности кольцевых структур в сетях SDH. - Электросвязь, 2001, №11, с. 36-38), при применении которого устанавливают резервные оптические волокна на каждое основное оптическое волокно сети связи. Затем передают оптические сигналы между узлами сети связи одновременно по основному и резервному оптическим волокнам. На приемной стороне сравнивают уровни принятых сигналов и для дальнейшей обработки выбирают сигнал с более высоким уровнем оптической мощности.

Недостатком указанного устройства резервирования является высокая стоимость его реализации за счет необходимости полного дублирования сетевых элементов.

Известен также способ резервирования информационных потоков (Шмалько А.В. Цифровые сети связи: основы планирования и построения. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001, с. 186-188), заключающийся в установке резервных оптических волокон на каждое основное оптическое волокно сети связи и передаче оптических сигналов только по основному волокну. В оптическом волокне измеряют уровень оптической мощности и при ее потере формируют управляющий сигнал, по команде которого передача сигнала осуществляется по резервному оптическому волокну.

Недостатком указанного способа резервирования является высокая стоимость его реализации за счет необходимости полного дублирования сетевых элементов.

Из Патента РФ №2389138 известен управляемый оптический мультиплексор, который включает многоступенчатую структуру фильтров, имеющих элементы для управляемой перестройки коэффициентов передачи. Указанный мультиплексор для использования в волоконно-оптических сетях со спектральным уплотнением 2N каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться, имеет 2N входных портов [(66-1), …, (66-8)] и один выходной порт (65), включающий: N-ступенчатую структуру (60) типа «дерево», содержащую в каждой n-й ступени, при n=1, 2, …, N, 2N-n оптических фильтров [(61-1), …, (61-4); (62-1), (62-2); 63], выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, характеризующихся в n-й ступени частотным интервалом между соседними экстремумами в зависимостях коэффициентов передачи от частоты Δν n=2N-n Δν и имеющих два входа [a, b или g, h] и по меньшей мере один выход [c, или e, или k]; контроллер (68) для управления перестройкой коэффициентов передач указанных фильтров [(61-1), …, (61-4); (62-1), (62-2); 63].

В качестве оптических фильтров в известном мультиплексоре используются несимметричные интерферометры Маха-Цендера: однокаскадные и/или двухкаскадные, и/или многокаскадные. Для управляемой перестройки коэффициентов передачи оптических фильтров служат электрооптические или термооптические устройства фазового сдвига. Мультиплексор может быть выполнен по интегрально-оптической технологии в виде монолитного твердотельного устройства. Техническое преимущество этого известного устройства заключается в управляемом мультиплексировании каналов в волоконно-оптической системе связи со спектральным уплотнением каналов, оптические частоты которых при постоянном спектральном интервале между соседними каналами Δν могут перестраиваться.

Недостатком указанного известного мультиплексора является то, что он работает с частотами по стандарту G.692 с канальным разделением 100 ГГц. Предлагаемое же устройство не является селективным и позволяет работать с оптическими сигналами в широком диапазоне и независимо от расстояния между каналами. Для резервирования оптических каналов данное устройство является дорогостоящим и технически избыточным.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является оптический переключатель для организации резервирования в ВОСП, включающий подводящие и отводящие оптические волокна, блок управления, индикаторы состояния устройства, клавиатуру управления, модуль оптического переключателя, независимый оптический делитель 1×2, блок питания [http://www.shs-systems.ru/netcat_files/download/Manual_sw_lcd.pdf Паспорт (руководство по эксплуатации) «Оптический переключатель» MOS-2×1 v.200907.01].

При реализации работы этого известного переключателя происходит электромеханическое перемещение оптического волокна, которое используется для коммутации линии связи с основной на резервную. Принцип действия этого переключателя показан на чертеже (Фиг. 1) и основан на следующем. На узле "А" (Фиг. 1) установлен оптический переключатель, который при передаче сигнала в линию делит его пополам в соотношении мощности 50/50 и передает в основную и резервную оптические линии. На приемном конце - узел "В", сигнал принимается устройством по обеим линиям, сравнивается с установленным номиналом и принимается решение о необходимости или нет переключения с основной линии на резервную. В обратном направлении устройство работает аналогично.

