Метод параллельной коммутации оптических сигналов в волноводных каналов и исследование возможных путей его реализации

Неевина, Татьяна Александровна

Метод параллельной коммутации оптических сигналов в волноводных каналов и исследование возможных путей его реализации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Неевина, Татьяна Александровна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Метод параллельной коммутации оптических сигналов в волноводных каналов и исследование возможных путей его реализации»

Автореферат диссертации на тему "Метод параллельной коммутации оптических сигналов в волноводных каналов и исследование возможных путей его реализации"

На правах рукописи

Неевина Татьяна Александровна

Метод параллельной коммутации оптических

сигналов в волноводных каналах и исследование возможных путей его реализации

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор: гАЛ X

¿м

г I МАЯ 2014

Москва 2014

005548623

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» и в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Физический институт им. П.Н.Лебедева Российской академии тук».

Научный руководитель:

Компанец Игорь Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУН «Физический инстшут им. П.Н.Лебедева Российской академии наук»

Официальные оппоненты:

Краснов Андрей Евгеньевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой «Информационные технологии» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского»

Герус Андрей Валерианович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Фрязинского филиала ФГБУН «Институт радиотехники и электроники им. Котельникова Российской академии наук»

Ведущая организация:

ФГБУН «Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук» (НИИСИРАН)

Защита состоится 11 июня 2014 года в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.130.05 при Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, д. 31, тел. 8(495)788-56-99 доб. 95-26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского ядерного университета МИФИ и на сайте: http://ods.mephi.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.130.05 доктор физ.-мат. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Неотъемлемой частью информационно-вычислительной системы любой архитектуры и конфигурации является коммутационная сеть, обеспечивающая при высокой производительности направленность данных в потоке информации. Несмотря на существенные успехи в развитии технологии оптических сетей коммутация информационных потоков до некоторого времени включала в себя преобразование оптического сигнала в электрическую форму, выполнение необходимых переключений и обратное преобразование сигнала в оптическую форму. Понятно, что такое двойное преобразование несущей сигнала не является оптимальным.

В последнее время возрос интерес к созданию сверхбыстродействующих и чисто оптических переключателей света. Это вызвано рядом причин. Во-первых, все возрастающими потребностями в сверхбыстрой обработке больших объемов информации в сочетании с необходимостью ее передачи по оптическим линиям связи, а также потребностями в создании суперкомпьютеров. Во-вторых, бурным развитием интегральной, волоконной и нелинейной оптики, которое, с одной стороны, ставит перед исследователями задачу создания принципиально новых сверхбыстродействующих чисто оптических приборов и устройств (в частности оптических транзисторов), а с другой стороны, создает технологическую базу, необходимую для ее решения. В-третьих, принципиальным ограничением на быстродействие электрических и электрооптических переключателей, которое обусловлено тем, что минимальное время переключения в них ограничено процессами заряда-разряда в электрической цепи устройства (значениями емкости, сопротивления и индуктивности этой цепи) и обычно составляет более 0,1-1 не.

Ранее использовались коммутаторы типа 1хЫ с электрическим управлением, распределяющие сигнал со входного волокна между несколькими выходными волокнами. В оптических сетях они выполняли функцию

восстановления связи и не позволяли осуществлять динамическое выделение или перераспределение полосы пропускания. Теперь в сетях требуются мощные системы кросс-коммутации типа ЫхЫ, выполняющие сложные операции по переконфигурации потока из N оптических сигналов. Способность осуществлять полную неблокируемую коммутацию сигналов становится крайне важной функцией для современных полностью оптических сетей. Поэтому огромную практическую важность приобретают устройства оптической кросс-коммутации, в которых не происходит двойного оптоэлектронного преобразования.

Конечно, для перенаправления нескольких каналов могут использоваться простые оптические переключатели. Однако, они не подходят для сложных сетевых архитектур (кольцевой, ячеистой) с большим количеством узлов и точек доступа, где необходима гибкая быстрая коммутация большого числа каналов.

Поначалу кросс-коммутация оптических сигналов по сути была оптомеханической и выполнялась, к примеру, с помощью крошечных зеркал, размещенных на пути оптического луча. Использование технологии изготовления микрозеркал и технологии создания систем МЭМС (микро-электро-механических систем) позволяет разместить множество коммутирующих линз и микрозеркал вместе с их приводами на одном кремниевом кристалле. Такие устройства могут иметь сотни портов, обладают высокой изоляцией каналов и могут использоваться в широком диапазоне длин волн. Однако, у них есть серьезные недостатки. Прежде всего, это сложность изготовления микрозеркал (они должны иметь близкую к 100% отражательную способность, малую дисперсию и аберрацию) и низкая механическая прочность, приводящая к усталости и выходу из строя отдельных элементов.

полупроводниковые элементы, фотонные и жидкие кристаллы и др. материалы. Однако, опытные образцы устройств на основе этих материалов оказались даже менее успешными, чем выполненные по микрозеркальной технологии.

