13.1. Назначение и классификация оптических коммутаторов

13.2. Механические оптические коммутаторы

13.3. Электрооптические коммутаторы

13.4. Термооптические коммутаторы

13.5. Оптоэлектронные коммутаторы на основе полупроводниковых оптических усилителей

13.6. Логика, топология и особенности построения многокаскадных оптических коммутаторов

13.1. Назначение и классификация оптических коммутаторов

Изменение архитектуры волоконно-оптических сетей, оперативная маршрутизация в сетях доступа и локальных системах ВОСП невозможна без быстрой и эффективной коммутации оптических информационных потоков. Эта коммутация осуществляется с помощью волоконно-оптических коммутаторов. Это совокупность оптических коммутационных приборов, реализующая полнодоступную схему на «n» входов и «m» выходов, объединенная конструктивно и схемно. Оптическое коммутирование для маршрутизации передаваемых сигналов имеет большое значение и позволяет избегать оптоэлектрического преобразования. В настоящее время существует довольно большое количество типов волоконно-оптических коммутаторов, отличающихся двумя важнейшими показателями: скоростью переключения и емкостью – числом коммутируемых стандартных модулей. В иерархии скоростей переключения в оптических сетях различают обычно четыре уровня [5]:

- низкие - время переключения порядка 10^-3 с, то есть миллисекунды;

- средние - время переключения порядка 10^-6 с, то есть микросекунды;

- высокие - время переключения порядка 10^-9 с, то есть наносекунды;

- очень высокие - время переключения порядка 10^-12 с, то есть пикосекунды.

Низкие скорости переключения достаточны для осуществления операций автоматической конфигурации - реконфигурации оборудования (например, оптическое байпасное переключение - ОБП (OBS) для обхода выключенного или вышедшего из строя блока), или обновления таблиц маршрутизации. Емкости коммутаторов при этом для большой сети требуются значительные.

Средние скорости достаточны для осуществления защитного переключения колец или альтернативных маршрутов в сетях, коммутирующего сетевой трафик из одного волокна в другое. Емкость коммутатора 2х2 оказывается здесь достаточной.

Высокие скорости требуются для коммутации потоков данных. Время переключения должно быть существенно меньше времени прохождения обрабатываемого пакета, то есть наносекунды.

Очень высокие скорости требуются для внешней модуляции светового потока потоком бит данных. Они должны быть по крайней мере на порядок меньше длительности одного битового интервала, составляющей для потока 10 Гбит/с 100 пс.

Оптический коммутатор 16х16 считается большим, хотя не идет ни в какое сравнение с электронными коммутаторами емкостью 2048х2048 каналов.

К другим показателям, характеризующим работу коммутаторов, относятся следующие [5]:

- Вносимые коммутатором потери - вызываемое коммутатором ослабление сигнала, которое должно быть как можно меньше.

- Переходное затухание коммутатора - отношение мощности на нужном (скоммутированном) выходе к мощности сигналов на всех остальных выходах. Этот показатель должен быть как можно больше.

- Коэффициент ослабления коммутируемого сигнала на выходе в режиме «выключено» по сравнению с режимом «включено» (может варьироваться от 40 - 50 дБ до 10 - 15 дБ в зависимости от типа коммутатора). Этот показатель должен быть как можно больше.

- Поляризационные потери коммутатора (PDL) - ослабление коммутируемого сигнала, вызванное его поляризацией. Уровень этих потерь зависит от места коммутатора в системе связи и должен быть как можно меньше. Для их снижения на входе коммутатора может быть использовано специальное волокно, препятствующее возникновению поляризации сигнала.

Существуют несколько технологий, используемых для создания оптических коммутаторов. Среди них можно выделить следующие типы оптических коммутаторов:

- механические оптические коммутаторы;

- электрооптические коммутаторы;

- термооптические коммутаторы;

- оптоэлектронные коммутаторы на основе SOA (ППОУ);

- интегральные активно-волноводные коммутаторы;

- коммутаторы на фотонных кристаллах;

- коммутаторы на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах;

- коммутаторы на ИС с набором матриц оптоэлектронных вентилей, связанных при взаимодействии оптическим лучом.

В таблице 13.1 представлены сравнительные характеристики базовых оптических коммутаторов.

