Устройство уплотнения по длинам волн (варианты) и оптическая атс

Изобретение относится к технике связи и предназначено для электросвязи по оптоволоконным линиям, которые могут использоваться для сверхплотного уплотнения больших групп городских и междугородных линий. Технический результат состоит в создании простых устройств уплотнения. Для этого первый вариант устройства уплотнения содержит челночно-петлевой оптический тракт, на нескольких многократно используемых призмах. Он предназначен для уплотнения с шагом по длине волны от λ=1 до λ=0.1 нанометра либо большого числа оптоволоконные лигий для городских АТС и междугородных магистралей, либо для терминалов и мультиплексоров систем абонентского доступа. Второй вариант - устройство из двух или более каскадов с челночно-петлевым оптическим трактом, предназначено для уплотнения с шагом по длине волны порядка λ=0.01 нанометра. При разрешении по длине волны в сотые доли нанометра оба варианта потребуют точности изготовления только в микрометры. ОАТС содержат общие либо для всех, либо для больших групп линий многолинейные устройства уплотнения и многокаскадную коммутационную систему из многократных оптических соединителей, которые связаны многоточечными межкаскадными экранами вместо огромного числа оптоволоконных соединений. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил., 4 табл.

 

Предлагаемые устройства уплотнения относятся к технике электросвязи по оптическим линиям и могут быть использованы для сверхплотного уплотнения больших групп городских и междугородных оптических линий по длинам волн.

Оптические Автоматические Телефонные Станции (ОАТС) относятся к области городской и междугородной широкополосной телефонной, видеотелефонной или мультимедийной связи, по оптоволоконным линиям, уплотненным по длинам волн.

Современные системы уплотнения оптоволоконных линий по длинам волн от устройств малой плотности WDM на интерференционных фильтрах до интегральных модулей DWDM (уплотнение высокой плотности с шагом по длине волны 3.2-0.4 нанометра) на интерференционных волноводных пластинах или сферических дифракционных решетках описаны в [1].

Известные устройства уплотнения WDM и DWDM имеют следующие недостатки:

- одно устройство уплотняет только одну линию, а при использовании известных устройств в оптических АТС или многоволоконных кабельных магистралях необходимо иметь NL устройств уплотнения для NL≫1 линий;

- для известных систем требуется точность изготовления в сотые доли нанометра, что существенно увеличивает их стоимость и усложняет получение разрешающей способности по длине волны меньшей 0.4 нанометра.

Известны электронные функциональные аналоги ОАТС - цифровые ISDN АТС [2], содержащие цифровую пространственно временную коммутационную систему и систему абонентского доступа по уплотненным медным абонентским линиям к цифровым терминалам, предоставляющую каждому абоненту по два разговорных В канала и D канал сигнализации. ISDN АТС взаимодействуют с другими АТС и коммутационными узлами по соединительным линиям, уплотненным 30-ю или более В каналами и общим каналом сигнализации.

ISDN ATC имеет следующие недостатки:

- для каждой оптоволоконной абонентской и соединительной линии в терминале и на ATC необходимо отдельное устройство преобразования электрических сигналов в оптические и обратно в электрические;

- ISDN ATC коммутируют стандартные В каналы со скоростью передачи 64 кбит в секунду и лишь для небольшого числа абонентов канал N×B, где 1<N<30, что сегодня недостаточно для высококачественной видеосвязи и больших потоков мультимедийной информации.

Известна широкополосная многокаскадная оптическая пространственная коммутационная система из S многократных оптических соединителей [3]. Эта коммутационная система будет использована в ОАТС, поскольку она позволит создать станции от малой до большой емкости с малым объемом оборудования.

Недостаток коммутационной системы [3] в том, что она без дополнительных селекторов и мультиплексоров каналов не может взаимодействовать с уплотненными линиями.

Прототипом предлагаемых устройств уплотнения является устройство на дисперсионном элементе, которым может быть призма или дифракционная решетка [4], установленная между оптическим линейным окончанием и несколькими источниками и/или приемниками неуплотненных сигналов.

Прототип устройства уплотнения имеет следующие недостатки:

- уплотнение только одной линии;

- разрешающая способность по длине волны существенно меньше, чем у DWDM.

Прототипом оптической ATC является оптическая коммутационная станция [5] с М входными и выходными линиями уплотненными N волнами, содержащая М селекторов и мультиплексоров N волн, N коммутационных систем с М входами и М выходами и устройство управления коммутационной станцией.

Прототип при использовании его в ОАТС с М=50-2000 линиями, уплотненными N=50-100 волнами, имеет следующие недостатки:

- прототип содержит М отдельных для каждой линии селекторов и мультиплексоров N волн, изготовление которых требует дорогих технологий с точностями в сотые доли нанометра,

- прототип содержит N основных коммутационных систем, соединенных M×N оптоволоконными цепями с селекторами и мультиплексорами, что существенно увеличивает объем оборудования, усложняет монтаж и увеличивает стоимость коммутационной станции.

Целью предлагаемых технических решений является:

- создание простых устройств уплотнения по длинам волн для большого числа оптоволоконных соединительных линий, с разрешающей способностью большей, чем у DWDM, для ОАТС, многолинейных городских и междугородных магистралей, а также для одной или нескольких абонентских линий и систем абонентского доступа;

- создание устройства уплотнения с простой настройкой на любой диапазон от видимых до инфракрасных волн и на любую длину волны в этом диапазоне;

- создание устройства уплотнения, с существенно меньшими требованиями к точности его изготовления, чем DWDM;

- создание оптических АТС (ОАТС) для широкополосной городской и междугородной связи с пространственной коммутацией каналов от оптоволоконных линий, уплотненных по длинам волн;

- создание ОАТС, "разговорный тракт" которой состоит только из одной коммутационной системы на многократных оптических соединителях и многолинейных устройств уплотнения, связанных вместо оптоволоконных связей многоточечными светопроводящими экранами;

- создание ОАТС, связанных с абонентскими терминалами оптической системой абонентского доступа на малолинейных устройствах уплотнения по длинам волн с разрешающей способностью большей, чем у DWDM;

- создание ОАТС с устройствами уплотнения с существенно меньшими требованиями к точности его изготовления, чем DWDM.

Техническим результатом, предлагаемых решений будет:

- создание простых устройств уплотнения по длинам волн либо многолинейных для ОАТС, городских и междугородных магистралей, с большим, чем у DWDM, числом частотных каналов, либо малолинейных для терминалов и мультиплексоров систем абонентского доступа,

- создание устройств уплотнения с простой настройкой на любой оптический диапазон и любую волну, а также с существенно меньшими требованиями к точности его изготовления;

- создание оптической ISDN ATC, дающей широкополосное оптическое соединение абонент↔абонент, для городской и междугородной телефонной и видеотелефонной связи по оптоволоконным линиям, уплотненным по длинам волн;

- существенное уменьшение объема оборудования, габаритов и стоимости ОАТС, состоящей из многолинейных устройствах уплотнения и одной коммутационной системы большой емкости на многократных оптических соединителях, связанных многоточечными светопроводящими экранами вместо оптоволоконных связей;

- уменьшение требований к точности изготовления и упрощение технологии производства ОАТС из-за простой объемной конструкции многолинейных и многократных устройств и блоков ОАТС.

Поставленная цель в первом варианте устройства уплотнения по длинам волн для NL≥1 оптоволоконных линий уплотненных NW волнами в диапазоне λ1≤λi≤λ2 с шагом по длине волны (λ2-λ1)/NW, достигается тем что между двумерными массивами оптических окончаний ML линий и NL×NW станционных или абонентских окончаний установлены два зеркала с двумерными растрами отверстий ввода/вывода оптических сигналов, в которых размер отверстий меньше dd в линейном и DD в станционном растрах, а между этими зеркалами установлена петля из Р≥1 призм, 1≤MS≤P масок и 0≤MR дополнительных зеркал без отверстий, замыкающих петлю с суммарным углом отклонения луча света от одного зеркала с растром до другого 360° для волны с длиной λ(i), причем зеркало с станционным растрам установлено либо параллельно линейному, либо при MR=0 под углом ϕ, на который призмы отклоняют луч для волны с длиной λ(i), а отверстия размещены группами по G=GH×GV≥1 отверстий в GH столбцах и GV строках в линейном растре и в GH столбцах и GV×NW строках в станционном растре с шагом между отверстиями в группе соответственно dd и DD, кроме того, для петли с оптической длиной L зеркала с растрами установлены к лучам света под малым углом α=±arctg(dd×GH/2×L) по координате Н, либо α=±arctg(NW×GV×dd/2×L) по координате V, а отверстия станционного растра сдвинуты от соответствующих им в линейном растре либо на DD×GH×KW no координате Н, либо на DD×GV×NW×KW по координате V, где KW число витков света в петле из неравенства

в котором Δn - разность коэффициентов преломления соседних волн, β - преломляющий угол призм и Δl - расстояние между призмами, а кроме того, маски имеют по NL отверстий, шириной и длиной отверстий от dd для маски, ближней к растру линейных окончаний до DD, и NW×DD - для ближней к растру станционных окончаний.