Недостатком данного известного устройства является длительное время перехода с основной на резервную линию - 5 мс и более, а также селективный выбор оптического диапазона резервируемого сигнала 1290-1330 нм или 1510-1610 нм.

Кроме того, в указанном переключателе используются механические детали - в модуле оптического переключателя, из-за этого ограничен срок его службы количеством переключений.

Вместе с этим известный переключатель ограничен в использовании в вибронеустойчивых помещениях и системах, таких как: транспортные средства и объекты в сейсмоактивных зонах.

Единый технический результат, достигаемый вариантами предлагаемых устройств, заключается в повышении быстродействия за счет обеспечения высокой скорости переключения основной линии на резервную, при одновременной возможности проведения работы с оптическими сигналами в широком диапазоне и независимо от расстояния между каналами в спектре, по которым идет сигнал (то есть разные длины волн света, несущие сигнал и распространяющиеся по волноводам), при одновременном повышении надежности за счет исключения механических узлов в конструкции, а также в обеспечении устойчивости работы в условиях вибрации.

Дополнительным техническим результатом является расширение арсенала технических средств в области телекоммуникации.

Указанный технический результат достигается предлагаемым устройством для резервирования в волоконно-оптических системах передач, включающим подводящие и отводящие оптические волокна и модуль оптического переключателя, при этом по первому варианту новым является то, что устройство также содержит систему поверхностных управляющих электродов, выполненных с возможностью подключения к системе подачи электрического сигнала от контроллера на них, в качестве модуля оптического переключателя устройство содержит выполненную в подложке или на подложке из электрооптического прозрачного кристалла или электрооптического полимера систему канальных волноводов, и размещенные на подложке фотодиоды, выполненные с возможностью оптического соединения с канальными волноводами и с контроллером, при этом система канальных волноводов включает основной и резервный волноводы, два параллельно соединенных интерферометра Маха-Цендера с раздельными входами и общим выходом, при этом вход одного из них соединен с основным волноводом, вход второго - с резервным волноводом, а выходы волноводов от указанных интерферометров соединены в общий выход, посредством Y-соединителя, при этом устройство содержит два дополнительных канальных волновода для контроля состояния основного и резервного волноводов соответственно, при этом один из указанных дополнительных волноводов оптически подключен к основному волноводу перед входом интерферометра, а второй - к резервному волноводу перед входом интерферометра, причем каждый из дополнительных канальных волноводов выполнен с возможностью отвода на себя посредством управляющих электродов от 1 до 5% оптической мощности от соответствующего основного или резервного волновода; а по второму варианту новым является то, что устройство также содержит систему поверхностных управляющих электродов, выполненных с возможностью подключения к системе подачи электрического сигнала от контроллера на них, в качестве модуля оптического переключателя устройство содержит выполненную в подложке или на подложке из электрооптического прозрачного кристалла или электрооптического полимера систему канальных волноводов, и размещенные на подложке фотодиоды, выполненные с возможностью оптического соединения с канальными волноводами и с контроллером, при этом система канальных волноводов включает основной и резервный волноводы, два параллельно соединенных интерферометра Маха-Цендера с раздельными входами и общим выходом, при этом вход одного из них соединен с основным волноводом, вход второго - с резервным волноводом, а выходы волноводов от указанных интерферометров соединены в общий выход, посредством Y-соединителя, при этом для контроля состояния основного и резервного волноводов рабочая точка у каждого интерферометра смещена в положение, определяемое формулой:

I_вых=0.99⋅I_max,

где I_вых - фактическая мощность на выходе первого или второго интерферометра при смещении рабочей точки от максимально открытого положения;

I_max - мощность на выходе первого или второго интерферометра, соответствующая максимально открытому положению рабочей точки;

с обеспечением при этом смещении деструктивной интерференции света с эффектом рассеивания излучения, которое фиксируется посредством дополнительно размещенного фотодиода в точке, куда приходит указанное рассеянное излучение.

В преимущественном исполнении по обоим вариантам:

- разность показателя преломления канального волновода и подложки выполнена таким образом, чтобы обеспечить минимальное расхождение числовых апертур канального волновода и подводящих и отводящих оптических волокон.