Таблица 13.1 – Сравнительные характеристики базовых оптических коммутаторов

13.2. Механические оптические коммутаторы

Механический оптический коммутатор МОК (MS) – оптический коммутационный прибор, в котором оптическая коммутация осуществляется путем перемещения его элементов под действием внешних механических сил. Они используют механическое перемещение элемента, коммутирующего световой поток от входного оптического порта к выходному оптическому порту, к которым подключены ОВ. При этом управление процессом переключения может быть ручное, например, при помощи тумблера, или электрическое, при помощи электрического потенциала. Последний тип переключателей более распространен. Основная область применения - в составе оборудования для тестирования и мониторинга ВОЛП, а также в составе системы, обеспечивающей повышенную надежность. Реализации отличаются функциональными возможностями: количеством входных и выходных волокон-полюсов и типом волокон (многомодовое или одномодовое), а также техническими характеристиками. Оптические переключатели являются изотропными устройствами - вносимые потери не зависят от направления распространения сигнала.

Различают несколько типов оптических коммутаторов, рисунок 13.1:

Рисунок 13.1 – Типы оптических коммутаторов

- коммутатор 1xN - имеет один входной полюс, сигнал из которого перенаправляется в один из N выходных, рисунок 13.1а;

- дуплексный коммутатор 2xN - имеет два входных полюса, сигналы из которых могут перенаправляться в выходные полюсы с шагом 2, рисунок 13.1б;

- блокирующий коммутатор 2xN - имеет два входных полюса, но только один сигнал из двух входных можно передать в выходной полюс - оставшийся сигнал не выходит наружу, рисунок 13.1в;

- неблокирующий коммутатор 2xN - имеет два входных полюса, сигналы из которых могут перенаправляться в выходные плюсы с шагом 1, рисунок 13.1г.

В инженерной технологии коммутации используются сле­дующие коммутирующие элементы:

- передвигающийся отрезок световода;

- вращающиеся призмы или зеркала;

- направленные звездообразные/древовидные разветвители.

В первом случае совмещение подвижного и неподвижного волоконных световодов осуществляется либо по базовой поверхности V-образной канавки, либо за счет точного позиционирования подвижных узлов, содержащих световоды, относительно неподвижных. При совмещении в V-образной канавке необходимо обеспечить центрирование световода в наконечнике с такой же точностью, как и в случае оптического соединителя. При применении движущихся узлов обеспечить точность позиционирования на уровне нескольких микрометров сложно, поэтому в таких коммутаторах, как правило, применяют коллимирующие элементы. Для перемещения световода обычно используют пьезоэлементы или шаговые двигатели. Их главное преимущество заключается в том, что коммутирующий механизм не зависит от длины волны и почти не зависит от температуры. Однако, время коммутации относительно большое (приблизительно от 20 до 500 мс).

Коммутаторы на основе движущихся зеркал или призм, рисунок 13.2, всегда требуют использования коллимирующих элементов. В них вращающаяся призма или зеркало (плоское или сферическое вогнутое) поворачивается на определенный фиксированный угол и коммутирует отраженный луч (посланный как падающий от входного порта) на выходной порт. Эти коммутаторы имеют параметры, аналогичные параметрам механических на основе движущихся волоконных световодов, а также аналогичные достоинства и недостатки. В настоящее время они используются только для многомодовых световодов.

Рисунок 13.2 – Один из вариантов механического оптического коммутатора

Разработаны также коммутаторы с использованием жидкостей в качестве перемещаемого оптического элемента. Коммутатор на основе движущегося в электролите зеркала из ртути имеет очень малую управляющую мощность (»25 мкВт), выдерживает до 10⁷ коммутаций без деградации, но оптические потери в нем выше (0,2-2 дБ), чем у рассмотренных ранее, и довольно значительны перекрестные помехи (-22…-51 дБ).

Направленные звездообразные/древовидные разветвители фокусируют световой поток на одном из выходных портов за счет изменения коэффициента связи, осуществляемого путем механического воздействия на разветвитель в зоне оптической связи (например, его скручиванием или растяжением).

Механические коммутаторы имеют один или два (дуплексные) входных и n выходных портов, время переключения от 10 до 500 мс и, следовательно, могут использоваться только для автоматической реконфигурации сети. Их достоинство - небольшие вносимые потери (до 0,5 дБ) и большое переходное затухание (до -80 дБ). Емкость таких коммутаторов может достигать сотен выходных портов (например, коммутаторы FS-S, FS-M и FS-L компании Fujikura перекрывает диапазон выходных пор­тов от 50 до 1600), однако число входных портов ограничено, как правило, одной парой, что и определяет специфику их использования. Хотя эти типы коммутаторов наиболее проработаны, их использование в системах оптической коммутации большой размерности nхn проблематично не только с точки зрения числа входов, но с точки зрения управления процессом коммутации. Из-за наличия механического элемента с ростом количества полюсов время срабатывания оптического переключателя, управляемого электрическим потенциалом, возрастает и может варьироваться в пределах от 25 мс до 500 мс.