Причем между призмами в петле с оптической длиной L установлена оптическая система из одной или нескольких линз с фокусными расстояниями LL к линейному и LE к станционному растру, обеспечивающими сфокусированное изображение каждого растра на другом, а кроме линз оптическая система может содержать переворачивающую призму, кроме того, при dd≠DD для изменения масштабов изображений либо LL/dd=LE/DD, либо одно или несколько зеркал повернуты от линейного растра на суммарный угол αd≥2×(dd-DD)/(KW+1)×KW×L по координате, совпадающей с углом α.

Кроме того, устройство уплотнения для мультиплексоров верхних уровней абонентского доступа состоит только из двух зеркал с растрами отверстий для оптических окончаний NLA≥1 станционных линий, уплотненных NW волнами, и NLA×NA абонентских линий, уплотненных NWA=NW/NA волнами, а окончания установлены у всех или части отверстий под углом α=±arctg(dd/2×L) к зеркалам по координате Н, где dd больше диаметра отверстий линейных окончаний и L оптическая длина расстояния между зеркалами, а между зеркалами установлены Р≥1 призм, причем зеркала установлены под углом ϕ друг к другу, на который по координате V призмы отклоняют луч света с длиной волны λi, кроме того, NLA линейных отверстий размещены по координате Н с шагом DD×KW или dd×KW, а абонентские отверстия смещены по Н на расстояние ddxKW или DD×KW от станционных отверстий и размещены по координате V с шагом DD, где KW число проходов света между зеркалами из неравенства

a Δn - разность коэффициентов преломления соседних волн, β - преломляющий угол призм и Δl - расстояние между призмами, причем DD равно или больше вертикального размера оптических окончаний, а вертикальный размер зеркал должен быть больше DD×NW/NA.

Причем устройство уплотнения для оконечных мультиплексоров абонентского доступа состоит только из двух зеркал с растрами отверстий для оптических окончаний NLA≥1 станционных линий уплотненных NWA волнами и NLA×NWA абонентских линий, окончания которых установлены у всех или части отверстий под углом α=±arctg(dd/2×L) к зеркалам по координате Н, где dd больше диаметра отверстий для линейных окончаний и L оптическая длина расстояния между зеркалами, кроме того, между зеркалами установлены Р≥1 призм, а зеркала установлены под углом ϕ друг к другу, на который по координате V призмы отклоняют луч света с длиной волны λi, кроме того, NLA линейных отверстий размещены по координате Н с шагом dd×KW иди DD×KW, а абонентские отверстия смещены от линейных по Н на расстояние dd×KW или DD×KW и размещены по координате V с шагом DD, где KW число проходов света между зеркалами из неравенства

a Δn - разность коэффициентов преломления соседних волн, β - преломляющий угол призм и Δl - расстояние между призмами, причем DD равно или больше размера окончаний, кроме того, вертикальный размер зеркал должен быть больше DD×NWA.

Поставленная цель во втором варианте устройства уплотнения по длинам волн для NL≫1 оптоволоконных линий, уплотненных NW волнами в диапазоне λ1≤λi≤λ2, достигается тем, что оно состоит из двух или более последовательно соединенных каскадов - устройств уплотнения по первому варианту, в каждом из которых направление отклонения света призмами перпендикулярно предыдущему и/или знак угла и противоположен предыдущему, причем первый и совпадающие с ним по направлению призм каскады разделяют спектр на NH групп по NW/NH волн по координате Н, а каскады, в которых направление призм перпендикулярно первому каскаду, разделяют каждую группу по координате V, кроме того, в этих каскадах одно или несколько зеркал должны состоять из фрагментов с углом наклона, изменяющимся либо плавно для каждой линии, либо ступенчато для группы линий, так чтобы в петле угол отклонения для волн с одинаковым номером во всех NH группах был равен 360°.

Поставленная цель в оптической АТС, к которой по оптоволоконным линиям, уплотненным по длинам волн, подключены абонентские терминалы и соединительные линии других АТС, а между оптическими окончаниями линий установлена оптическая пространственная коммутационная система, достигается тем, что NGLA групп оптических окончаний линий направления А→В размещены в двумерных массивах на NGLA оптических кроссах, из которых NGLA-NGLO массивов оптически связан с входом своего многолинейного первого или второго варианта устройства уплотнения - селектора каналов напрямую, а остальные - через входные блоки NGLO многолинейных мультиплексоров одноволоконных линий, причем селектор каналов i имеет NL(i) входов от NL(i) окончаний и NL(i)×NW(i) выходов, которые через многолинейный формирователь-сумматор изображений станционных растров NGLA селекторов оптически связаны с NC входами пространственной коммутационной системы, состоящей из S последовательно включенных многократных оптических соединителей, a NGLB групп ее выходов оптически связаны через многолинейный формирователь-разветвитель с входами NGLB многолинейных мультиплексоров каналов-устройств уплотнения первого или второго варианта, выходы которых оптически связаны с NGLO выходными блоками мультиплексоров одноволоконных линий и с NGLB-NGLO двумерными массивами линейных окончаний направления В→А, размещенными на оптических кроссах, причем мультиплексор каналов с номером j имеет NL(j)×NW(j) входов и NL(j) выходов к NL(j) окончаниям своего массива, причем NL и/или NW у разных кроссов различны.

Кроме того, в оптической АТС многолинейный мультиплексор одноволоконных линий содержит входной блок со светоделительным элементом, светонаправляющую систему из нескольких линз и выходной блок с зеркалом, а светоделительный элемент либо полупрозрачное зеркало, либо куб призма с двойным лучепреломлением или подобные элементы, кроме того, двойное фокусное расстояние светонаправляющей системы равно оптической длине пути с одной стороны через светоделительный элемент к центру массива линейных окончаний направлений А→В или В→А, с другой - через зеркало соответственно к центру растра линейных отверстий мультиплексора каналов, причем число линз и расстояния между ними в светонаправляющей системе должны быть достаточными для передачи не перевернутого изображения с не измененным масштабом, причем в линию i мультиплексор передает сигналы направлений А→В и В→А на разных волнах, для чего позиции выходов коммутационной системы для i не совпадают с ее входами.

Причем в оптической АТС абонентские терминалы подключены к линейным окончаниям через многоуровневую систему абонентского доступа древовидной структуры, состоящей из из K последовательно включенных мультиплексоров абонентского доступа на устройствах уплотнения только с двумя зеркалами, причем мультиплексоры верхних уровней i<K содержат для каждой линии уровня i≥1 уплотненной NW(i) или меньшим числом волн NA(i) окончаний линий уровня i+1, уплотненных NW(i+1)≤NW(i)/NA(i) волнами, а оконечные мультиплексоры уровня K для каждой линии с NW(K) волнами содержат либо NW(K) оптических или электрооптических окончаний для терминалов без устройств уплотнения, либо NA(K) окончаний с NW(K)/NA(K) волнами для терминалов с устройством уплотнения, причем диапазон волн в мультиплексорах определяется величиной угла между зеркалами.

Кроме того, каждый терминал оптической АТС содержит блок синхронизации и обмена по D каналу, блоки задержки приема и передачи "разговорных" каналов, управляемые по D каналу устройством управления ОАТС, а для уплотненных линий содержит оконечный мультиплексор для NW(K)/NA(K) волн.

На фиг.1 приведен вертикальный разрез оптического тракта первого варианта устройства уплотнения.

На фиг.2 приведен горизонтальный разрез оптического тракта устройства уплотнения.

На фиг.3 приведен вертикальный разрез оптического тракта устройства уплотнения с внутренней оптической системой.

На фиг.4 приведен вертикальный разрез кольцевой петли и элементы второго варианта устройства уплотнения.