Постоянно возрастающий спрос на быстрое, надежное и недорогое оборудование для оптической коммутации стимулирует новые научные исследования и разработки в этой области. Анализ показывает, что в дальнейшем развитии коммутаторов необходимо максимально стремиться к созданию полностью оптических сетей. В них все процессы передачи, приёма обработки и коммутации сигналов должны происходить на чисто фотонном уровне, без участия электронных процессов и электронных устройств в самом канале передачи информационных сигналов. Кроме того, необходимо предусмотреть максимальную параллельность процесса коммутации при минимальном уровне пересечений каналов (т. е. при отсутствии их взаимной блокировки) и управляющих электрических цепей, а также простую и быструю подготовку коммутатора к работе (настройку).

В соответствии с вышесказанным, целью диссертационной работы являлась разработка полностью оптического метода параллельной коммутации ЫхЫ волноводных каналов и исследование возможных путей его реализации.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка нового метода параллельной кросс-коммутации ИхИ каналов.

2. Разработка конструктивной схемы кросс-коммутатора оптических сигналов для параллельной коммутации ЫхЫ каналов.

3. Разработка алгоритма управления переключением связей входных и выходных каналов коммутатора (его переконфигурации), а также написание программы, реализующей разработанный алгоритм.

4. Исследование материалов и процессов, потенциально приемлемых для реализации нового метода параллельной кросс-коммутации N каналов, включающего указанные в п.п. 1,2,3 схемы и алгоритм.

5. Разработка функциональной схемы коммутации оптических каналов с применением ячеек полного внутреннего отражения и моделирование работы коммутатора на 8x8 каналов.

6. Разработка функциональной схемы коммутации оптических каналов с применением фоторефрактивных волноводов и моделирование работы коммутатора на 8x8 каналов.

7. Оценка возможной конфигурации, функциональных и технических параметров разрабатываемого коммутатора с применением ячеек полного внутреннего отражения и фоторефрактивных материалов в оптических волноводах.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложен новый метод параллельной кросс-коммутации ЫхЫ каналов с поразрядным, начиная со старшего разряда адреса, управлением процессом настройки и постадийным (к=1с^2Ы стадий) прохождением оптических сигналов к заданным адресам, обеспечивающий максимальную параллельность процесса коммутации и отсутствие пересечений управляющих цепей.

2. Впервые предложена конструктивная схема устройства для реализации параллельной коммутации ЫхЫ оптических каналов с поразрядным управлением процессом настройки, включающая оптические элементы ввода данных, их удвоения, инверсии и обратной сборки (уплотнения) каналов.

3. Впервые разработан алгоритм управления переключением связей входных и выходных каналов коммутатора (его переконфигурации), а также написана программа, реализующая разработанный алгоритм.

4. На основании анализа материалов и процессов, потенциально приемлемых для сборки каналов, впервые предложены подходящие для ее реализации элементы, обеспечивающие надежную работу коммутатора и простую и быструю его подготовку к работе, а именно: электрооптические ячейки полного внутреннего отражения в оптических волноводах и сами оптические волноводы, выполненные из фоторефрактивного материала.

5. Впервые предложена функциональная схема параллельной коммутации каналов с использованием ячеек полного внутреннего отражения для сборки каналов в оптических волноводах и промоделирована работа коммутатора на 8x8 каналов.

6. Впервые предложена функциональная схема параллельной коммутации каналов с использованием фоторефрактивного материала для сборки каналов в оптических волноводах и промоделирована работа коммутатора на 8x8 каналов.

7. Впервые выполнена оценка возможных параметров разрабатываемого коммутатора с ячейками полного внутреннего отражения и фоторефрактивным материалом в оптических волноводах.

Таким образом, научное значение диссертационной работы состоит в разработке нового метода полностью оптической параллельной коммутации оптических каналов и в предложении двух вариантов реализации коммутатора, соответствующих этому методу и наиболее полно удовлетворяющих требованиям к коммутаторам.

Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что разработанные в ней метод параллельной полностью оптической коммутации с поразрядной настройкой и варианты его реализации служат практической базой для создания эффективного устройства коммутации ЫхЫ оптических каналов, отличающегося простотой и надежностью, быстрой настройкой, отсутствием блокировки каналов и пересечений управляющих цепей, возможностью

блочной конструкции коммутатора и наращивания (без принципиальных ограничений) числа коммутируемых каналов.

Это делает возможным применение нового метода и реализуемого на его базе устройства коммутации ЫхЫ оптических каналов во многих современных и перспективных системах передачи, приема и перераспределения информационных сигналов, включая телекоммуникационные системы, системы обработки информации и вычисления данных (в том числе суперкомпьютеры), волоконно-оптические и спутниковые системы связи.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Новый метод параллельной коммутации ЫхЫ каналов, заключающийся в поразрядном, начиная со старшего разряда адреса, управлении процессом настройки и в постадийном (к=^2Ы стадий) прохождении оптических сигналов к заданным адресам.

