Переключатель оптических каналов для коммутаторов двухмерных изображений

 

Использование: в технике оптической обработки информации, в частности в переключателях при построении компактных многокаскадных оптоэлектронных коммутаторов. Сущность изобретения: устройство содержит четыре оптических входа, четыре оптических выхода, систему объективов, систему модуляторов плоскости поляризации света, блок управления и четыре оптоэлектронных субблока. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано в качестве базового переключателя при построении компактных многокаскадных оптоэлектронных коммутаторов для высокопроизводительных многоабонентных телекоммуникационных систем передачи и приема больших массивов информации.

Известен переключатель размером 4х4 (с четырьмя входными и четырьмя выходными портами) для переключения оптических двумерных каналов в коммутаторе размером NxN [1] Этот переключатель выполнен в виде оптической системы, состоящей из объективов и растров линз, и пространственно-временного модулятора света с шестнадцатью светоклапанными ячейками (управляемыми элементами). Основным недостатком переключателя при построении на его основе коммутаторов двумерных изображений являются большие вносимые оптические потери (превышающие N^-1), приводящие к ограничению возможной скорости передачи информации по соединяемым парам входных и выходных каналов.

Известен базовый переключатель оптических каналов размером 4х4, который содержит шесть управляемых модуляторов плоскости поляризации света (управляемых элементов), семь поляризационно-чувствительных кубиков и четыре светоотражающих элемента, соединенных оптическими связями [2] Преимуществом такого переключателя являются малые вносимые оптические потери.

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 соединеняемым оптическим каналам двумерных изображений с предельной (огранеиченной дифракционными явлениями) плотностью элементов в изображениях; во-вторых, такой переключатель блокируется при наличии двойных конфликтов во входных и выходных портах, что снижает его пропускную способность и, в-третьих, для построения на основе такого переключателя коммутаторов двумерных изображений размером NxN требуется большое число управляемых элементов: 2^-0,5N(N²-1)^0,5 для двумерных и 2^0,5N(3N-1)^0,5для трехмерных конструкций коммутатора (M.M. Mirsalehi, J. Shamir, H.J. Caulfield, Three-dimensional optical Fredkin gate arrays. Applied Optics, 1989, vol. 28, N 12, р. 2429-2438).

Цель изобретения повышение пропускной способности базового переключателя с четырьмя входными и четырьмя выходными двумерными оптическими каналами и расширение его функциональных возможностей.

Цель достигается тем, что в переключатель введены дополнительные оптические элементы (объективы, элементы, вращающие на 90^о плоскость поляризации отраженных линейно поляризованных световых пучков, и элементы, вращающие на 90^о плоскость поляризации проходящих через них линейно поляризованных световых пучков), а также увеличено число управляемых модуляторов плоскости поляризации света и поляризационно-чувствительных кубиков и при иной оптической схеме компоновки входящих в переключатель элементов.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого переключателя оптических каналов размером 4х4; на фиг. 2 показана схема входящих в переключатель субблоков; на фиг. 3 приведен переключатель, общий вид; на фиг. 4, 5 показаны некоторые возможные состояния переключателя: картина соединений входов 1, 2, 3, 4 (для р-поляризованных входных сигналов) с выходами 3, 4, 2, 1 (фиг. 4) и 2,1,1,2 (фиг. 5).

Переключатель оптических каналов с четырьмя оптическими входами 1-4 и четырьмя оптическими выходами 1-4 для коммутаторов двумерных изображений содержит четыре идентичных оптически связанных с помощью системы объективов 5 оптоэлектронных субблока I, II, III, IV с двумя оптическими входами, управляемыми модуляторами 6 плоскости поляризации света, и двумя оптическими выходами, и блок 7 управления. Субблоки I, II и субблоки III, IV развернуты относительно друг друга на 90^о так, что первый оптический выход субблока I связан с первым оптическим входом субблока III, второй оптический выход субблока I связан с первым оптическим входом субблока IV, первый оптический выход субблока II связан с вторым оптическим входом субблока III, второй оптический выход субблока II связан с вторым оптическим входом субблока IV.