На фиг.5 приведены вертикальный и горизонтальный разрезы устройства уплотнения для абонентского доступа и абонентских терминалов.

На фиг.6 приведена блок-схема оптической АТС.

На фиг.7 приведен вертикальный разрез формирователей изображений.

На фиг.8 приведена блок-схема оптической системы абонентского доступа.

В таблице 1 приведена зависимость числа витков в петле устройства уплотнения от числа призм и шага по длине волны.

В таблице 2 приведена зависимость числа линий и каналов от шага по длине волны, размеров и числа призм.

В таблице 3 приведена зависимость числа витков от числа призм и от размеров абонентских окончаний.

В таблице 4 приведены параметры коммутационных систем.

Примечание: на фигурах обозначения элементов состоят из двух частей первая цифра - номер фигуры, а следующие - номер элемента, совпадающий на фигурах 1-5, содержащих его, и на фигурах 6-7.

В заявке предложены два варианта устройств уплотнения по длинам волн, предназначенных для построения многолинейных селекторов и мультиплексоров каналов в NL оптических линиях, уплотненных NW волнами в оптических АТС, или малолинейных мультиплексоров абонентского доступа.

На фиг.1-3 приведен пример первого варианта оптической схемы многолинейного устройства уплотнения с челночно-петлевым оптическим трактом. На фиг.1 показан разрез устройства и вид сбоку на ход лучей света по вертикали, а на фиг.2 - разрез и вид сверху на ход лучей по горизонтали. Структура оптического тракта для упрощения описания будет рассмотрена для тонких параллельных пучков на его входе.

Устройства состоят из двух основных зеркал 11 и 12, на которых размещены двухмерные массивы отверстий 13, для ввода/вывода сигналов от линейных окончаний и отверстий 14 для ввода/вывода станционных сигналов.

Для каждой из NL линий, уплотненных NW волнами, зеркало 11 содержит по одному отверстию, а зеркало 12 по NW отверстий. Причем в селекторе зеркало 11 входное, а для мультиплексора входное зеркало 12.

Оптический тракт устройства уплотнения между зеркалами 11 и 12 содержит петлю из Р≥2 призм 15 и 16, пары зеркал 19 для замыкания оптического тракта. Две призмы 15 направляют свет в петлю, которая может содержать от нуля до (Р-2)/2 дополнительных звеньев. Каждое дополнительное звено петли содержит по 2 призмы 16 и зеркала 17 и 18.

На фиг.1 показан вертикальный разрез петли с двумя дополнительными звеньями, содержащий шесть призм, и вид сбоку на пути оптических сигналов от входных отверстий 13 к выходным отверстиям 14.

Луч света выходит из отверстий 13 или 14 почти перпендикулярно зеркалам 11 и 12. Кроме того, угол отклонения света в призмах 15, 16 и наклон зеркал 17-19 в оптическом тракте выбираются так, что суммарное отклонение оптических сигналов для одной волны из рабочего диапазона составляет 360° и образует замкнутую петлю, в которой оптические сигналы движутся челноком между зеркалами 11 и 12.

Отверстия линейных окончаний на зеркале 11 размещены по горизонтали, а отверстия для станционных окончаний на зеркале 12 соответственно по вертикали.

На фиг.2 показан горизонтальный разрез устройства и вид сверху на пути оптических сигналов от массива линейных окончаний из 4-х отверстий 23 к отверстиям 24, отклоненный на малый угол α призмами 213 и 214 между зеркалами 21 и 22 (аналогичными 11-14 на фиг.1).

Путь под углом α может создаваться, кроме призм 213 и 214, либо поворотом зеркал 21 и 22, либо поворотом всего тракта.

На каждом проходе от зеркала 11 (21) по петле с оптической длиной L вновь к нему луч света с диаметром меньшим, например, dd сдвигается по горизонтали на dd, для угла, равного:

Из-за сдвига в петле оптические сигналы многократно проходят челноком через призмы 15 и 16 между зеркалами 11 и 12 KW раз. При этом из-за сдвига на двух витках свет не попадает в отверстие 13. Число витков KW определяется сдвигом по горизонтали отверстий 14 от соответствующих им 13. На фиг.1 и 2 KW=3.

По вертикали траектория сигналов, например, со средней длиной волны с углом отклонения 360° повторяется на каждом витке, для сигналов с максимальной длиной волны отклоняется призмами меньше (верхний луч на фиг.1), а для сигналов с минимальной длиной волны отклоняется больше (нижний луч), и величина отклонения увеличивается с каждым витком.

Отверстия 13 образуют двумерные растры, состоящие либо из NL отверстий на зеркале 11 и NL×NW отверстий на зеркале 12, либо из NL/G групп отверстий на зеркале 11 по G отверстий в группе и NL/G групп отверстий на зеркале 12 по G×NW отверстий в группе. В растре на зеркале 11 NL отдельных отверстий 13 размещены, например, по горизонтали с шагом dd×KW и по вертикали с шагом dd×NW. NW отверстий 14 сдвинуты по горизонтали на DD×KW от соответствующих им отверстий 13 и размещены с шагом DDxKW, а по вертикали с шагом DD.

Кроме витой петли, на фиг.4 показан пример петли, в которой дополнительные призмы 16 размещаются, например, полукольцом. Для петли с полукольцом призм 16 их число ограничено углом отклонения 360°.

Для стекла из плавленого кварца в диапазоне 1.5-1.6 мкм коэффициент преломления n=1.444179 [7], при этом угол отклонения в одном витке ψ≈360°, достигается при 14 призмах с преломляющим углом β=0.5 радиана, а для β=1 при 8 призмах. В витой петле число призм может быть больше 14 добавлением звеньев при выборе подходящего угла для зеркал 17 и 18. В петле без дополнительных звеньев число призм можно уменьшить до двух.

Между призмами могут устанавливаться l≤М≤Р масок для настройки на необходимую величину диапазона длин волн NW и для улучшения фильтрации оптических сигналов, причем одна из масок - это выходные отверстия 11 или 14.

На фиг.1 маски не показаны для упрощения чертежа, а на фиг.2 показан фрагмент вида отверстий масок 211, установленных на зеркалах 21(11), и 212 на зеркале 22(12).

На каждом витке маски преграждают путь оптическим сигналам с длинами волн выше и ниже рабочего диапазона. Маски содержат для каждого входного отверстия 13 либо по KW отверстий, либо одно отверстие ступенчатой формы с KW ступеньками.

В масках для отверстий от ближнего к входному отверстию до ближнего к выходному ширина отверстий изменяется соответственно от dd до DD, а высота отверстий от от DD до DD×NW или DD×GV×NW в группах.

Для фиг.1 и 2 необходимы параллельные или мало расходящиеся пучки. На фиг.3 показана модификация схемы фиг.1 для расходящихся лучей и их ход на одном витке. В оптический тракт вместо зеркал 19 включена оптическая система из переворачивающей призмы 310 и линз 39.

Линзы 39 должны иметь в сторону зеркал 31 и 32 (11 и 12) двойные фокусные расстояния, равные оптической длине пути до них. При этом изображение, сфокусированное на зеркале 31, линзы 39 сфокусируют на зеркале 32 и наоборот, а между линзами 39 оси лучей света идут параллельно. Линзы 39 переворачивают изображение по двум координатам, а призма 310 компенсирует вертикальный переворот на каждом витке. Горизонтальный переворот компенсируется двукратным проходом через линзы.

Источниками оптических сигналов для мультиплексоров каналов являются многоточечные усилители яркости изображения, либо полупроводниковые матрицы со светодиодными выходами, либо точки люминофора электронно-оптических преобразователей с полосой излучения 50-100 нанометров.

Мультиплексор каждую группу из NW станционных светодиодных выходов в отверстиях 14 объединяет в одно из NL отверстий 13. Для каждого светодиода на KW витках призмы расщепляет спектр на ряд волновых составляющих и отклоняют их на расстояния достаточные для суммирования на выходном отверстии 13.

От верхнего из NW отверстий 14 в отверстие 13 проходит волна с наименьшей длиной, а для нижнего отверстия 14 волна с наибольшей длиной.

Оценить возможности и определить параметры устройств уплотнения с челночно-петлевым оптическим трактом с KW витками для линий, уплотненных NW волнами, с dd шагом между входными отверстиями 13 и DD между выходными отверстиями 14, при равном расстоянии между призмами Δl можно следующим путем.