- подложка выполнена из ниобата лития.

- для создания канальных волноводов на подложке, т.е. областей с повышенным показателем преломления, используется протонный обмен, или диффузия титана, или обработка сфокусированным ионным пучком, или обработка лазером.

- система поверхностных управляющих электродов расположена параллельно канальным волноводам на расстоянии, соответствующем двум условиям: должно быть минимальным для повышения интервала перекрытия между электрическим полем электродов и оптическим волноводом; и расстояние между электродами должно быть достаточно большим для предотвращения взаимодействия оптической волны с металлическими электродами.

- расстояние между поверхностными управляющими электродами составляет 10-15 мкм.

- для предотвращения процессов инжекции электронов из металла поверхностных управляющих электродов в подложку на последней выполнены буферные слои из двуокиси кремния или гексаметилдисилоксана.

- подложка выполнена со скосами 10-15 градусов со стороны входа-выхода волноводов.

- устройство размещено в герметичном корпусе, заполненном сухим азотом.

В преимущественном исполнении по второму варианту смещение рабочей точки интерферометра Маха-Цендера задается с помощью подачи небольшого напряжения, преимущественно от 0,1 до 1 В, на систему поверхностных управляющих электродов каждого интерферометра Маха-Цендера.

Поставленный технический результат достигается за счет следующего.

Основное функциональное преимущество предлагаемого устройства по обоим вариантам проявляется в очень высокой скорости переключения с основной на резервную линию. Время переключения в нем составляет 1 мкс и менее (т.е. менее 1 мкс), причем это как минимум на три порядка ниже, чем время переключения для стандартных устройств в отрасли (1 мс). В то время как у прототипа время переключения составляет около 10 мс.

Заявляемое устройство может быть полезно в приложениях, в которых важно время переключения и не так важны оптические потери. Соответственно, речь идет не о применениях в магистральных волоконных линиях связи, а в дублировании каналов передачи данных, например, в самолете или корабле, где скорость переключения играет важнейшую роль для обеспечения безопасности и безаварийности работы объекта, в котором применяется предлагаемое устройство.

Такое быстродействие достигается за счет совокупности всех узлов заявляемого устройства. Благодаря использованию в модуле оптического переключателя двух параллельно соединенных интерферометров Маха-Цендера с раздельными входами и общим выходом, вход одного из которых соединен с основным волноводом, вход второго - с резервным волноводом, а выходы волноводов от указанных интерферометров соединены в общий выход, посредством Y-соединителя для объединения сигналов с выходов модуляторов резервного и основного волноводов, обеспечивается возможность на выходе всегда иметь рабочий сигнал.

Реально высокая скорость переключения обусловлена прежде всего быстротой отклика кристалла (подложки) на подачу электрического напряжения. То есть показатель преломления кристалла подложки меняется уже через 10^-14 секунды после того, как на электроды подали напряжение. Далее скорость определяется тем, что фотодиоды имеют малые задержки и быстро передают сигнал на управляющую схему, включающую контроллер, которая быстро обрабатывает этот сигнал и быстро дает команду на переключение на резервную линию.

При нормальном режиме работы устройств по обоим вариантам один из интерферометров, через который идет резервная оптическая линия, "закрыт" и на его выходе наблюдается минимум интенсивности. Второй интерферометр "открыт" и через него основная оптическая линия проходит с минимальными потерями и с максимально возможной интенсивностью на выходе. При режиме резервирования основной интерферометр "закрыт", резервный - "открыт", то есть ситуация противоположна нормальному режиму. Алгоритм переключения основан на анализе получаемой фотодиодами оптической мощности по основной и резервной линиям, ее сравнении, передаче на контроллер и принятии решения о переключении.

Интегрально-оптический интерферометр Маха-Цендера является широко известным узлом и используется во многих оптических устройствах.