Каждый из субблоков обеспечивает равенство и неизменность длин оптических путей для световых сигналов, поляризованных в двух ортогональных направлениях, при любых соединениях их оптических входов и выходов, и содержит два управляемых модулятора 6 плоскости поляризации света, шесть элементов 8, вращающих на 90^о плоскость поляризации в отраженных линейно поляризованных световых пучках, состоящие, например, из соответствующим образом ориентированной четвертьволновой пластинки 8-1 и интерференционного отражающего зеркала 8-2; один элемент 9, вращающий на 90^о плоскость поляризации проходящего света, например, соответствующим образом ориентированную полуволновую пластинку, и четыре поляризационно-чувствительных кубика 10, 11, пропускающие р- и отражающие s-компоненту падающих на их диагональную грань световых пучков.

Управляемые модуляторы 6 плоскости поляризации света при подаче управляющих сигналов поворачивают плоскость поляризации проходящих световых пучков на 90^о и могут быть выполнены, например, на основе электрооптических материалов или жидких кристаллов.

При показанной на фиг. 2 компоновке элементов субблока I (компоновка элементов субблоков II, III, IV аналогична) р-поляризованный световой пучок, падающий, например, на четвертую грань первого поляризационно-чувствительного кубика 10 оптического канала 2-2, проходит через диагональную грань и вторую грань этого кубика и первую грань второго поляризационно-чувствительного кубика 11, развернутого относительно первого на угол 90^о вокруг оси, проходящей через водные и выходные каналы 2-2; отражается диагональной гранью второго поляризационно-чувствительного кубика 11 к его четвертой грани; проходя через четвертьволновую пластинку 8-1, превращается в циркулярно поляризованный пучок; отражается элементом 8-2, вновь проходит в обратном направлении через четвертьволновую пластинку 8-1, превращаясь в линейно поляризованный пучок с ортогональным направлением поляризации; проходит через диагональную грань второго поляризационно-чувствительного кубика 11 и установленную на его второй грани четвертьволновую пластинку 8-1, превращаясь в циркулярно поляризованный пучок; отражается зеркалом 8-2, вновь проходит через четвертьволновую пластинку, превращаясь в линейно поляризованный свет, отражается от диагональной грани поляризационно-чувствительного кубика 11 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 10 канала 2-2 падает s-поляризованный световой пучок, то он отракжается 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 1-1 первого поляризационно-чувствительного кубика 10, его диагональную грань, проходит в прямом направлении через размещенную за второй гранью первого поляризационно-чувствительного кубика четвертьволновую пластину 8-1 и, отразившись от установленного за этой пластинкой зеркала 8-2 и пройдя через четвертьволновую пластинку 8-1 в обратном направлении, превращается в s-поляризованный световой пучок, который, отразившись от диагональной грани первого поляризационно-чувствительного кубика 10, пройдя через его третью грань, четвертую, диагональную и вторую грани второго поляризационно-чувствительного кубика 11 (развернутого относительно первого на угол 90^о вокруг оси, соединяющей входные и выходные каналы 1-1), попадает в выходной оптический канал 1 в виде s-поляризованного светового пучка.

Прохождение через элементы субблоков р- и s-поляризованных световых пучков, падающих на первую грань первого установленного в оптическом канале 1-1 поляризационно-чувствительного кубика 10, в силу симметрии схемы аналогично.

Длины оптических путей S_p и S_s соответственно для р- и s-поляризованных сигналов при соединениях портов 1-1 (или 2-2) и 1-2 (или 2-1) равны S_p 4nL + l_н + 4l_Q и S_s4nL + 2l_н + 2l_Q, где L длина ребра поляризационно-чувствительных кубиков; n показатель преломления кубиков; l_Q и l_н длины оптических путей соответственно для четверть- и полуволновой пластинок. Поскольку l_н 2l_Q, то длина оптического пути S_p S_s.

Каждый из субблоков может находиться в четырех состояниях, определяемых управляющими сигналами на модуляторах плоскости поляризации света. Например, для субблока I управляющим сигналам U₁, U₂0,0; 0, U_o; U_o, 0; U_o, U_o соответствуют четыре перестановки (т.е. картины соединений его выходов с выходами): 1p, 2p; 1p,1s; 2s,2p; 2s,1s при входных сигналах 1p,2p и четыре перестановки 2s, 1s; 2s,2p; 1p,1s; 1p,2p при входных сигналах 1s,1s, где, например, 2p обозначает передачу р-поляризованного сигнала через вход 2. Перестановки, выполняемые для наборов p и s входных поляризаций, зависимы. Например, если для p-поляризованных входных сигналов реализуется состояние "сквозное соединение", то для s-поляризованных входных сигналов будет реализоваться состояние "нижняя сборка", и наоборот; если для p-поляризованных входных сигналов реализуется состояние "нижняя сборка", то для s-поляризованных входных сигналов будет реализоваться состояние "верхняя сборка", и наоборот.