На фиг.1 при проходе через первую призму оптические сигналы соседних волн разойдутся на угол Δφ, а на расстоянии Δl отклонение сигналов будет d(1)=Δφ×Δl. После второй призмы угол увеличится вдвое, а перед третьей призмой отклонение будет d(2)=d(1)+2×Δφ×Δl. После прохождения Р призм угол отклонения сигналов увеличится до Р×Δφ, а отклонение до d(Р)=d(Р-1)+Р×Δφ×Δl, то есть отклонение сигналов для соседних волн нарастает как сумма членов арифметической прогрессии.

На каждом витке оптические сигналы проходят через Р призм по пути длиной Р×Δl, а при числе витков KW оптические сигналы пройдут P×KW призм, но поскольку в первом витке первая призма дает малое отклонение, поэтому в расчетах будет использоваться значение (P×KW-1) и сигналы отклонятся друг от друга на расстояние Δφ×Δl×(Р×KW-1)×Р×KW×Δl/2, достаточное для их надежного разделения.

Одна призма с коэффициентом преломления n и преломляющим углом β отклоняет оптические сигналы на угол φ из описанного в [6] уравнения:

При малом угле β≤π/6 sinx≈x и выражение для φ упрощается

Для разности коэффициентов преломления соседних волн Δn разность отклонения лучей соседних волн в призме Δφ.

В устройстве с Р призмами и промежутке между призмами Δl число витков KW можно найти из неравенства (2), а угол α из выражения (3).

Здесь Δn×β=Δφ и L оптическая длина пути между зеркалами 11 и 12.

Для плавного перехода от шага dd к DD в петле с оптической длиной L и KW витками достаточно повернуть по горизонтали на малый угол αd одно из зеркал 17-19(37-39) или 52 относительно зеркал 11, 31 или 51.

Каждому отверстию 13 соответствует площадь KW×DD×NW, занимаемая на зеркале 12. Для площади рабочей области призмы SP число линий NL, уплотненных NW каналами определяется выражением

В первом варианте устройства уплотнения (фиг.1-3) размещение отверстий линейного растра с постоянным шагом приводит к размещению отверстий станционного растра по вертикальным или горизонтальным линиям с большими промежутками.

Использование такого размещения в оптических АТС потребует сложных дополнительных устройств - преобразователей изображения устройств уплотнения. Преобразователи изображения будут проще или не потребуются вообще при размещении отверстий в линейных растрах двумерными группами.

Из NL=NLH×NLV отверстий на зеркале 11 можно образовать растры из двумерных групп отверстий 13 по G=GH×GV отверстий в группе. Где MLH число отверстий, например, по горизонтали и NLV по вертикали, a GH число отверстий в группе по горизонтали и GV по вертикали, а в каждой группе отверстия 13 размещены с шагом dd между отверстиями по обеим координатам. На зеркале 12 каждой группе отверстий 13 соответствует группа из G×NW отверстий 14, содержащая GH отверстий по горизонтали и GV×NW по вертикали с шагом DD между отверстиями в группе по обеим координатам.

В двумерных растрах из NL/G двумерных групп на зеркале 11 центры каждой группы из GH отверстий 13 размещены, например, по горизонтали с шагом GH×dd×KW и по вертикали с шагом GV×dd×NW. Группа отверстий 14 сдвинута по горизонтали на GH×DD×KW от соответствующих им отверстий 23 и размещена с шагом, не меньшим GHxDDxKW, а по другой координате с шагом GV×DD×NW.

При таком размещении в устройстве с Р призмами число витков KW можно найти из неравенства (5), а угол α из выражения (6).

Для оптического тракта с кольцевой петлей расстояния между призмами Δl можно выбирать произвольно, а для витой петли расстояния между центрами зеркал 11, 12 и 17, 18 должны быть больше высоты зеркал LV=GV×DD×NW. Это достигается при расстоянии между призмами Δl не меньше выражения

Выражения (2) и (5) для KW совпадают при GV=1, а при GH=KW дадут наиболее оптимальное размещение отверстий 14 квадратными группами. Для городских ОАТС с линиями без волоконных усилителей диапазон 1.5-1.6 мкм можно использовать на половину или полностью при полосе излучения светодиодных выходов 50-100 нм.

Возможности первого варианта приведены таблице 1, содержащей число витков KW, число волн NW, высоту призм LV и шаг DD, близкий к 100 мкм в зависимости от числа призм Р и без учета (7).

KW и DD получены из выражения (2) для β=0.5 и β=1 радиан, Δl=0.1 метра, при Δλ=1, Δλ=0.1 и Δλ=0.01 нм, для стекла из плавленого кварца, у которого в диапазоне 1.5-1.6 мкм коэффициент преломления n=1.444179 и Δn=0.00001195 на 1 нм [7].

При входных отверстиях dd=50 мкм шаг DD, близкий к 100 мкм, необходим для уменьшения влияний соседних частотных каналов.

Из таблицы видно, что теоретически можно получить разрешение с Δλ=0.01 нм и возможно более.

В реальных конструкциях придется учитывать дополнительные параметры, например, при Δλ=1, Δλ=0.1 и Δλ=0.01 нм в диапазоне шириной 50 мкм число волн NW составит 50, 500 и 5000, а при шаге DD=100 мкм высота призм будет больше 5, 50 и 500 мм. Кроме того, расстояние между призмами Δ1 должно быть по выражению (7) в 5 раз больше высоты призм для β=0.5 и в 2.5 раз больше для β=1.

Для Δλ≥0.1 нм, NW≤500 и Δl<5×50 мм первый вариант устройства даже при двух-четырех призмах может уплотнять большое число линий в ОАТС с емкостью от малой до большой.

Для Δλ=0.01 нм высота призм 500 мм и Δl=2500 мм слишком велики, но получить разрешение до NW=5000 и более волн при значительно меньших размерах призм даст второй вариант многолинейного устройства уплотнения.

Второй вариант - многокаскадное устройство уплотнения состоит из 2 или более последовательно соединенных каскадов - многолинейных устройств фиг.1-4.

В первом каскаде, аналогичном устройству уплотнения на фиг.1-3, размещение петли призм произвольно, во втором и следующих каскадах либо центральная плоскость петли перпендикулярна петле предыдущего каскада, либо направление угла α в петле должно быть противоположным петле предыдущего каскада.

В двухкаскадном устройстве для каждой линии уплотненной NW волнами первый каскад с числом витков KW(1) из выражения (2) с критерием DD×NW(1)/NW разделяет спектр сигналов в непрерывную, например, горизонтальную полосу длиной DD×NW(1)/NW. Поскольку NW(1)<NW сигналы соседних волн со сдвигом, меньшим DD наложены на соседние.

Второй каскад с KW(2) из выражения (2) с критерием DD разделяет по вертикали линейчатый спектр в прямоугольный с шириной DD×NW(l) и высотой DD×NWNW(1). При этом каждая группа из NW/NW(1) волн разворачивается по вертикали и по горизонтали с шагом DD.

Выходные отверстия предыдущего каскада по размеру и форме должны совпадать с входными для следующего, а между каскадами для создания углов α должны устанавливаться чередующиеся призмы 211 и 212, показанные на фиг.2.

Оптический тракт второго и/или следующих каскадов должен содержать хотя бы в одной петле показанное на фиг.4 зеркало 49 с плавно или ступенчато изменяющимся углом наклона.

Призмы по-разному отклоняют каждую из NW(1) вертикальных групп волн. Группа с наименьшей длиной волны - нижняя на зеркале 49 - отклоняется больше, а группа с наибольшей длиной - верхняя на зеркале - отклоняется меньше, но зеркало 49 выравнивает их на зеркале 42 (12, 32).

В двухкаскадном втором варианте для каждой линии высота рабочей площади призмы уменьшается в NW(1) раз, а ширина равна DD×NW(1)×KW(2)

KW(2) можно уменьшить в √N раз подключением N-1 дополнительных каскадов с KW=KW(2)/√N для второго и следующих. При этом направление петли для них, как во втором каскаде, а направление бокового смещения противоположно для каждого следующего каскада.

В таблице 2 приведены размеры призм, Δl, KW, NLh, NLv, β и число каналов NC с DD=100 мкм для первого варианта при Δλ=1 и Δλ=0.1 нм и для второго двухкаскадного варианта - при Δλ=0.1 и Δλ=0.01 нм.

Для второго варианта первый каскад разделяет входной сигнал на 20 и 50 групп волн, а второй - каждую группу на 25 и 100 волн для Δλ=0.1 и Δλ=0.01 нм.