Канальные волноводы в предлагаемом устройстве по обоим вариантам формируются на подложке (можно и в подложке, но на подложке предпочтительней, т.к. они обычно начинаются от поверхности или очень близко к ней) с низкими оптическими потерями и высокими электрооптическими коэффициентами. Такая подложка может состоять, например, из ниобата лития или электрооптического полимера (например, на основе хромофор дисперсного красного и его производных в матрице полиметилметакрилата и поликарбоната, и других), характеристика свойств которых как раз и отвечает этим требованиям. Для создания канальных волноводов, т.е. областей с повышенным показателем преломления, используется любой известный в этой области метод, например протонный обмен, диффузия титана, обработка сфокусированным ионным пучком, обработка лазером.

Разность показателя преломления канального волновода и подложки подбирается таким образом, чтобы обеспечить минимальное расхождение числовых апертур канального волновода и подводящих и отводящих оптических волокон. Например, может составлять величину 0,01, которая указана в статье: И.С. Азанова, А.Б. Волынцев, И.Ф. Тайсин, Д.И. Шевцов Метастабильные фазы в протонообменных волноводах на х-срезе ниобата лития // Физика твердого тела. 2006. Т. 48. №6. С. 1059-1063.

Контроль состояния основного и резервного оптических путей осуществляется в устройствах по первому и второму вариантам двумя различными конструктивными особенностями, в зависимости от предъявляемых к системе требований. По первому варианту конструктивная особенность заключается в создании дополнительных канальных волноводов, отводящих от 1% до 5% оптической мощности от основного и резервного волноводов. Указанный первый вариант предлагаемого устройства проиллюстрирован на чертеже (Фиг. 2).

Конструктивная особенность устройства по второму варианту, которое проиллюстрировано на чертеже (Фиг. 3), заключается в обеспечении контроля состояния основного и резервного оптических путей, за счет использования рассеянного излучения интерферометров Маха-Цендера (далее - ИМЦ) при смещении рабочей точки каждого из них в положение, определяемое формулой:

I_вых=0.99 I_max,

где I_вых - фактическая мощность на выходе первого или второго интерферометра при смещении рабочей точки от максимально открытого положения;

I_max - мощность на выходе первого или второго интерферометра, соответствующая максимально открытому положению рабочей точки.

Причем при этом смещении обеспечивается деструктивная интерференция света с эффектом рассеивания излучения, которое фиксируется посредством дополнительно размещенного фотодиода в точке, куда приходит указанное рассеянное излучение. Данное смещение рабочей точки ИМЦ задается с помощью подачи небольшого, например от 0,1 до 1 В, постоянного напряжения от драйвера на систему поверхностных управляющих электродов каждого ИМЦ (Андронова И.А., Малыкин Г.Б. Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка // УФН. - 2002. - Т. 172. Вып. 8. - Р. 849-873).

По обоим вариантам система поверхностных управляющих электродов выполнена с возможностью подключения к системе подачи электрического сигнала от внешнего дайвера, на который поступает сигнал от контроллера. Система поверхностных управляющих электродов создается на поверхности подложки и располагается параллельно канальным волноводам на расстоянии, соответствующем двум условиям:

во-первых, расстояние между электродами должно быть минимальным для повышения интервала перекрытия между электрическим полем указанных электродов и оптическим волноводом (например, такое расстояние может составлять от 10 до 15 мкм);

во-вторых, расстояние между электродами должно быть достаточно большим для предотвращения взаимодействия оптической волны с металлическими электродами, что может вызвать резкое повышение оптических потерь в волноводе.

Для применяемых одномодовых канальных волноводов типичное расстояние между управляющими электродами составляет 10-15 мкм.

Вместе с этим для предотвращения процессов инжекции электронов из металла указанных управляющих электродов в подложку на поверхности последней могут использоваться буферные слои из двуокиси кремния (SiO₂), гексаметилдисилоксана и других. Их наличие позволит, наряду с вышеуказанным, избежать в устройстве дрейфа рабочей точки ИМЦ под действием подаваемого внешнего напряжения.

Указанные управляющие электроды служат для управления состоянием интерферометров («открыт» или «закрыт») посредством электрооптического эффекта, приводящего к возникновению в плечах интерферометра необходимой разности фаз распространяющегося излучения.