2. Конструктивная схема кросс-коммутатора для реализации параллельной коммутации ЫхЫ оптических каналов с поразрядным управлением процессом настройки, включающая оптические элементы ввода данных, их удвоения, инверсии и обратной сборки (уплотнения) каналов.

3. Алгоритм управления переключением связей входных и выходных каналов коммутатора (его переконфигурации), а также программа, реализующая разработанный алгоритм.

4. Функциональная схема коммутации ЫхЫ оптических каналов с использованием ячеек полного внутреннего отражения для сборки каналов в оптических волноводах.

5. Функциональная схема коммутации ЫхЫ оптических каналов с использованием фоторефрактивных материалов для сборки каналов в оптических волноводах.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на конференциях: на всероссийском заочном конкурсе научных и инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых (МФТИ, Москва, 2012); на X всероссийском молодежном Самарском конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике (СФ ФИАН, Самара, 2012); на всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике (НИЯУ МИФИ, Москва, 2012); на всероссийском конкурсе молодых физиков (ФИАН, Москва, 2010); на научной сессии НИЯУ МИФИ (НИЯУ МИФИ, Москва, 2010); на XIII международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых «Молодёжь и наука» (НИЯУ МИФИ, Москва, 2010).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано печатных работ: 3 статьи в рецензируемых журналах, указанных в перечне ВАК, 1 - в трудах международных конференций, 3 - в трудах всероссийских конференций, 3 патента РФ на изобретения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, формулируется цель и основные задачи диссертационной работы. Излагается научная новизна, основные положения, выносимые на защиту. Отмечено научное и практическое значение работы.

В первой главе кратко описаны известные на сегодняшний день методы коммутации оптических каналов, а именно: метод механической оптической коммутации (§1.1), метод электрооптической коммутации (§1.2), метод термооптической коммутации (§1.3), коммутация на основе полупроводниковых оптических усилителей (§1.4), метод интегральной активно-волноводной коммутации (§1.5), коммутация на основе использования фотонных кристаллов (§1.6), коммутация на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах (§1.7), коммутация на матрицах оптоэлектронных вентилей (§1.8), метод коммутации на основе использования однонаправленных распределено-связанных волн (§1-9), метод акустооптической коммутации (§1.10), метод коммутации на основе управляемого эффекта полного внутреннего отражения в электрооптическом материале волноводов (§1.11), метод коммутации с использованием оптических волноводов, выполненных из фоторефрактивного материала (§1.12), оптическая коммутация на основе использования кремниевой нанофотоники (§1.13). Отмечено, что все они обладают теми или иными недостатками, однако некоторые разработки по своим характеристикам имеют хорошие перспективы для использования. Это, во-первых, коммутаторы на основе управляемого эффекта полного внутреннего отражения в электрооптическом материале волноводов и, во-вторых, коммутаторы с использованием оптических волноводов, выполненных из фоторефрактивного материала.

Вторая глава посвящена описанию принципа и конструктивной схемы предлагаемого метода параллельной коммутации NxN оптических каналов, включающей оптические элементы ввода данных, их удвоения, инверсии и обратного уплотнения (сборки), сравнению этого метода с известной коммутационной баньян-сетью, а также описанию алгоритма управления настройкой коммутатора и возможным способам реализации метода.

В §2.1 представлена схема работы нового метода параллельной коммутации КхЫ каналов на примере 8-канального устройства (рис. 1).

0 12 3 4 5 6 7

Рис. 1. Принципиальная схема параллельной коммутации 8x8 оптических каналов

В §2.1 представлена схема работы нового метода параллельной коммутации ЫхЫ оптических каналов на примере 8-канального устройства

(рис. 1). Последовательность постадийно выполняемых в коммутаторе операций такова: на первой стадии выполняется операция удвоения каналов {Г} с разделением по 0 и 1 в старшем разряде адресов и операция сборки каналов {2'} в обоих плечах, т.е. уплотнения сигнальных каналов и удаления тех каналов, в которых сигнал отсутствует. В результате в обоих плечах остаётся по 4 сигнальных канала. На следующих стадиях те же операции выполняются для последующих разрядов адресов, в результате чего на второй стадии {1", 2"} образуются 4 плеча по 2 сигнальных канала, на третьей стадии {Г", 2"'} — 8 плеч по 1 сигнальному каналу, приводящему световой сигнал к выбранному адресу.

В §2.2 проведено сравнение предлагаемого метода коммутации с коммутационной баньян-сетью, из которого следует, что новый метод по сравнению с баньян-сетью обладает таким важным преимуществом, как отсутствие внутренних блокировок.

§2.3 посвящен разработке алгоритма управления переключением связей входных и выходных каналов коммутатора.