Фирма DiCom Fiberoptics выпускает коммутаторы с количеством выходных полюсов до 100, с ручным или через стандартные физические электрические интерфейсы управлением (RS-22, RS-485). В таблице 13.2 приведены основные характеристики малопортовых переключателей этой фирмы.

Основными поставщиками оптических переключателей являются: АМР, DiCon, Fibertron, JSD Fitel, Molex, NetOptics.

Таблица 13.2 – Характеристики оптических коммутаторов

13.3. Электрооптические коммутаторы

Электрооптический коммутатор – оптический коммутационный прибор, в котором оптическая коммутация осуществляется за счет электрооптического эффекта в его элементах. Принцип работы этих коммутаторов основан на отклонении луча в результате изменения показателя преломления в монокристаллах под действием электрического поля. Общая схема такого коммутатора показана на рисунке 13.3.

Рисунок 13.3 – Схема электрооптического коммутатора

Излучение, введенное в одно волокно, проникает в другое за счет перекрытия реактивных полей двух волокон. Погонный коэффициент связи К зависит от параметров волокна, длины волны l и шириной зазора q между волокнами. Коммутатор характеризуется разностью постоянных распространения двух волокон

,                         (13.3.1)

где: n₁ и n₂ – эффективные показатели преломления сердцевин первого и второго волокон соответственно;

L – длина участка соприкосновения волокон.

Прикладывая электрическое напряжение к электродам, расположенным по бокам или сверху и снизу волокон, образующих так называемую ячейку Поккельса, можно регулировать фазовую расстройку за счет линейного электрооптического эффекта. Мощность, передаваемая в другое волокно, определяется эффективностью передачи [24]

.                 (13.3.2)

В случае полностью симметричной конструкции на основе двух одинаковых волокон в отсутствии напряжения (d=0) мы имеем h=sin²kL. Полная передача мощности происходит при kL=(2n+1)p/2, где n – целое число, и минимальная длина при этом будет определяться выражением L=p/2k. Принимая во внимание свойства линейности, однородности и симметрии конструкции, получим, что при условиях (d=0 и L=p/2k), полная (кроссовая) передача мощности будет иметь место для обоих сигналов, входящих в каждое волокно, при условии, что сигналы должны быть одной и той же длины волны, а именно той, для которой рассчитывался коэффициент передачи k, и, соответственно, длина участка взаимодействия L. Следует отметить, что при d¹0 полная передача мощности невозможна ни при каких значениях kL.

Параллельное прохождение (h=0) можно обеспечить за счет подачи электрического потенциала, вводя фазовую расстройку .

В отсутствии напряжения эффективность среды между волокнами коммутатора составляет 100% (оптические сигналы полностью кроссируются – входят в одно волокно, выходят из другого), а при подаче необходимого напряжения эффективность связи уменьшается до 0.

Другая реализация электрооптического коммутатора 2х2, состоящая из двух последовательных Х-разветвителей, представлена на рисунке 13.4.

Рисунок 13.4 – Двухплечевой оптический разветвитель-коммутатор

Оптические сигналы после прохождения по разным плечам интерферируют во втором разветвителе. Путем изменения напряжения на электродах, охватывающих одно из плеч, можно регулировать разность фаз между приходящими во второй разветвитель сигналами и тем самым влиять на характер интерференции.

При создании коммутаторов для многомодовых волокон серьезной проблемой является снижение оптических потерь при согласовании с многомодовыми волоконными световодами и одновременно напряжений управляющих сигналов. Для эффективного согласования необходимо, чтобы толщина пластины электрооптического материала примерно равнялась диаметру сердцевины волоконного световода (50-80 мкм). Электроды специальной формы создают в пластине индуцированные электрическим полем области в виде призм или полосковых световодов, определяющие направление распространения оптического луча. Для пластин толщиной 50-80 мкм необходимы управляющие напряжения 400-700 В. Коммутаторы этого типа имеют высокие скорости переключения 10^-7-10^-8 с, но наряду с высокими управляющими напряжениями значительны перекрестные помехи (10 дБ).

Одномодовые электрооптические коммутаторы разработаны на основе планарных и полосковых световодов. В коммутаторах на планарном световоде ввод и вывод оптического излучения осуществляется с помощью коллимирующих, фокусирующих элементов в сочетании с призмами, элементами периодического типа и т.д. Электроды, нанесенные на поверхность планарного световода, составляют встречно-штыревой преобразователь. Под действием приложенного напряжения возникают чередующиеся области со значениями показателя преломления (n+Dn) и (n-Dn), в результате чего и происходит отклонение распространяющегося луча. Эти коммутаторы обеспечивают высокие скорости переключения (10⁸-10⁹ Гц), в них применяются низкие управляющие напряжения (5-10 В), но высок уровень перекрестной помехи (~10дБ). Оптические потери в электрооптическом планарном световоде могут быть снижены до 1 дБ, однако обеспечить эффективное согласование одномодового планарного световода с волокном не удается.