Кроме того, предлагаемое устройство по обоим вариантам содержит размещенные на подложке фотодиоды, выполненные с возможностью оптического соединения с контроллером. Их функция состоит в том, чтобы фиксировать мощность падающего на них от основного и резервного волноводов оптического излучения и передавать полученное значение на контроллер.

По второму варианту устройство также содержит фотодиод в точке, куда приходит рассеянное излучение при смещении рабочей точки обоих ИМЦ.

Обеспечение предлагаемыми устройствами по обоим вариантам одновременной возможности проведения работы с оптическими сигналами в широком диапазоне длин волн и независимо от расстояния между каналами в спектре, по которым идет сигнал, обусловлено широким окном прозрачности применяемых материалов.

Предлагаемые устройства устойчивы к вибрации за счет отсутствия в конструкции подвижных частей и интегрального исполнения.

Подложка предлагаемого устройства по обоим вариантам в области входа-выхода волноводов может иметь скосы для предотвращения обратных отражений в оптическом тракте. Преимущественное значение угла скоса составляет 10-15 градусов.

Для повышения стабильности работы предлагаемое устройство может устанавливаться в герметичный корпус, наполненный сухим азотом.

Указанные дополнительные преимущественные признаки изобретения направлены на достижение вариантов реализации настоящего изобретения и, конечно, каждый из них в совокупности с основными признаками устройств по обоим вариантам направлен на обеспечение быстродействия и надежности работы предлагаемых устройств как в обычных условиях, так и при наличии вибрации.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана схема работы известного «Оптического переключателя» по прототипу; на фиг. 2 - схема предлагаемого устройства по первому варианту; на фиг. 3 - схема предлагаемого устройства по второму варианту.

Заявляемое устройство для резервирования в волоконно-оптических системах передач по обоим вариантам содержит подводящее основное оптическое волокно 1 и резервное оптическое волокно 2, отводящее оптическое волокно 3, отводящее сигнал к основному фотоприемному устройству 22, а также - систему поверхностных управляющих электродов 4 интерферометра 10 и систему поверхностных электродов 5 интерферометра 11, размещенных на подложке 6, выполненных с возможностью подключения их к системе подачи электрического сигнала драйвера 7 для основного канала и драйвера 8 для резервного канала по сигналу контроллера 9. Хотя на чертеже указано два контроллера 9, но фактически контроллер 9 может быть одним для обоих каналов. Он осуществляет контроль состояния и изменения напряжения на электродах интерферометра 10 и интерферометра 11 независимо друг от друга. Стоит отметить, что с помощью системы электродов 4 интерферометр 10 модулирует основной сигнал, а с помощью системы электродов 5 интерферометр 11 модулирует резервный сигнал.

Предлагаемое устройство также содержит модуль оптического переключателя, состоящий из выполненной в подложке 6 (материал для подложки может быть из электрооптического прозрачного кристалла или электрооптического полимера) системы канальных волноводов (метод выполнения канальных волноводов является общеизвестным и описан в Armenise, М.N. (1988). Fabrication techniques of lithium niobate waveguides. IEE Proceedings J Optoelectronics, 135(2), 85-91. doi:10.1049/ip-j.1988.0019). Система канальных волноводов включает основной 12 и резервный 13 волноводы, два параллельно соединенных интерферометра Маха-Цендера (далее - ИМЦ) 10 и 11 с общим выходом 14 посредством Y-соединителя 15. При этом ИМЦ 10 соединен основным волноводом 12 с подводящим волокном 1, а второй ИМЦ 11 соединен резервным волноводом 13 с подводящим волокном 2.

При этом устройство по первому варианту (фиг. 2) содержит два дополнительных канальных волновода 16 и 17 для контроля мощности в основном 12 и резервном 13 волноводах. Дополнительный волновод 16 располагается на таком расстоянии от основного волновода 12, что часть оптического излучения, составляющая от 1 до 5% по мощности, может перетекать в него за счет взаимодействия рассеянного затухающего поля с дополнительным волноводом. Аналогично дополнительный волновод 17 отводит часть излучения от резервного волновода 13. Отведенное излучение от обоих дополнительных волноводов 16 и 17 попадает на фотодиоды 18 и 19 соответственно, преобразующие энергию излучения в электрический сигнал, передаваемый посредством связей 23 и 24 соответственно в контроллер 9, используемый для анализа состояния основного и резервного каналов.