Описанные выше два варианта многолинейных устройств уплотнения предназначены для станционного оборудования, а для систем абонентского доступа и абонентских терминалов более удобны модификации первого варианта устройства уплотнения на одной и двух призмах.

На фиг.5 показаны вертикальный и горизонтальный разрезы устройства на двух зеркалах и одной или нескольких призмах. Устройство состоит из двух зеркал 51 и 52 с отверстиями для линейных 53 и абонентских окончаний 54 и призмы 55, аналогичных 11-15. Линейные 513 и станционные 514 окончания размещаются у отверстий 53 и 54 на зеркалах.

На фиг.5 показан ход лучей света справа по горизонтали и слева по вертикали, в котором петля вырождается в ломанную прямую. Для смещения света по горизонтали линейное окончание 513 установлено под углом α, например, с помощью призмы 515.

Путь лучей на фиг.5 показан для окончаний, формирующих тонкий нерасходящийся луч. Устройство для окончаний с значительной угловой апертурой, должно содержать встроенную оптическую систему, например подобную, показанной на фиг.3 из линзы 39 и призмы 310.

Зеркала 51 и 52 установлены на расстоянии с оптической длиной L, а кроме того, под небольшим углом ϕ друг к другу, на который призма 55 отклоняет свет с одной из длин волн в рабочем диапазоне устройства. Для одной призмы с преломляющим углом β=π/6=30° и стекла из плавленого кварца в середине диапазоне 1.5-1.6 мкм коэффициент преломления n=1.444179 [7], а для краев диапазона n=1.444179±0.000975. При этом угол ϕ можно получить из описанного выше выражения (0)

Устройства на фиг.5 могут использоваться для разделения оптических сигналов с NW волнами либо на N групп по NW/N волн, либо на NW волн. В первом случае отверстия на абонентском растре должны быть прямоугольными или овальными с высотой DD и шириной dd, при этом устройство разделяет соседние волны на DD/N, а во втором случае отверстия могут быть круглыми или прямоугольными.

В таблице 3, рассчитанной по неравенству (2), приведено число витков KW в тракте с оптической длиной L=10 сантиметров и одной (фиг.5) или двумя (фиг.1, 3) призмами, для прямоугольных отверстий с DD=1.0-2.5 мм и dd=0.1 мм, при шаге по длине волны Δλ=1 и Δλ=0.1 нм.

Для мультиплексоров абонентского доступа, разделяющих входной поток на N направлений, существенными параметрами являются толщина и площадь устройства S по наибольшим размерам.

Толщина устройства с одним линейным окончанием и без увеличения либо T=KW×dd для прямоугольных отверстий, либо TK=KW×DD для круглых.

В устройстве с увеличения в K раз для одного линейного окончания толщина T=KW×DD, где KW необходимое для шага DD/K, а высота для обоих случаев N×DD.

Челночный тракт с почти прямоугольной формой витка и оптической длиной петли между центрами зеркал 11, 12 L, свет проходит между зеркалами почти 3 раза, поэтому ширину примерно L/3, но высоту примерно 2×N×DD, а площадь тракта составит

Для устройства с одной призмой и расстоянием L между центрами зеркал 51, 52 высота вдвое меньше, чем в петлевом устройстве, свет проходит через призму 2 раза и KW одинаково с петлевым вариантом, поэтому площадь будет

В таблице 3, кроме KW, приведены значения Т и S для оптического тракта с одной и двумя призмами, прямоугольными отверстиями с dd=0.1 мм, D=1.0-2.5 мм, N=15 и L=10 сантиметров.

Из таблицы 3 видно, что в зависимости от DD толщина оптического тракта лежат в диапазоне от 3 до 14,5 мм, а площадь от 15 до 37.5 см кв.

Такое устройство можно разместить либо в небольшом прямоугольном корпусе, либо на интерфейсной карте персонального компьютера.

Настройка устройств в абонентских терминалах и мультиплексорах на необходимый диапазон волн осуществляется выбором угла наклона зеркал 19 или 52 от 11 и 51, а также выбором рисунка масок и растров. Настройка на свою волну осуществляется перемещением в одно из возможных положений источника (светодиода) и приемника (фотодиода).

Для краев диапазона 1.5-1.6 мкм разность коэффициента преломления призмы из плавленого кварца Δn=0.00195. Выбор любого поддиапазона потребует смещение края зеркала меньше DL, которую при длине зеркала, например, LL=50 мм и призмы с β=π/6 можно получить из выражения

Для столь малого смещения настройку можно осуществлять дистанционно, закрепив края зеркала 19 или 52 на пьезокерамике, на которую подается напряжение, изменяемое в зависимости от необходимого поддиапазона.

Поставленная цель - более высокое разрешение, чем в DWDM, как показано в таблице 2, выполняется даже в первом варианте устройства уплотнения, а второй вариант даст разрешение на порядок большее чем в DWDM, даже при небольших размерах призм и расстояниях между ними.

Поставленная цель - упрощение технологии достигается объемной конструкцией и простотой элементов. При разделении соседних волн на 50-100 мкм потребуются точности порядка нескольких микрометров, а не тонкие технологии с точностями порядка долей нанометра - как в DWDM.

Поставленная цель простота настройки на любой диапазон реализуется выбором наклона одного или нескольких зеркал 17-19 в устройстве на фиг.1 и 3, либо выбором угла между зеркалами 51 и 52.

На фиг.6 приведена блок-схема оптической АТС (ОАТС), коммутирующей NC широкополосных каналов со скоростями передачи 2-8 Мбит от абонентских видеотелефонных ТВ и/или телефонных ТФ терминалов и других АТС, подключенных по NL волоконно-оптическим линиям, разделенным на несколько групп с разным числом волн и/или разным числом волокон. Терминалы подключены к ОАТС через систему абонентского доступа, содержащую либо двухволоконные линии с симплексной передачей в каждом волокне, либо одноволоконные линии с дуплексной передачей информации прямого и обратного направлений на разных волнах.

На фиг.6 показаны две группы линий NL=NLS+NLD, из которых NLS двухволоконные линии, уплотненные NWS волнами, a NLD одноволоконные линии, уплотненные NWD волнами.

ОАТС состоит из одного или нескольких входных оптических кроссов 60 и одного или нескольких выходных оптических кроссов 62. Оптические кроссы - это плоские или полусферические панели с двумерными массивами отверстий, в NL из которых размещены оптические окончания линий 63 и 64, а также электрооптические окончания 617 и 618.

Окончания 63 и 64 либо фоконы, либо гринлинзы, либо микролинзы или им подобные элементы.

На фиг.6 показаны установленные на верхнем кроссе 60 окончания одноволоконных линий 63, а также приемные 63 и передающие окончания 64 двух волоконных линий, установленные на нижних кроссах 60 и 62.

К окончаниям одноволоконных линий 63 подключаются линии, к системе абонентского доступа 65.

К окончаниям двух волоконных линий 63 и 64 подключаются либо линии к системе абонентского доступа 65, либо соединительные линии от других ОАТС и/или оптических узлов входящих/исходящих связей 66. Кроме того, к кроссам подключаются уплотненные линии к многоканальным справочным и мультимедийным службам, а также к сервисным службам, например, для видеоконференц-связи.

Кроме оптических линий, на кроссах двухволоконных линий могут быть установлены электрооптические окончания соединительных линий от электронных или электромеханических АТС 616 и сервисных служб, подключенные к линиям через согласующие устройства 19. Эти окончания - светодиоды 617 и фотодиоды 618.

Между кроссами установлены многолинейные селекторы 67 и мультиплексоры 68 на устройствах уплотнения по длинам волн, описанных выше для фиг.1-4.

Они могут быть общими либо для всех NL линий, либо для одной или нескольких групп однотипных линий, например NLS и/или NLD с разным числом каналов уплотняемых в одну линию.

Линейные окончания 63 - источники оптических сигналов связаны с входами селекторов 67 оптическими проекционными системами 611, которые формируют уменьшенное изображение источников на линейных растрах селекторов. Выходы мультиплексоров 68 связаны с приемниками оптических сигналов - линейными окончаниями 64 проекционными системами 612, которые фокусируют увеличенное выходное изображение мультиплексоров на окончаниях 64.