Субблоки работают следующим образом. Предположим, что на входы 1, 2 субблока I поступают p-поляризованные сигналы. Блоком 7 управления вырабатывается одна из четырех возможных комбинаций управляющих сигналов U₁,U₂, соответствующая требуемой картине соединений входов с выходами. После завершения переходных процессов в модуляторах плоскости поляризации поступающие во входные каналы 1, 2 световые сигналы передаются в его выходные каналы 1, 2 в соответствии с установившимися соединениями. Одновременно через субблок могут быть переданы оптические сигналы, поляризованные в ортогональной плоскости, т. е. с s-поляризацией, для которых реализуется зависимое состояние. Субблоки II, III, IV работают аналогично субблоку I.

Соединения входных и выходных каналов в предлагаемом переключателе осуществляются оптической системой, состоящей из четырех установленных на его входах 1, 2, 3, 4 объективов 5-1 с фокусным расстоянием F, четырех размещенных между субблоками I, II и субблоками III, IV объективов 5-2 с фокусным расстоянием F/2 и четырех установленных на выходах 1, 2, 3, 4 объективов 5-1 с фокусным расстоянием F, причем фокусное расстояние F равно длине оптического пути между плоскостью изображений А (см. фиг. 3) и плоскостью размещения объективов 5-2, и поэтому (с учетом свойств субблоков) длина оптического пути световых сигналов, передаваемых через любую пару соединенных входных и выходных каналов переключателя, равна 2F независимо от направления их поляризации в плоскости входных изображений.

Предлагаемый переключатель позволяет реализовать все перестановки четырех входных изображений как для p-, так и для s-поляризованных сигналов (фиг. 4). Кроме того, такой переключатель дает возможность передавать изображения двух входных каналов в один выходной канал (фиг. 5) и независимо вводить во входные каналы изображения с ортогональными поляризациями.

Переключатель оптических каналов для коммутаторов двумерных изображений работает следующим образом. Предположим, что на входах 1, 2, 3, 4 формируются p-поляризованные изображения А₁, А₂, А₃, А₄. Блоком 7 управления вырабатывается комбинация управляющих сигналов U₁, U₂, U₃, U₄, U₅, U₆, U₇, U₈, соответствующая требуемой картине соединений входных и выходных каналов. После завершения переходных процессов в модуляторах плоскости поляризации формируемых во входных каналах изображения передаются в выходные каналы 1, 2, 3, 4 в соответствии с установившимися соединениями. Одновременно через переключатель оптических каналов могут независимо передаваться s-поляризованные изображения, т. е. изображения с ортогональной поляризацией, для которых реализуются зависимые соединения пар входных и выходных каналов.

Возможные параметры предлагаемого переключателя оптических каналов при его использовании для построения коммутатора двумерных изображений могут быть оценены следующим образом. Число элементов в передаваемом изображении mxm (например, число бит, которые могут передаваться по каналам параллельно в виде групповой информации) 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 дифрационно ограниченных 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 в выходных каналах 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: (mxm)_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 λ 0,9 мкм на основании (1) найдем mxm 10³ х 10³ при диаметре элементов изображения ≈10 мкм. Учитывая неизбежные аберрации оптической системы и требование простоты ее юстировки, а также возможности создания матриц GaAs вертикально излучающих лазеров и матриц фотоприемников, можно считать, что в практических разработках реально формировать, передавать по оптическим каналам и регистрировать изображения с числом дискретных элементов mxm ≃ 10⁵ при шаге между ними ≈30 мкм.

Темп передачи информации по любой соединенной паре оптических каналов W (произведение пространственной и временной полос 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 Р, допустимым уровнем тепловыделения Q и пороговой чувствительностью фотоприемников Е_п. В отсутствие световых потерь W QL²/Е_п. При Q 10 Вт/см², L² 1 см² и Е_п 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 GaAs 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 предлагаемый 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.