По второму варианту устройства (фиг. 3) для обеспечения контроля состояния основного 12 и резервного 13 волноводов рабочая точка ИМЦ 10 смещена в положение, определяемое формулой:

I_вых=0.99⋅I_max,

где I_вых - фактическая мощность на выходе первого или второго интерферометра при смещении рабочей точки от максимально открытого положения;

I_max - мощность на выходе первого или второго интерферометра, соответствующая максимально открытому положению рабочей точки.

При таком положении рабочей точки интерферометр открыт на 99% и сигнал идет без потерь по основному каналу. При указанном смещении возникает деструктивная интерференция света с эффектом рассеивания излучения 20 от ИЦМ 10, которое фиксируется посредством дополнительно размещенного фотодиода 25 в точке, куда приходит указанное рассеянное излучение. Эта точка на торце кристалла, в том месте, куда выходят рассеянные лучи. Для аналогичной фиксации сигнала при работе устройства на резервной линии 13 на торце подложки 6 располагается фотодиод 26 в точке, куда приходит излучение 21, рассеянное интерферометром 11. Рабочая точка ИЦМ 11 смещена в положение, определяемое формулой:

I_вых=0.01⋅I_max.

При таком положении рабочей точки интерферометр 11 полностью закрыт и сигнал по резервному каналу 13 не поступает на отводящее оптическое волокно 3.

Указанное смещение рабочей точки ИМЦ 10 при работе на основном волноводе 12 и ИМЦ 11 при работе на резервном волноводе 13 задается с помощью подачи небольшого, например 0,1-1,0 В, постоянного напряжения через драйверы 7 и 8 соответственно на систему поверхностных управляющих электродов 4 и 5 ИМЦ 10 и 11 соответственно. Эти указанные управляющие электроды 4 и 5 воздействуют электрическим полем только на волноводы 12 и 13 интерферометров 10 и 11 соответственно.

К преимуществам данного конструктивного подхода для второго варианта предлагаемого устройства можно отнести возможность динамического изменения положения рабочей точки ИМЦ, что позволяет отводить при необходимости большую часть мощности излучения и анализировать изменения мощности сигнала.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Пусть основной информационный оптический сигнал передается по основному каналу. Для этого оптический сигнал поступает по подводящему основному оптическому волокну 1 через основной волновод 12 на вход ИЦМ 10. По первому варианту (фиг. 2) на область соединения основного волновода 12 с ИМЦ 10 подведен дополнительный волновод 16. При этом дополнительный волновод 16 подведен к волноводу 12 на расстояние, при котором часть излучения начинает из волновода 12 переходить в волновод 16. В тот же момент на подводящее резервное волокно 2 поступает резервный оптический сигнал, идентичный основному сигналу. Далее этот сигнал проходит по резервному волноводу 13 на вход ИМЦ 11. Аналогично, на ИМЦ 11 ведется контроль поступающей мощности с помощью волновода 17. Затем отведенное излучение по волноводам 16 и 17 поступает на фотодиоды 18 и 19 соответственно. Далее с фотодиодов 18 и 19 сигнал поступает на контроллер 9, где идет сравнение мощности основного и резервного сигналов и принимается решение о необходимости переключения.

Основным критерием для переключения является понижение мощности основного сигнала, например на 20%. При принятии контроллером решения о необходимости переключения сигнала с основного на резервный происходит следующее: ИМЦ 10 переводится контроллером 9 с помощью драйвера 7, подающего сигнал на систему управляющих электродов 4 из открытого состояния в закрытое. В тот же момент ИМЦ 11 переводится контроллером 9 с помощью драйвера 8 с помощью системы управляющих электродов 5 из закрытого состояния в открытое. Затем информационный оптический сигнал поступает на выход 14 посредством Y-соединителя 15 и далее через отводящее оптическое волокно 3 в основное фотоприемное устройство.

По второму варианту (фиг. 3) принятие решения о переключении идет на основе мощности излучения 20 и 21, поступающей на фотодиоды 25 и 26 соответственно. Далее процедура переключения идет аналогично первому варианту устройства.