с с

А \ 1 А V

2 \ Л

В \ 3 В V

4 \ д

с1 а

I II

Рис. 2. Схема применения ПВО для реализации операции «сборки» каналов в разрабатываемом устройстве: А и В — оптические волноводы; 1-2 и 3-4 ячейки ПВО; с и с/ -управляющие электроды

В §2.4 предложен способ реализации удвоения числа каналов и разделения их по 0 и 1. Рассмотрены примеры оптических расщепителей с точки зрения их использования для удвоения числа каналов и оптических модуляторов для адресации сигналов. А в §2.5 предложены два способа реализации сборки каналов: с использованием встраиваемых в волноводы управляемых ячеек полного внутреннего отражения (ПВО) на электрооптических кристаллах или жидкостях (рис. 2) и с использованием волноводов, выполненных из фоторефрактивного материала и управляемых оптическими сигналами (рис. 3).

Рис. 3. Схема реализации сборки каналов с применением фоторефрактивных волноводов:

1 - ПВМС;

3 2 - лазерное излучение;

3 — голографический оптический элемент;

4 - фоторефрактивные волноводы

Третья глава посвящена моделированию работы разрабатываемого коммутатора с использованием электрооптических ячеек ПВО. В ней рассматриваются схема сборки сигнальных каналов с обратной связью (§3.1) и две схемы без обратной связи (§3.2), способы расположения ячеек ПВО в каналах (§3.3) и дается описание функциональной схемы коммутатора (§3.4).

На рисунке 4. показана функциональная схема многоканального кросс-коммутатора с 8x8 каналами в а - исходном (каналы не скоммутированы) и в б -конечном состояниях (коммутация каналов завершена, и по ним распространяется информационный световой поток). Коммутатор содержит

оптические затворы {3}, выполненные на основе модуляторов света, являющиеся входными портами коммутатора; полупрозрачные кубы {Г, 1", ]"'}, составленные из двух призм для удвоения сигналов; линейки модуляторов {2', 2", 2'"} для адресации сигналов; управляемые ячейки ПВО {5', 5"}, встроенные в волноводы {4}.

Для каждой комбинации световых пучков на входе компьютер подает различные, заранее запрограммированные комбинации управляющих сигналов на электроды, которые в свою очередь включают соответствующие ячейки ПВО (на рисунке они окрашены в зеленый цвет).

Рис. 4. Функциональная схема коммутатора (на примере 8 канального устройства), находящегося в:

а) исходном состоянии, когда входные и выходные каналы не соединены

б) конечном (рабочем) состоянии, когда информационный оптический поток направляется по заданным адресам

Далее в §3.5 представлена оценка возможных технических характеристик коммутатора, разрабатываемого с использованием ячеек ПВО. Прежде всего, была сделана оценка общего количества ячеек ПВО. Для получения численных данных были выведены формулы. И формулы, и полученные данные приведены в таблицах 1 и 2 соответственно.

Количество каналов коммутатора, N Количество ячеек ПВО, У

8 У8=2хХ8+4хХ4

16 У16=2хХ16+4ХХ8+8ХХ4

32 У п=2 х Х32+4х Х16+8 х Х8+16 х X,

64 Уи=2хХ64+4*Хз2+8*Х16+16*Х8+32*Х4

128 У128=2хХ128+4хХ64+8хХз2+16хХ16+32хХ8+64хХ4

Талица 1. Формулы для расчета общего количества ячеек ПВО в 8-, 16-, 32-, 64- и 128-канальном коммутаторе.

Количество Всего

каналов ячеек Число ячеек ПВО по ступеням (этапам)

коммутатора, ПВО,

N У 1 2 3 4 5 6

8 128 88 40

16 624 368 176 80

32 2752 1504 736 352 160

64 11584 6080 3008 1472 704 320

128 47616 24448 12160 6016 2944 1408 640

Таблица 2. Общее количество ячеек ПВО в 8-, 16-, 32-, 64- и 128- канальном коммутаторе.

Видно, что количество ячеек или соединений значительно увеличивается с ростом ёмкости устройства. Максимальное количество М ячеек ПВО, через которые проходит световой поток в 8-, 16-, 32-, 64-, 128- и Ы- канальном коммутаторе, можно рассчитать по формуле

т-1

Мк = N/2 х 8к = N/2 х {1 х ((1/2) - 1) / (1/2-1)} = N-2,

где Эк = Ь)1 х - 1) / ^-1) - сумма бесконечно убывающей геометрической прогрессии. В нашем случае Я=1/2, Ь1=1, к = п — 1. Численные данные приведены в таблице 3.

Количество каналов коммутатора, N 8 16 32 64 128

Максимальное количество соединений (пар ячеек ПВО) на пути светового потока, М 6 14 30 62 126

Таблица 3. Максимальное количество ячеек ПВО, через которые проходит световой поток в 8-, 16-, 32-, 64- и 128- канальном коммутаторе.