Рассмотренные выше электрооптические коммутаторы являются чувствительными к поляризации световых волн. В оптических интегральных системах для обработки информации это не представляет особой трудности, так как в оптических волокнах всегда можно задать необходимую поляризацию световых волн. При использовании таких коммутаторов в волоконно-оптических сетях необходимо учитывать чувствительность коммутатора к поляризации излучения. Радикальным решением этой проблемы является разработка оптических коммутаторов, в которых электрическое поле одинаковым образом воздействует на моды  ортогональных поляризаций. Выбором специальной системы электродов либо соответствующей ориентации монокристаллической подложки ниобата лития, можно создать коммутатор, нечувствительный к поляризации.

13.4. Термооптические коммутаторы

Этот тип коммутаторов основан на нескольких принципах работы:

- на использовании в качестве коммутирующего элемента нагреваемой иммерсионной жидкости между торцами коммутируемых оптических волокон;

- на вариациях коэффициентов преломления сердцевины и оболочки оптического волокна входного порта и коэффициентов преломления серцевин  оптических волокон выходных портов Y-разветвителя в зависимости от температуры;

- на основе интерферометров Маха – Цендера – ИМЦ (MZI); одно из плеч которого выполнено из термочувствительного оптического материала.

Последние в настоящее время получили широкое распространение. В этих коммутаторах используется явление изменения коэффициента преломления  n_эф под действием температуры, вследствие чего изменяется постоянная распространения

.

Это, в свою очередь, ведёт к изменению разности фаз между двумя плечами интерферометра, рисунок 13.5, вызывающий эффект коммутации входного сигнала с одного выхода на другой.

Рисунок 13.5 – Термооптический коммутатор на основе интерферометра Маха-Цендера

Базовыми здесь являются коммутирующие элементы размера 2х2, которые при определенном каскадировании позволяет сформировать коммутаторы емкостью 8х8.

Основой базового элемента является интерферометр Маха-Цендера, построенный из двух последовательно включенных направленных разветвителей (3 дБ), связанных между собой двумя оптическими волокнами различной длины, для создания раз­ности фаз Dj. Учитывая, что каждый направленный разветвитель создает на выходах разность фаз , получаем разность фаз на выходах базового элемента  (выход 1) и bDL (выход 2). Выбирая DL так, что bDL=kp, получаем разность фаз между выходами, равную p, то есть сигнал со входа 1 попадает на выход 1, если для него равенство bDL=kp соответствует k нечетному, и на вход 2, если это равенство соответствует k нечетному. Локальный дозированный импульсный нагрев элемента, изменяющий левую часть равенства, эквивалентен изменению четности k, то есть приводит к факту коммутации сигнала с одного выхода на другой.

Термическая природа этих устройств делает их достаточно инерционными, кроме того, они обладают большими вносимыми потерями и малым переходным затуханием. Последнее может быть улучшено, если подложки устройств коммутатора будут выполнены не из кварцевого стекла, а из специальных полимеров.

13.5. Оптоэлектронные коммутаторы на основе полупроводниковых оптических усилителей

Для оптической коммутации можно использовать и полупроводниковые оптические усилители ППОУ (SOA), если в качестве параметра, управляющего механизмом коммутации, использовать напряжение смещения. Если существенно уменьшить это напряжение, то инверсии населенности достичь не удается и произойдет поглощение входного сигнала усилителем, моделирующее состояние «выключено». Напротив, если при увеличении напряжения восстанавливается нормальное усиление сигнала, усилитель моделирует состояние «включено». Таким образом, сочетание нормального усиления с отсечкой сигнала, то есть моделирование ключевого режима работы устройства, делает воз­можным использование полупроводникового оптического усилителя в качестве оптического, точнее, оптоэлектронного коммутатора.

Они обладают достаточно высоким быстродействием (1 нс) и могут использоваться для построения коммутаторов большой емкости, однако высокая стоимость делает их неконкурентными по сравнению, например, с электрооптическими коммутаторами, имеющими сопоставимые по быстродействию характеристики.