На основе предлагаемой конструкции было изготовлено и испытано 4 устройства (по первому и второму вариантам) для резервирования в волоконно-оптических системах передач. Все они показали скорость переключения основной линии на резервную в диапазоне 38-56 нс, что подтверждает поставленный технический результат предлагаемого изобретения. Причем по одному предлагаемому устройству каждого варианта было испытано в условиях производственной вибрации при 5 дБ (превышение в 1,5 более нормы). Отклонений в работе не наблюдалось.

При испытании использовались оптические сигналы, передача которых велась на длинах волн от 0,85 мкм до 1,56 мкм. В указанном диапазоне длин волн скорость переключения сигнала оставалась неизменной, что показывает возможность использования предлагаемого устройства на коммерческих волоконно-оптических линиях связи со стандартным набором телекоммуникационного оборудования.

Заявляемые варианты устройств имеют следующие преимущества перед известными устройствами аналогичного назначения:

- обеспечивают высокую скорость переключения основной линии на резервную (не менее чем на три порядка выше, чем известное устройство по прототипу);

- обеспечивают надежность работы длительное время даже в условиях вибрации;

- обеспечивают надежность работы при подаче оптических сигналов в широком диапазоне длин волн и независимо от расстояния между каналами;

- имеют интегральное исполнение с расположением всех элементов на одной подложке;

- благодаря тому что основной и резервный каналы в них конструктивно одинаковы, обеспечивается возможность смены резервной и основной линий без аппаратной переналадки оборудования.

Изобретение относится к оптическим переключателям. Устройство для резервирования в волоконно-оптических системах передач включает: подводящие и отводящие оптические волокна и модуль оптического переключателя, также устройство содержит систему поверхностных управляющих электродов, выполненных с возможностью подключения к системе подачи электрического сигнала от контроллера. В качестве модуля оптического переключателя устройство содержит выполненную в подложке или на подложке систему канальных волноводов. Система канальных волноводов включает основной и резервный волноводы, два параллельно соединенных интерферометра Маха-Цендера с раздельными входами и общим выходом, при этом вход одного из них соединен с основным волноводом, вход второго - с резервным волноводом, а выходы волноводов от указанных интерферометров соединены в общий выход, также устройство содержит два дополнительных канальных волновода оптически подключенных к основному и резервному волноводам. Причем каждый из дополнительных канальных волноводов выполнен с возможностью отвода на себя посредством управляющих электродов от 1 до 5% оптической мощности от соответствующего основного или резервного волновода. Технический результат заключается в повышении быстродействия и обеспечении устойчивой работы в условиях вибрации. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для резервирования в волоконно-оптических системах передач, включающее подводящие и отводящие оптические волокна и модуль оптического переключателя, отличающееся тем, что устройство также содержит систему поверхностных управляющих электродов, выполненных с возможностью подключения к системе подачи электрического сигнала от контроллера на них, в качестве модуля оптического переключателя устройство содержит выполненную в подложке или на подложке из электрооптического прозрачного кристалла или электрооптического полимера систему канальных волноводов, и размещенные на подложке фотодиоды, выполненные с возможностью оптического соединения с канальными волноводами и с контроллером, при этом система канальных волноводов включает основной и резервный волновод, два параллельно соединенных интерферометра Маха-Цендера с раздельными входами и общим выходом, при этом вход одного из них соединен с основным волноводом, вход второго - с резервным волноводом, а выходы волноводов от указанных интерферометров соединены в общий выход, посредством Y-соединителя, при этом устройство содержит два дополнительных канальных волновода для контроля состояния основного и резервного волноводов соответственно, при этом один из указанных дополнительных волноводов оптически подключен к основному волноводу перед входом интерферометра, а второй - к резервному волноводу перед входом интерферометра, причем каждый из дополнительных канальных волноводов выполнен с возможностью отвода на себя посредством управляющих электродов от 1 до 5% оптической мощности от соответствующего основного или резервного волновода.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что разность показателя преломления канального волновода и подложки выполнена таким образом, чтобы обеспечить минимальное расхождение числовых апертур канального волновода и подводящих и отводящих оптических волокон.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подложка выполнена из ниобата лития.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для создания канальных волноводов на подложке, т.е. областей с повышенным показателем преломления, используется протонный обмен, или диффузия титана, или обработка сфокусированным ионным пучком, или обработка лазером.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система поверхностных управляющих электродов расположена параллельно канальным волноводам на расстоянии, соответствующем двум условиям: должно быть минимальным для повышения интервала перекрытия между электрическим полем электродов и оптическим волноводом; и расстояние между электродами должно быть достаточно большим для предотвращения взаимодействия оптической волны с металлическими электродами.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что расстояние между поверхностными управляющими электродами составляет 10-15 мкм.