Соответственно, можно считать, что интенсивность света упадет в 6а, 14а, 30а, 62а и 126а раз для 8-, 16-, 32-, 64- и 128- канального коммутатора, где а -это потеря света в одной паре ячеек ПВО. Очевидно, что в многоразрядных коммутаторах вследствие нарастающих потерь света в соединениях обязательно необходимо предусматривать усиление оптических сигналов с помощью компактных полупроводниковых или волоконных лазеров и согласующих элементов, как это делается в волоконно-оптических линиях связи среднего и дальнего диапазона.

Для оценки быстродействия нужно учесть, с какой скоростью подаются управляющие сигналы, и с какой скоростью система успевает на эти сигналы реагировать. Управляющие сигналы можно подавать со скоростью порядка секунд. Для адресации можно использовать графеновые модуляторы или

ячейки Поккельса - и те и другие могут переключаться с высокой скоростью (до 10"12 секунды). Для сборки при использовании ячеек ПВО из ниобата лития или арсенида галлия имеем те же 10~12 секунды. Следовательно, ограничивающим фактором пока является частота процессора, и предположительно скорость коммутации составит 10"10 секунды.

Для оценки размеров нового коммутатора положим (с запасом) длину одного волновода в каскаде порядка 1 мм и ширину 5 мкм. Используя графеновые модуляторы света и микрокубы-расщепители, даже с учетом установки усилителей световых потоков в каждом каскаде, получаем для 128x128 - канального коммутатора размеры в пределах 1x1x0,1 см.

Глава четвертая посвящена моделированию работы разрабатываемого параллельного коммутатора Ых]ч| волноводных каналов с использованием фоторефрактивного материала.

Рис. 5. Функциональная схема предлагаемого коммутатора (на примере 8 канального устройства), находящегося в конечном (рабочем) состоянии

Функциональная схема многоканального коммутатора с 8x8 каналами в конечном (рабочем) состоянии представлена на рис. 5. Такой коммутатор состоит из оптических затворов {1}, полупрозрачных кубов {2\ 2", 2"'}, линеек модуляторов {3', 3", 3"'}, фоторефрактивных волноводов {4', 4"}. На рисунке также показаны соединения фоторефрактивных волноводов {5', 5"}, где под действием оптического сигналов {8', 8"} от ПВМС {6', 6"} изменяется коэффициент преломления материала, вследствие чего информационный оптический поток переходит в соседний открытый волновод и распространяется по нему. Для каждой комбинации световых пучков на вход ПВМС подаются различные, заранее запрограммированные комбинации управляющих сигналов. ГОЭ {7', 7"} нужны здесь для задания нужной конфигурации оптических сигналов, сформированных в ПВМС. Входящие и выходящие коммутируемые потоки обозначены на рисунке цифрами {9'} и {9"}.

В данной главе также представлены оценки возможных технических характеристик разрабатываемого коммутатора с использованием фоторефрактивных волноводов (§4.2). Для такого исполнения параллельного коммутатора можно вычислить количество соединений каналов (5', 5" на рисунке 5), в которых будет осуществляться переход оптического потока между каналами на стадиях сборки. Логика вычисления и количество соединений совпадают с числом пар ячеек ПВО, которые были вычислены в §3.5

Также возможно рассчитать необходимую размерность ПВМС. Для расчета была выведена формула: [(М/2-1)*2]х[Ы/2] (число строк х число столбцов), по которой получены результаты, приведенные в таблице 4.

Для оценки быстродействия, как и в случае коммутатора с ячейками ПВО, нужно учесть, с какой скоростью подаются управляющие сигналы, и с какой скоростью система успевает на эти сигналы среагировать. Управляющие сигналы можно подавать со скоростью ~ Ю"10 секунды. Для адресации можно

использовать графеновые модуляторы или ячейки Поккельса - и те и другие могут работать со скоростью ~ 10'12 секунды. Для сборки могут быть использованы фоторефрактивные волноводы, на которые подаются оптические сигналы заданной конфигурации, формируемые с помощью ПВМС. Переключение в фоторефрактивных волноводах происходит со скоростью ~ 10" 12 секунды. Временной отклик при включении/выключении у светодиодных и лазерно-диодных ПВМС составляет ~ 10"9 секунды. В результате получаем скорость коммутации в устройстве с фоторефрактивными волноводами ~ 10"' секунды.

Количество каналов коммутатора, N 8 16 32 64 128

Размерность ПВМС по этапам сборки 6x4 14x8 30x16 62x32 126x64

(число строк х число столбцов) 2x2 6x4 14x8 30x16 62x32

2x2 6x4 14x8 30x16

2x2 6x4 14x8

2x2 6x4

2x2

Тапица 4. Размерность ПВМС по этапам сборки в 8-, 16-, 32-, 64- и 128-канальном коммутаторе.