Для одноволоконных линий верхние на фиг.6 оптическая система 611 и селектор 67, а также выход мультиплексора 68 оптически связаны многолинейным мультиплексором одноволоконных линий, который состоит из входного блока с светоделительным зеркалом или призмой 613, оптической системы 614 и выходного блока с зеркалом 615.

Оптическая система 614 фокусирует выходное изображение мультиплексора 68 через зеркала 615, 613 и оптическую систему 611 на линейных окончаниях кросса 60, не изменяя масштаба и положения элементов выходного изображения.

Между селекторами 67 и мультиплексорами 68 установлена пространственная оптическая коммутационная система 69 на S последовательно включенных многократных оптических соединителях, которые описаны в [3].

Оптические соединители связаны друг с другом многоточечными светопроводящими экранами, одна сторона каждого из которых - это массив приемников для предыдущего каскада, а другая - массив источников для следующего. Часть светопроводящих экранов пассивные, например оптоволоконные шайбы или матовые стекла, а другая часть усилители яркости изображений, например, либо электроннооптические преобразователи с люминофором малого послесвечения, либо полупроводниковые матрицы со структурой типа фототранзистор-светодиод.

Выходы всех селекторов 67 оптически соединяет с входами коммутационной системы формирователь-сумматор 620, который объединяет выходные изображения селекторов и размещает их элементы на входе коммутационной системы с постоянным шагом по вертикали и горизонтали.

Выходы коммутационной системы 69 связывает с входами мультиплексоров 68 формирователь-разветвитель 621, который разделяет массив выходов на группы выходов и направляет их на входы мультиплексоров.

К коммутационной системе подключены управляющие выходы 622 устройства программного управления 610. Кроме того, устройство 610 имеет группу оптических либо электрических выходов и входов абонентской и межстанционной сигнализации 623 и 624, оптические либо электрооптические окончания 617 и 618 которых установлены на кроссах двухволоконных линий.

Через эти окончания, устройства уплотнения 67, 68 и коммутационную систему 69 устройство управления 610 может подключаться к D каналам абонентской сигнализации и общим каналам сигнализации других АТС или ОАТС.

Все видеотелефонные ТВ и телефонные ТФ терминалы для синхронной работы ОАТС содержат схемы синхронизации и обмена по D каналу, а также схемы управляемой задержки передаваемой и принимаемой "разговорной информации", которыми управляет устройство программного управления ОАТС 6410 по D каналам сигнализации.

Для всех одноволоконных линий, подключенных к верхнему на фиг.6 кроссу 60, ОАТС содержит многолинейный мультиплексор, который состоит из светоделительного элемента 613, оптической системы 614 и зеркала 615.

Светоделительный элемент 613 может быть, например, либо полупрозрачным зеркалом, либо куб призмой с двойным лучепреломлением.

Мультиплексор направляет на оптическое окончание 63 каждой линии выходные оптические сигналы мультиплексора 68 для этой линии.

Оптическая система 614 состоит из нескольких линз, например из трех, при этом двойные фокусные расстояния системы должны оканчиваться слева через оптическую систему 611 в центре кросса 60, а справа в центре выходного окна селектора 67. Кроме того, линзы системы 614 должны размещаться на таких расстояниях, чтобы масштабы входного и выходного изображений были подобными или равными.

Для сигналов объединяемых мультиплексором 613-615 позиции оптических сигналов на выходе селектора 67 и на входе мультиплексора 68 должны быть смещены на расстояние, которое устройство 68 объединит по длине волны в одну линию.

Светоделительный элемент мультиплексора 613 может быть установлен либо как показано на фиг.6, либо между выходом мультиплексора 68 и оптической системой 612, а зеркало 615 на входе селектора 67, при этом окончания одноволоконных линий будут на кроссе 62.

На фиг.7 приведен вертикальный разрез оптической схемы формирователей входного и выходного изображений коммутационной системы. Между выходами селекторов каналов 77 и входом коммутационной системы 79 размещен формирователь-сумматор 720, состоящий из нескольких линзовых растров 730, по одному растру на каждый селектор. Линзы в растрах размещены так, что побочные оптические оси каждой линзы [8] соединяют центр своей группы отверстий станционного растра с центром соответствующих им входов коммутационной системы 79.

Между выходами коммутационной системы 79 и входами мультиплексоров каналов 78 размещен формирователь-разветвитель 721, разделяющий изображение нескольких групп выходов системы 79 линзовыми растрами 730 на соответствующие им группы входов мультиплексоров 78.

Для уменьшения потерь света на выходных и входных растрах отверстий устройств 77 и 78 размещены призмы или растры призм 731, содержащие по одной призме на каждую группу отверстий, а на входах и выходах коммутационной системы размещены призмы или растры призм 732. Призмы 731 и 732 отклоняют лучи света от источников света к линзам 730.

Вместо призм 731 и 732 могут устанавливаться растры квадратных или прямоугольных фрагментов линз, в которых оптический центр каждой линзы смещен так, что ее побочная оптическая ось совпадает с побочной осью линз 730.

На фиг.8 приведена оптическая блок схема многоуровневой древовидной системы абонентского доступа, в которой оптоволоконные линии уплотнены NW либо меньшим числом широкополосных каналов. От размещенных на кроссе 80 оптических окончаний 88 линии разветвлены в древовидную структуру каскадным подключением оптических магистральных мультиплексоров 83, содержащих либо устройства уплотнения с челночно-петлевым трактом (фиг.1-3) без дополнительных звеньев, либо устройство уплотнения на одной призме на фиг.5.

К абонентским выходам мультиплексоров 83 подключаются небольшие группы мультиплексоров 83 и/или оконечных мультиплексоров абонентского доступа 84, 85. Мультиплексоры 83 разделяет поток NW на несколько групп волн, например, первый на K1 групп волн, второй разделяет поток NW/K1 волн на K2 и далее к оконечным мультиплексорам 84, 85 и цепочкам ответвителей 87 или терминалам 86 с оконечным устройством уплотнения, причем мультиплексоры 83-85 разделяют волновые потоки почти без потери мощности сигналов. Для абонентских терминалов целесообразно использовать устройство на одной призме.

В устройствах уплотнения мультиплексоров абонентского доступа линейные окончания и/иди электрооптические преобразователи размещаются у отверстий на основных зеркалах 11(51) и 12(52).

Линейные окончания могут быть либо гринлинзами, либо фоконами, либо шлифованными концами оптоволокна с внутренним диаметром от 0.05 до 2.5 мм.

В мультиплексорах 83 и 85 на отверстиях абонентских растров устройств уплотнения устанавливаются оптические окончания линий, а в мультиплексорах 84 электрооптические преобразователи-светодиоды и фотодиоды, к которым подключены электронные интерфейсные схемы.

К ОАТС могут подключаться телефонные или видеотелефонные терминалы 81 и 86 с оптическим интерфейсом и/или терминалы 82 с электрическим интерфейсом.

Терминалы 81 подключаются к мультиплексорам 85 и содержат только электрооптические преобразователи-светодиоды и фотодиоды.

Терминалы 82 подключаются к мультиплексорам 84 по витым парам.

Терминалы 86 содержат оконечное устройство уплотнения на одной призме и подключаются к мультиплексорам 83 либо напрямую, либо через цепочки пассивные ответвителей 87. Ответвители вносят потери мощности, ограничивающие число терминалов или длину линий, и могут использоваться в оконечной разводке в доме или подъезде.

ОАТС предоставляет каждому терминалу D канал синхронизации и несколько "разговорных и мультимедийных" каналов либо по нескольким линиям от мультиплексоров 84 и 85, либо по одной линии от мультиплексоров 83. Для каждого терминала 86 в коммутационной системе выделяется отдельный вход/выход D канала, а для терминалов 81 и 82 либо отдельный, либо один общий на мультиплексор 84 и 85, при этом D канал разветвляется в мультиплексорах.

Коммутационная система ОАТС 69 (фиг.6) описана в [3] и состоит из S многократных оптических соединителей. Соединитель с номером 1 в диапазоне 1≤i≤S выполняет функции K(i) независимых коммутационных матриц с M(i) входами и N(i) выходами в каждой матрице. Основной коммутационный элемент системы-матрица оптических ключей на жидких кристаллах или сегнетокерамике.

Все соединители последовательно связаны пассивными светопроводящими экранами или многоточечными усилителями яркости изображений. Одна сторона экрана или усилителя на входе коммутационной системы или соединителя с номером i - это массив приемников оптических сигналов, а другая - массив источников для первого или i+1 соединителя.