Формула изобретения

1. ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ ДЛЯ КОММУТАТОРОВ ДВУХМЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ с четырьмя входными и четырьмя выходными портами, содержащий шесть управляемых модуляторов плоскости поляризации света, семь поляризационно-чувствительных кубиков, четыре светоотражающих элемента, соединенных оптическими связями, и блок управления, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого подключены к управляющим входам управляемых модуляторов плоскости поляризации света, отличающийся тем, что в него введены два управляемых модулятора плоскости поляризации света, один поляризационно-чувствительный кубик, двадцать четыре элемента, вращающие на 90^o плоскость поляризации отраженных линейно поляризованных световых пучков, четыре элемента, вращающие на 90^o плоскость поляризации проходящих через них линейно поляризованных световых пучков, восемь объективов с фокусным расстоянием F и четыре объектива с фокусным расстоянием F/2, причем управляемые модуляторы плоскости поляризации света, поляризационно-чувствительные кубики, элементы вращающие на 90^o плоскость поляризации отраженных линейно поляризованных световых пучков, элементы, вращающие на 90^o плоскость поляризации проходящих линейно поляризованных световых пучков, сгруппированы в четыре идентичных субблока с двумя управляемыми модуляторами плоскости поляризации света оптическими входами и двумя оптическими выходами, которые обеспечивают равенство и неизменность длин оптических путей для проходящих через эти субблоки поляризованных в двух ортогональных направлениях световых сигналов при любых соединениях их оптических входов и выходов, в оптических входах первого и второго и на оптических выходах третьего и четвертого субблоков установлены объективы с фокусным расстоянием F, равным длине оптического пути проходящих через субблоки световых сигналов, между оптическими выходами первого и второго субблоков и оптическими выходами третьего и четвертого субблоков установлены объективы с фокусным расстоянием F/2, первый и второй субблоки развернуты относительно третьего и четвертого субблоков на 90^o так, чтобы первый выход первого субблока оптически связан с первым входом третьего субблока, второй выход первого субблока оптически связан с первым входом четвертого субблока, первый выход второго субблока оптически связан с вторым входом третьего субблока, второй выход второго субблока оптически связан с вторым входом четвертого субблока, седьмой и восьмой выходы блока управления соединены с управляющими входами седьмого и восьмого управляемых модуляторов плоскости поляризации света.

2. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что в каждом из субблоков выход первого управляемого модулятора плоскости поляризации света оптически связан с первой гранью первого поляризационно-чувствительного кубика первого оптического канала субблока, вторая и третья оптические грани которого оптически связаны соответственно с первым элементом, вращающим на 90^o плоскость поляризации отраженных линейно поляризационных световых пучков, и четвертой гранью второго поляризационно-чувствительного кубика первого канала субблока, у которого первая и третья грани оптически связаны соответственно со вторым и третьим элементами, вращающими на 90^o плоскость поляризации отраженных линейно поляризованных световых пучков, и вторая грань является выходом первого оптического канала субблока, четвертая грань первого поляризационно-чувствительного кубика через элемент, вращающий на 90^o плоскость поляризации проходящих через него линейно поляризованных световых пучков, оптически связана с первой гранью первого поляризационно-чувствительного кубика второго субблока, у которого четвертая, третья и вторая грани оптически связаны соответственно с выходом второго управляемого модулятора плоскости поляризации света, с четвертым элементом, вращающим на 90^o плоскость поляризации отраженных линейно поляризованных световых пучков, и первой гранью второго поляризационно-чувствительного кубика второго канала субблока, вторая и четвертая грани этого поляризационно-чувствительного кубика оптически связаны соответственно с пятым и шестым элементами, вращающими на 90^o плоскость поляризации отраженных линейно поляризованных световых пучков, а его третья грань является оптическим выходом первого канала субблока, первые и вторые поляризационно-чувствительные кубики в обоих субблоках развернуты относительно друг друга на угол 90^o вокруг осей, проходящих через одноименные оптические входы и выходы субблока, оптический выход второго управляемого модулятора плоскости поляризации света является оптическим входом второго канала субблока.

3. Переключатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что управляемые модуляторы плоскости поляризации света выполнены в виде квадратных матриц из четырех управляемых элементов, установленные на оптических входах и выходах субблоков объективы и объективы, размещенные между субблоками, выполнены в виде квадратных растров из четырех объективов, пары первых и пары вторых поляризационно-чувствительных кубиков первого и второго оптических каналов смежных субблоков выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов с квадратным сечением и общей диагональной гранью, пары элементов, вращающих на 90^o плоскость поляризации отраженных линейно поляризованных световых пучков, и пары элементов, вращающих на 90^o плоскость поляризации проходящих линейно поляризованных световых пучков, смежных субблоков выполнены в виде единых элементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5