Оценка возможных размеров разрабатываемого коммутатора с использованием фоторефрактивных волноводов аналогична проведенной в §3.5 оценке возможных размеров коммутатора с использованием ячеек ПВО, в результате которой размеры для 128x128 - канального коммутатора оцениваются в пределах 1x1x0,1 см.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложены новая принципиальная схема и новая конструктивная схема параллельной кросс - коммутации ЫхЫ каналов.

2. Исследованы материалы и процессы, потенциально приемлемые для реализации нового метода параллельной кросс-коммутации ЫхК оптических каналов. Для реализации удвоения числа каналов предложено использовать оптический расщепитель, для разделения каналов по адресному О и 1 - инверсный оптический фильтр, а для реализации сборки каналов предложены: электрооптические ячейки полного внутреннего отражения в оптических волноводах и сами оптические волноводы, выполненные из фоторефрактивного материала.

3. Впервые разработана функциональная схема параллельной кросс-коммутации ЫхИ оптических каналов с применением ячеек полного внутреннего отражения, промоделирована работа коммутатора на 8x8 каналов и даны оценки его техническим характеристикам.

4. Впервые разработана функциональная схема параллельной кросс-коммутации ЫхЫ оптических каналов с применением фоторефрактивных волноводов, промоделирована работа коммутатора на 8x8 каналов и даны оценки его техническим характеристикам.

5. Впервые разработан алгоритм управления переключением связей входных и выходных каналов коммутатора (его переконфигурации), а также написана программа, реализующая разработанный алгоритм.

6. Моделирование процесса параллельной коммутации с использованием ячеек ПВО и фоторефрактивных волноводов подтвердило работоспособность нового метода коммутации и следующие его достоинства:

- заданное соединение любых входных и выходных каналов обеспечивается без пересечений волоконно-оптических и электрических кабелей и без внутренних блокировок;

- соединения каналов на всех этапах работы коммутатора выполняются параллельно и одновременно в автоматическом режиме при одноразовом задании их адресов с помощью управляющих электрических сигналов;

- управляющие сигналы вычисляются с помощью компьютера при одноразовой установке разрядных адресов, задающих пропускание модуляторов, сразу на всех линейках оптических модуляторов;

- конструкция коммутатора предусматривает установку одинаковых блоков в одном каскаде (для данного разряда адресов), что упрощает технологию его изготовления;

- коммутатор потенциально обладает очень малым (10"9 + Ю"10 сек) временем установки соединений, или латентным временем, после которого по соединенным оптическим каналам в течение длительного времени (в принципе, не ограниченного) могут распространяться высокоинформативные (с большой частотой модуляции) оптические потоки.

РАБОТЫ В ЖУРНАЛАХ ИЗ СПИСКА ВАК

1. Компанец И.Н., Неевина Т. А.. Метод параллельной коммутации оптических каналов // Квантовая электроника, №12, с. 1093-1096 (2012)

2. Компанец И.Н., Неевина Т.А., Компанец С.Н. Метод параллельной коммутации оптических каналов и его возможные реализации // Информационно-измерительные системы, т. 10, №12, с. 63-71 (2012).

3. Компанец И.Н., Неевина Т. А. Метод параллельной коммутации оптических каналов и его возможные реализации // Известия Самарского научного центра РАН, т.15,№4, с. 116-119 (2013)

СПИСОК ПАТЕНТОВ 1. Компанец И.Н., Компанец С.И., Неевина Т.А. «Способ коммутации NxN

оптических каналов и многоканальный коммутатор», патент РФ № 2456652 (приоритет 11.03.2010, публ. 20.07.2012)

2. Компанец И.Н., Неевина Т.А. «Способ коммутации NxN оптических каналов и многоканальный коммутатор», патент РФ №2491592 (приоритет 18.11.2011, публ. 27.08.2013)

3. Компанец И.Н., Неевина Т.А. «Способ коммутации NxN оптических каналов и многоканальный коммутатор», патент РФ №2504812 (приоритет 20.03.2012, публ. 20.01.2014)

ПУБЛИКАЦИИ В ТРУДАХ НАУЧНЫХ КОНФЕРЕНЦИЙ

1. Компанец И.Н., Неевина Т.А. «Оптоэлектронный NxN коммутатор параллельного типа». Сб. трудов XIII межд. телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых «Молодёжь и наука», т. 3, с. 122123, НИЯУ МИФИ, Москва (2010)

2. Компанец И.Н., Неевина Т.А. «Оптоэлектронный NxN коммутатор параллельного типа». Сб. трудов научной сессии НИЯУ МИФИ-2010, с. 65-66, НИЯУ МИФИ, Москва (2010)

3. Компанец И.Н., Неевина Т.А. «Оптоэлектронный NxN коммутатор параллельного типа». Труды конференции-конкурса молодых физиков, с. 44, изд. дом МФО, Москва (2010)