7. Устройство по п. 5 или п. 6, отличающееся тем, что для предотвращения процессов инжекции электронов из металла поверхностных управляющих электродов в подложку, на последней выполнены буферные слои из двуокиси кремния или гексаметилдисилоксана.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подложка выполнена со скосами 10-15 градусов со стороны входа-выхода волноводов.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно размещено в герметичном корпусе, заполненном сухим азотом.

10. Устройство для резервирования в волоконно-оптических системах передач, включающее подводящие и отводящие оптические волокна и модуль оптического переключателя, отличающееся тем, что устройство также содержит систему поверхностных управляющих электродов, выполненных с возможностью подключения к системе подачи электрического сигнала от контроллера на них, в качестве модуля оптического переключателя устройство содержит выполненную в подложке или на подложке из электрооптического прозрачного кристалла или электрооптического полимера систему канальных волноводов, и размещенные на подложке фотодиоды, выполненные с возможностью оптического соединения с канальными волноводами и с контроллером, при этом система канальных волноводов включает основной и резервный волновод, два параллельно соединенных интерферометра Маха-Цендера с раздельными входами и общим выходом, при этом вход одного из них соединен с основным волноводом, вход второго - с резервным волноводом, а выходы волноводов от указанных интерферометров соединены в общий выход, посредством Y-соединителя, при этом для контроля состояния основного и резервного волноводов рабочая точка у каждого интерферометра смещена в положение, определяемое формулой:

I_вых=0.99⋅I_max,

где I_вых - фактическая мощность на выходе первого или второго интерферометра при смещении рабочей точки от максимально открытого положения;

I_max - мощность на выходе первого или второго интерферометра, соответствующая максимально открытому положению рабочей точки;

с обеспечением при этом смещении деструктивной интерференции света с эффектом рассеивания излучения, которое фиксируется посредством дополнительно размещенного фотодиода в точке, куда приходит указанное рассеянное излучение.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что разность показателя преломления канального волновода и подложки выполнена таким образом, чтобы обеспечить минимальное расхождение числовых апертур канального волновода и подводящих и отводящих оптических волокон.

12. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что подложка выполнена из ниобата лития.

13. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что для создания канальных волноводов на подложке, т.е. областей с повышенным показателем преломления, используется протонный обмен, или диффузия титана, или обработка сфокусированным ионным пучком, или обработка лазером.

14. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что система поверхностных управляющих электродов расположена параллельно канальным волноводам на расстоянии, соответствующем двум условиям: должно быть минимальным для повышения интервала перекрытия между электрическим полем электродов и оптическим волноводом; и расстояние между электродами должно быть достаточно большим для предотвращения взаимодействия оптической волны с металлическими электродами.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что расстояние между поверхностными управляющими электродами составляет 10-15 мкм.

16. Устройство по п. 14 или п. 15, отличающееся тем, что для предотвращения процессов инжекции электронов из металла поверхностных управляющих электродов в подложку, на последней выполнены буферные слои из двуокиси кремния или гексаметилдисилоксана.

17. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что подложка выполнена со скосами 10-15 градусов со стороны входа-выхода волноводов.

18. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что оно размещено в герметичном корпусе, заполненном сухим азотом.

19. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что смещение рабочей точки интерферометра Маха-Цендера задается с помощью подачи небольшого напряжения, преимущественно, от 0,1 до 1 В, на систему поверхностных управляющих электродов каждого интерферометра Маха-Цендера.