13.6. Логика, топология и особенности построения многокаскадных оптических коммутаторов

Рассмотренные выше базовые оптические коммутаторы достаточно легко реализуются как переключатели n х n только при n=2. Сложность механической реализации существенно возрастает с ростом n, что косвенно подтверждает реализованный размер таких коммутаторов (n не выше 4, 8), приведенный на рисунке 13.6. Поэтому при построении коммутаторов большого размера используют различные технологии каскадирования переключателей 2х2 или 1х2/2х1 [5].

Рисунок 13.6 – Блок-схема многокаскадного оптического коммутатора

В целом коммутаторы можно представить в виде упорядоченных наборов входных P_iвх и выходных портов P_iвых, связанных между собой коммутируемой сетью связи (КСС). При этом КСС управляется централизованной системой управления. Основной упор при таком подходе делается на реализацию КСС. Топология сетей при этом формально может быть различна (шина, кольцо, звезда, дерево) - та, что используется для сетей в мультипроцессорных компьютерных системах, где роль наборов входных и выходных портов играют процессоры и блоки памяти. Следующий ряд факторов может оказать существенное влияние на выбор топологии [5]:

- длина коммутируемой цепи и связанное с ней время ожидания переключения КСС (network latency);

- расширяемость сети;

- степень связи (connection degree) узлов сети.

Длина коммутируемой цепи может быть разной в зависимости от топологии и может характеризоваться минимальной и максимальной длиной цепи, а значит, и минимальным и максимальным временем ожидания переключения. Расширяемость сети предполагает легкость подключения новых узлов сети.

При построении многокаскадных оптических коммутаторов технология построения КСС накладывает определенные ограничения, поэтому функциональную пригодность и эффективность МОК оценивают обычно с помощью следующих показателей [5]:

- требуемое число базовых элементов, учитывая, что стоимость реализации коммутатора по меньшей мере пропорциональна их числу;

- однородность коммутации, то есть такая ситуация, при которой потери при коммутации не зависит от комбинации портов входа-выхода;

- пересекаемость связующих волноводов (crossover), которую желательно минимизировать или исключить вовсе, учитывая, что при наличии такого пересечения могут возникнуть потери мощности оптического излучения и переходные помехи (crosstalk) в результате взаимодействия световых потоков;

- характеристики блокировки, то есть принадлежность многокаскадного оптического коммутатора к одному из двух классов коммутаторов: блокирующих или неблокирующих.

Поясним три последних показателя и дадим необходимые определения.

Мерой однородности могут служить максимальное и минимальное числа базовых переключателей (элементов) на оптическом пути, соединяющем различные комбинации портов входа-выхода, и соответствующие им оценки максимальных потерь при коммутации.

Возможность пересечения волноводов обусловлена тем, что в большинстве случаев коммутаторы изготавливаются на единой подложке и для исключения возможности пересечения топология должна быть реализована в виде плоского графа.

Коммутатор называется неблокирующим, если любой незанятый входной порт может быть соединен с любым неиспользуемым выходным портом, в противном случае (то есть если какое-то соединение не может быть реализовано) коммутатор является блокирующим.

В свою очередь, неблокирующие коммутаторы делятся:

- на коммутаторы, неблокирующие в строгом смысле, то есть такие неблокирующие коммутаторы, которые при использовании любой процедуры соединения не требуют перемаршрутизации какого-либо соединения;

- на коммутаторы, неблокирующие в широком смысле, то есть такие неблокирующие коммутаторы, которые при использовании определенной процедуры соединения не требуют перемаршрутизации какого-либо соединения;

- на перестраиваемые неблокирующие коммутаторы, то есть такие неблокирующие коммутаторы, которые в любом случае требуют перемаршрутизации какого-то из соединений.

Первый тип является наиболее желаемым, однако, он требует при реализации наибольшего числа базовых элементов. Второй тип является некоторым компромиссом между первым и третьим типами и используется очень широко. Преимущество последнего, третьего, типа коммутаторов - относительно малое число требуемых базовых элементов. Его основной недостаток - временный (на время перемаршрутизации) разрыв установленного соединения. Не все приложения могут допускать такую ситуацию. Кроме того, этот тип коммутаторов требует более сложных алгоритмов управления.

Контрольные вопросы 1. В чем различие использования волоконно-оптического коммутатора и пассивного разветвителя? 2. Назовите типы оптических коммутаторов. 3. Опишите принцип работы оптического коммутатора. 4. Каково назначение оптического коммутатора. 5. Принцип работы и технические характеристики механических оптических коммутаторов. 6. На каком физическом эффекте основана работа электрооптического коммутатора? 7. На каких принципах основана работа термооптических коммутаторов? 8. Оптоэлектронные коммутаторы на основе полупроводниковых оптических усилителей. 9. Логика, топология и особенности построения многокаскадных оптических коммутаторов.