4. Компанец И.Н., Неевина Т.А. «Коммутация оптических каналов с использованием фоторефрактивного материала». Сб. научных трудов Всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике, с. 186187, НИЯУ МИФИ, Москва (2012)

Подписано в печать:

11.04.2014

Заказ № 9952 Тираж -120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ni

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Неевина, Татьяна Александровна, Москва

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Физический институт им. П.Н.Лебедева Российской академии наук

На правах рукописи

04201459286 НЕЕВИНА ТАТЬЯНА АЛЕКСАНДРОВНА

МЕТОД ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КОММУТАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ВОЛНОВОДНЫХ КАНАЛАХ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ПУТЕЙ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Специальность 01.04.21 - Лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор

Компанец Игорь Николаевич

Москва, 2014

Оглавление:

Введение...........................................................................................5

Глава 1. Основные методы и устройства оптической коммутации.............12

1.1. Метод механической оптической коммутации.....................................13

1.2. Метод электрооптической коммутации...................................................16

1.3. Метод термооптической коммутации...............................................16

1.4. Коммутация на основе полупроводниковых оптических усилителей........18

1.5. Метод интегральной активно-волноводной коммутации.......................19

1.6. Коммутация на основе использования фотонных кристаллов.................21

1.7. Коммутация на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах.........................................................................................24

1.8. Коммутация на матрицах оптоэлектронных вентилей...........................28

1.9. Метод коммутации на основе использования однонаправленных распределено-связанных волн..............................................................29

1.10. Метод акустооптической коммутации.............................................33

1.11. Метод коммутации на основе управляемого эффекта полного внутреннего отражения в электрооптическом материале волноводов.............................35

1.12. Метод коммутации с использованием оптических волноводов, выполненных из фоторефрактивного материала.......................................38

1.13. Оптическая коммутация на основе использования кремниевой нанофотоники..................................................................................40

1.14. Выводы к Гл. 1...........................................................................42

Глава 2. Новый метод параллельной коммутации NxN оптических каналов и возможные пути его реализации...........................................................44

2.1. Принцип и схема нового метода параллельной коммутации КхИ оптических каналов...........................................................................45

2.2. Отличия нового метода от коммутационной баньян-сети......................47

2.3. Алгоритм переконфигурации коммутатора........................................49

2.4. Удвоение и адресация каналов.........................................................53

2.4.1. Оптические расщепители для выполнения удвоения числа каналов...54

2.4.2. Модуляторы для выполнения адресации каналов.........................57

2.5. Сборка каналов...........................................................................62

2.5.1. Возможное применение ячеек полного внутреннего отражения.......64

2.5.2. Возможное применение фоторефрактивных волноводов................67

2.6. Выводы к Гл.2.............................................................................69

Глава 3. Моделирование работы параллельного многоканального

коммутатора с ячейками ПВО в волноводных каналах.............................70

3.1. Схема сборки с обратной связью.....................................................70

3.2. Схемы сборки без обратной связи....................................................72

3.2.1. Первая схема сборки без обратной связи.....................................72

3.2.2. Вторая схема сборки без обратной связи....................................73

3.3. Расположение ячеек ПВО в волноводных каналах...............................75

3.4. Функциональная схема коммутатора с использованием ячеек ПВО.........79

3.5. Оценка возможных технических характеристик..................................82

3.6. Выводы к Гл. 4...........................................................................87

Глава 4. Моделирование работы параллельного многоканального коммутатора с волноводными каналами, выполненными из фоторефрактивного материала............................................................89

4.1. Описание принципа работы параллельного многоканального коммутатора с волноводными каналами, выполненными из фоторефрактивного материала...89

4.2. Расчет возможных параметров коммутатора......................................95

4.3. Выводы к Гл. 4............................................................................97

Заключение.......................................................................................98

Список условных сокращений............................................................101

Список литературы..........................................................................102

Приложение. Код программы, управляющей процессом настройки

коммутатора......................................................................................107

ПЛ. Класс «input output»...............................................................107

П.2. Класс «device 1».....................................................................Ill

П.З. Класс «device2».....................................................................112

П.4. Класс «device345»..................................................................114

П.5. Класс «prog»........................................................................126

Введение

Актуальность темы

принципиальным ограничением на быстродействие электрических и электрооптических переключателей, которое обусловлено тем, что минимальное время переключения в них ограничено процессами заряда-разряда в электрической цепи устройства (значениями емкости, сопротивления и индуктивности этой цепи) и обычно составляет более 0,1-1 не [1].

Ранее использовались коммутаторы типа 1хИ с электрическим управлением, распределяющие сигнал со входного волокна между несколькими выходными волокнами. В оптических сетях они выполняли функцию восстановления связи и не позволяли осуществлять динамическое выделение или перераспределение полосы пропускания. Теперь в сетях требуются мощные системы кросс-коммутации типа ЫхЫ, выполняющие сложные операции по переконфигурации потока из N оптических сигналов. Способность осуществлять полную неблокируемую коммутацию сигналов становится крайне важной функцией для современных полностью оптических сетей. Поэтому огромную практическую важность приобретают устройства оптической кросс-коммутации, в которых не происходит двойного оптоэлектронного преобразования.