В качестве усилителей могут использоваться полупроводниковые матрицы со структурой, например, фототранзистор-светодиод, либо электронно-оптические преобразователи.

Реальные параметры коммутационных систем, например, на индикаторных панелях на 640×480 точек приведены в таблице 4 для одной и четырех панелей.

В таблице приведены значения K×М и M×N и показаны две группы параметров для одной и четырех панелей оптических ключей. В каждой группе приведены общее число каскадов S, число выбирающих каскадов В, число смешивающих каскадов С и Д число путей от каждого входа к каждому выходу. Причем один каскад может частично выполнять функции выбирающего и смешивающего.

Емкость M×N коммутационных матриц в оптическом соединителе зависит от потерь света в соединителе и от усиления, которое дают усилители яркости изображений.

Электронно-оптические преобразователи с микроканальной пластиной дают усиление от 50 до 500 раз.

Для усиления 50 в коммутационной системе возможны значения M×N от 2×2 до 8×8, а для усиления 500 возможны значения от 8×8 до 32×32.

Коммутационная система на основе многократных оптических соединителей, с числом входов/выходов, приведенным выше в таблице 4, охватывает диапазон емкостей ОАТС и оптических коммутационных узлов от малой до большой.

Абонентские терминалы содержат блок электрооптического или электронного интерфейса либо абонентский мультиплексор, к которым подключены блок D канала, один или несколько блоков "разговорных или мультимедийных" каналов, каждый из которых содержит субблоки задержки приема и передачи. Кроме того, терминал содержит пользовательский интерфейс к компьютеру, клавиатуре, устройствам отображения (монитор и/или телевизор), памяти (видеомагнитофон), видеокамере и другим абонентским устройствам.

Работает ОАТС на фиг.6 следующим образом. К оптическим кроссам 10 и 12 подключены оптоволоконные уплотненные по длинам волн соединительные линии от других АТС, ОАТС и/или узлов исходящих/входящих связей и линии от абонентских терминалов, через систему абонентского доступа 65.

В системе абонентского доступа мультиплексоры 83 уровня 1 разветвляют сигнал одной линии к N(i)=5-15 линиям с NW(i)/N(i) волнами, на уровне i+1 сигнал одной линии разветвляют к N(i+1)=5-15 линиям с NW(i)/N(i)×N(i+1) волнами и т.д., а оконечные мультиплексоры 84, 85 разделяют группу нижнего уровня на N=5-15 линий к терминалам.

Оптоволоконные линии уплотнены широкополосными каналами, большая часть которых используется для мультимедийных и "разговорных" соединений. Кроме этих каналов, каждая абонентская линия содержит несколько общих D каналов абонентской сигнализации, а каждая соединительная или одна на группу линий содержит общий канал сигнализации № 7 (ОКС7).

При первоначальном пуске или рестарте устройство программного управления 610 выполняет режим конфигурации. В этом режиме устройство управления очищает память состояния коммутационной системы, а затем выдает в коммутационную систему 69 по своим выходам 622 последовательность команд, по которой в коммутационной системе проключаются постоянные пути от выходов сигнализации 623 к D каналам группы абонентских линий и каналам ОКС7 соединительных линий в селекторах 67, а также от его входов сигнализации 624 в мультиплексорах 68 проключаются постоянные пути к D каналам группы абонентских линий и каналам ОКС7 соединительных линий.

По D каналам устройство управления 610 передает команды "рестарт" и "не готов к приему" с общим для всех терминалов адресом, по которым все терминалы группы абонентских линий прекращают передачу, устанавливают нулевую задержку передачи и ожидают команд синхронизации.

После этого устройство 610 начинает последовательно синхронизировать терминалы, подключенные к каждой линии. Для этого устройство 610 выдает по D каналу команду "готов к приему" с адресом первого терминала, а за ней начинает передачу тестовой последовательности, состоящей из нескольких фрагментов сдвинутых на доли бита. Терминал синхронизируется по первому фрагменту тестовой последовательности и без задержки транслирует ее к ОАТС.

Устройство программного управления 610 принимает ответ терминала через селектор 67 коммутационную систему 69 и мультиплексор 68. По правильно принимаемой части тестовой последовательности устройство 610 определяет время распространения. Устройство 610 сохраняет величину задержки в памяти, выделенной терминалу.

По завершении синхронизации терминалов в подключенных абонентских линиях устройство управления выдает в коммутационную систему последовательность команд для переключения входов/выходов 624/623 к следующей группе линий и повторяет этот процесс до окончания обслуживания всех абонентских линий.

Для соединительных линий устройство управления ОАТС по общим каналам сигнализации поочередно запрашивает от других АТС тестовую последовательность. По правильному приему одних фрагментов и ошибкам в других устройство управления 610 определяет для каждой линии смещение приходящего сигнала от синхроцикла ОАТС на доли бита и байта. Устройство управления ОАТС запоминает эту информации для каждой соединительной линии в своей памяти и переходит в режим коммутации графика.

В режиме коммутации устройство управления 610 поочередно переключает выходы/входы 623/624 ко всем группам абонентских и соединительных линий. Для каждой группы устройство управления ОАТС принимает сообщения от D каналов абонентских линий и общих каналов сигнализации соединительных линий.

Для D каналов устройство управления поочередно периодически опрашивает терминалы командой "готов к приему" с адресом выбранного терминала.

Терминал либо передает по D каналу одно или несколько сообщений для ОАТС и заканчивает сеанс опроса командой готовности, либо оканчивает сеанс без передачи сообщений, а ОАТС завершает опрос терминала командой "не готов к приему",

Сообщения, принятые из каналов D и ОКС7, устройство программного управления ОАТС обрабатывает по алгоритмам, аналогичным принятым в ISDN АТС, формирует ответные сообщения и передает их в каналы D и ОКС7.

По сообщениям типа "SETUP", требующим установления соединений, устройство управления находит в памяти состояний коммутационной системы свободный путь от канала А, по которому поступил "вызов", к каналу В соединительной линии или абонента, номер которого содержится в сообщении вызова, и второй путь от канала В к каналу А.

Устройство управления отмечает эти пути занятыми в своей памяти на все время разговора. Затем, при ответе вызываемого абонента, по этим путям устройство управления проключает в коммутационной системе два соединения А→В и В→А. Кроме того, по определенной в режиме конфигурации задержке принимаемых сигналов от терминалов или соединительных линий А передает в терминал В команду "установить задержку приема".

По сообщениям "отбой" или "разъединение", устройство управления разрывает соединения на путях А→В и В→А и отмечает эти пути свободными.

Многолинейный мультиплексор одноволоконных линий 613-615 на фиг.6 работает следующим образом. Входное зеркало 613 пропускает часть энергии оптического сигнала от всех окончаний 63 на вход селектора 67. Зеркало 615 отражает выходные оптические сигналы мультиплексора 68 для всех одноволоконных линий через оптическую систему 614 на зеркало 613. Последнее отражает через оптическую систему 611 на линейные окончания 63.

Для каждой одноволоконной линии мультиплексор 68 объединяет сигналы для всех ее каналов на позиции, которая совпадает с позицией этой линии на входе селектора 67, а мультиплексор 613-615 совмещает выходные сигналы одноволоконной линии с ее входными на окончании 63.

Сигналы прямого и обратного направления каждого терминала передаются на разных волнах. Для этого устройство управления ОАТС выбирает для каждого канала в линии позиции на выходе коммутационной системы 69 сдвинутые относительно позиции на ее входе.

Таблица 3
Р	DD	мм	1.0	1.5	2.0	2.5	1.0	1.5	2.0	2.5
Δλ	Δволн	1	1	1	1	0.1	0.1	0.1	0.1
1	KW	витков	29	37	41	47	93	113	131	145
	Т	мм	2.9	3.7	4.1	4.7	9.3	11.3	13.1	14.5
S	см кв.	15	22.5	30	37.5	15	22.5	30	37.5
2	KW	витков	29	37	41	47	93	113	131	145
	T	мм	2.9	3.7	4.1	4.7	9.3	11.3	13.1	14.5
S	см кв	10	15	20	25	10	15	20	25

Таблица 4
	одна панель	четыре панели
M×N	K×M	S	В	С	D	K×M	S	В	С	D
2×2	76800	21	17	4	16	307200	23	19	4	16
4×4	38400	10	8	2	16	153600	11	9	2	16
8×8	19200	6	5	1	8	76800	7	6	1	16
16×16	9600	5	4	1	64	38400	5	4	1	16
32×32	4800	4	3	1	128	19200	4	3	1	32
64×64	2400	3	2	1	64	9600	3	2	1	16

Использованные источники

1. Современные технологии цифровых оптических сетей связи (АТМ, PDH, SDH, SONET И WDM). Н.Н.Слепов. М.: Радио и Связь, 2000, стр.362-371, рис.11.4-11.6

2. ISDN. Цифровая сеть с интеграцией служб. Понятия, методы, системы. П.Беккер. М.: Радио и связь, 1991, стр.182-103, рис 6.6-6.8.