Поначалу кросс-коммутация оптических сигналов по сути была оптомеханической [13-15] и выполнялась, к примеру, с помощью крошечных зеркал, размещенных на пути оптического луча. Использование технологии изготовления микрозеркал и технологии создания систем МЭМС (микро-электро-механических систем), позволяет разместить множество коммутирующих линз и микрозеркал вместе с их приводами на одном кремниевом кристалле. Такие устройства могут иметь сотни портов, обладают высокой изоляцией каналов и могут использоваться в широком диапазоне длин волн. Однако, у них есть серьезные недостатки. Прежде всего, это сложность изготовления микрозеркал (они должны иметь близкую к 100% отражательную способность, малую

дисперсию и аберрацию) и низкая механическая прочность, приводящая к усталости и выходу из строя отдельных элементов.

В настоящее время с целью разработки устройств кросс-коммутации изучаются возможности применения полностью оптических технологий, использующих электрооптические и термооптические материалы [16, 17], полупроводниковые элементы [16,17], фотонные [18,19] и жидкие кристаллы [20] и др. материалы. Однако, опытные образцы устройств на основе этих материалов оказались даже менее успешными, чем выполненные по микрозеркальной технологии.

В соответствии с вышесказанным, целью диссертационной работы являлась разработка полностью оптического метода параллельной коммутации NxN волноводных каналов и исследование возможных путей его реализации.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка нового метода параллельной кросс-коммутации КхИ каналов.

2. Разработка конструктивной схемы кросс-коммутатора оптических сигналов для параллельной коммутации ИхИ каналов.

7. Оценка возможной конфигурации и функциональных параметров разрабатываемого коммутатора с применением ячеек полного внутреннего отражения и фоторефрактивных материалов в оптических волноводах.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложен новый метод параллельной кросс-коммутации ИхИ каналов с поразрядным, начиная со старшего разряда адреса, управлением процессом настройки и постадийным (к=^2М стадий) прохождением оптических сигналов к заданным адресам, обеспечивающий максимальную параллельность процесса коммутации и отсутствие пересечений управляющих цепей.

2. Впервые предложена конструктивная схема устройства для реализации параллельной коммутации КхК оптических каналов с поразрядным управлением процессом настройки, включающая оптические элементы ввода данных, их удвоения, инверсии и обратной сборки (уплотнения) каналов.

для создания эффективного устройства коммутации ИхИ оптических каналов, отличающегося простотой и надежностью, быстрой настройкой, отсутствием блокировки каналов и пересечений управляющих цепей, возможностью блочной конструкции коммутатора и наращивания (без принципиальных ограничений) числа коммутируемых каналов.

Это делает возможным применение нового метода и реализуемого на его базе устройства коммутации оптических каналов во многих современных и перспективных системах передачи, приема и перераспределения информационных сигналов, включая телекоммуникационные системы, системы обработки информации и вычисления данных (в том числе суперкомпьютеры), волоконно-оптические и спутниковые системы связи.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Новый метод параллельной коммутации ИхИ каналов, заключающийся в поразрядном, начиная со старшего разряда адреса, управлении процессом настройки и в постадийном (к=^2Н стадий) прохождении оптических сигналов к заданным адресам.

2. Конструктивная схема кросс-коммутатора для реализации параллельной коммутации ЫхМ оптических каналов с поразрядным управлением процессом настройки, включающая оптические элементы ввода данных, их удвоения, инверсии и обратной сборки (уплотнения) каналов.

4. Функциональная схема коммутации МхМ оптических каналов с использованием ячеек полного внутреннего отражения для сборки каналов в оптических волноводах.

5. Функциональная схема коммутации ИхМ оптических каналов с использованием фоторефрактивных материалов для сборки каналов в оптических волноводах.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано печатных работ: 3 статьи в рецензируемых журналах, указанных в перечне ВАК, 1 - в трудах международных конференций, 4 - в трудах всероссийских конференций, 3 патента РФ на изобретения.

ГЛАВА 1

Основные методы и устройства оптической коммутации

На момент постановки диссертационной работы был известен ряд технологий создания оптических коммутаторов, из которых ниже будут рассмотрены следующие:

- оптический коммутатор на механическом принципе;

- электрооптический коммутатор;

- термооптический коммутатор;

- коммутатор на основе полупроводниковых оптических усилителей;

- интегральный активно-волноводный коммутатор;

- коммутатор на фотонных кристаллах;

- коммутатор на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах;

- коммутатор на матрицах оптоэлектронных вентилей, связанных оптическим лучом;

- коммутатор на основе однонаправленных расп