3. Патент РФ 2238615, 20.10.2004, фиг.1-5.

4. Оптика и связь. А.Казанне, Ж.Флере, Г.Мэтр, М.Руссо. М.: Мир. 1984, стр.437-440, рис.18.3-18.4

5. Патент WO 3081941 А2, 22.03.2003, фиг.1-6. Опубликован в бюллетене "Изобретения стран мира" 2004. Выпуск 110. № 10, стр.384-385.

6. Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. М.: Наука. 1965, стр.571, рис.V.6.3.

7. Оптические материалы для инфракрасной техники. Е.М.Воронкова и др. М.: Наука. 1965, стр.144-147.

8. Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. М.: Наука. 1965, стр.575, рис.V.6.6.

1. Устройство уплотнения по длинам волн для NL≥1 оптоволоконных линий уплотненных NW волнами в диапазоне λ1≤λi≤λ2, отличающееся тем, что между двумерными массивами оптических окончаний NL линий и NL×NW станционных или абонентских окончаний установлены два зеркала с двумерными растрами отверстий ввода/вывода оптических сигналов, в которых размер отверстий меньше dd в линейном и DD в станционном растрах, оптически связанные с массивами окончаний, а между этими зеркалами установлена петля из Р≥1 призм, 1≤MS≤P масок и 0≤MR дополнительных зеркал без отверстий, замыкающих петлю с суммарным углом отклонения луча света от одного зеркала с растром до другого 360° для волны с длиной λ(i), причем зеркало с станционным растром установлено либо параллельно линейному, либо при MR=0 под углом ϕ, на который призмы отклоняют луч для волны с длиной λ(i), а отверстия размещены группами по G=GH·GV≥1 отверстий в GH столбцах и GV строках в линейном растре и в GH столбцах и GV·NW строках в станционном растре с шагом между отверстиями в группе соответственно dd и DD, кроме того для петли с оптической длиной L зеркала с растрами установлены к лучам света под малым углом α=±arctg(dd·G≥2·L) по координате Н, либо α=±arctg(NW·GV·dd/2·L) по координате V, а отверстия станционного растра сдвинуты от соответствующих им в линейном растре либо на DD·GH·KW по координате Н, либо на DD·GV·NW·KW по координате V, где KW число витков света в петле с равными или средним расстоянием Δl между призмами из неравенства

Δn·β·Δl·P·KW·(P·KW-1)/2≥GV·DD,

в котором Δn разность коэффициентов преломления соседних волн и β преломляющий угол призм, а маски имеют по NL отверстий, шириной и длиной отверстий от dd для маски ближней к растру линейных окончаний до DD и NW·DD для ближней к растру станционных окончаний.

2. Устройство уплотнения по п.1, отличающееся тем, что между его призмами в петле с оптической длиной L установлена оптическая система из одной или нескольких линз с фокусными расстояниями LL к линейному и LE к станционному растру, обеспечивающими сфокусированное изображение каждого растра на другом, а между линзами оптическая система содержит переворачивающую призму, кроме того при dd≠DD для изменения масштабов изображений либо LL/dd=LE/DD, либо одно или несколько зеркал повернуты от линейного растра на суммарный угол αd≥2·(dd-DD)/(KW+1)·KW·L по координате совпадающей с углом α.

3. Устройство уплотнения по длинам волн для NL≥1 оптоволоконных линий, уплотненных NW волнами в диапазоне λ1≤λi≤λ2, отличающееся тем, что оно состоит из двух или более последовательно соединенных каскадов - многолинейных устройств уплотнения по п.1 или 2, в каждом из которых направление отклонения света призмами перпендикулярно предыдущему и/или знак угла α противоположен предыдущему, причем первый и совпадающие с ним по направлению призм каскады разделяют спектр на NH группы по NW/NH волн по координате Н, а каскады, в которых направление призм перпендикулярно первому каскаду, разделяют каждую группу по координате V, кроме того, в этих каскадах одно или несколько зеркал должны состоять из фрагментов с углом наклона, изменяющимся либо плавно для каждой линии, либо ступенчато для группы линий так, чтобы в петле угол отклонения для волн с одинаковым номером во всех NH группах был равен 360°.

4. Оптическая АТС, к которой по оптоволоконным линиям, уплотненным по длинам волн, подключены абонентские терминалы и соединительные линии других АТС, а между оптическими окончаниями линий установлена пространственная оптическая коммутационная система, состоящая из S последовательно включенных многократных оптических соединителей, отличающаяся тем, что NGLA групп оптических окончаний линий направления А→В размещены в двумерных массивах на NGLA оптических кроссах из которых NGLA-NGLO массивов оптически связаны с входами своих многолинейных устройств уплотнения, выполненных по любому из пп.1, 2 или 3 - селекторов каналов напрямую, а остальные через входные блоки NGLO многолинейных мультиплексоров одноволоконных линий, причем селектор каналов i имеет NLW(i) входов и NLW(i)×NW(i) выходов, которые через многолинейный формирователь-сумматор изображений NGLA селекторов, оптически связаны с NC входами пространственной коммутационной системы, a NGLB групп ее выходов через многолинейный формирователь-разветвитель оптически связаны с входами NGLB мультиплексоров каналов - многолинейных устройств уплотнения, выполненных по любому из пп.1, 2 или 3, выходы которых оптически связаны с NGLO выходными блоками мультиплексоров одноволоконных линий и с NGLB-NGLO двумерными массивами линейных окончаний направления В→А, размещенными на оптических кроссах, причем мультиплексор каналов с номером j имеет NLW(j)×NW(j) входов и NLW(j) выходов к NLW(j) окончаниям своего массива, причем NLW и/или NW у разных кроссов могут быть различны.

5. Оптическая АТС по п.4, отличающаяся тем, что многолинейный мультиплексор одноволоконных линий содержит входной блок со светоделительным элементом, светонаправляющую систему из нескольких линз и выходной блок с зеркалом, а светоделительный элемент либо полупрозрачное зеркало, либо куб призма с двойным лучепреломлением или подобные им элементы, кроме того, фокусные расстояния светонаправляющей системы равны оптической длине пути с одной стороны через светоделительный элемент к центру массива линейных окончаний направлений А→В или В→А, с другой через зеркало соответственно к центру растра линейных отверстий мультиплексора каналов, причем число линз и расстояния между ними в светонаправляющей системе должны быть достаточными для передачи не перевернутого изображения с не измененным масштабом, причем в линию i мультиплексор передает сигналы направлений А→В и В→А на разных волнах, для чего позиции выходов коммутационной системы для i не совпадают с входами для нее.

6. Оптическая АТС по п.4, отличающаяся тем, что абонентские терминалы подключены к станционным линейным окончаниям через многоуровневую систему абонентского доступа древовидной структуры, состоящей из K последовательно включенных мультиплексоров абонентского доступа на устройствах уплотнения, выполненных по п.1 или 2 с MR=0, причем мультиплексоры уровня i<K содержат для каждой линии уровня i≥1 уплотненной NW(i) или меньшим числом волн, NA(i) окончаний линий уровня i+1, уплотненных NW(i+1)≤NW(i)/NA(i) волнами, а на нижнем уровне K мультиплексоры для каждой линии с NW(K) волнами, содержат либо NW(K) оптических или электрооптических окончаний для терминалов без устройства уплотнения, либо NA(K) окончаний с NW(K)/NA(K) волнами для терминалов с устройством уплотнения, причем диапазон волн в мультиплексорах определяется величиной угла между зеркалами.

7. Оптическая АТС по п.6, отличающаяся тем, что каждый терминал содержит блок синхронизации и обмена по D каналу, блоки задержки приема и передачи "разговорных" каналов, управляемые по D каналу устройством управления ОАТС, а также линейный интерфейс либо электрический, либо оптический для оконечных уплотненных линий с мультиплексором для NW(K)/NA(K) волн.