многокаскадный оптоэлектронный коммутатор изображений

Формула изобретения

1. Многокаскадный оптоэлектронный коммутатор изображений с 2N, где N 2^r, r 1,2,3, входными оптическими каналами и с 2N выходными оптическими каналами, содержащий оптически связанные блок сведения р- и s-поляризованных входных изображений с оптическими входами 1,2,N для р- и N + 1, N + 2, 2N для s-поляризованных изображений, являющимися входными портами коммутатора, и N оптическими выходами, K идентичных управляемых каскадов, где К log N + 1 в случае блокируемого и K 2 log N + 1 в случае настраивоемо-неблокируемого коммутатора, выполненных на основе пространственно-временных модуляторов света с N индивидуально управляемыми переключателями плоскости поляризации света, причем входы первого каскада управления оптически связаны с выходами блока сведения входных изображений, К 1 размещенных между ними каскадов фокусировки и межсоединений с топологией перекрестных связей r log N типов с N оптическими входами и N оптическими выходами, причем каждый из каскадов типа М 2,4, N/2, N состоит из оптически связанных четырех субблоков фокусировки, поляризационно-чувствительного расщепителя, пропускающего р- и отражающего в ортогональном направлении s-компоненту падающих на их диагональную грань световых пучков, первая грань которого через первый субблок фокусировки связана с N входными оптическими каналами каскада маршрутизации, двух четвертьволновых пластинок и двух отражающих элементов, блок разведения р- и s-поляризованных выходных изображений с N оптическими входами, связанными с оптическими выходами последнего К-го управляемого каскада, и 2N оптическими выходами 1,2, N для р- и N + 1, N + 2, 2N для s-поляризованных изображений, являющимися выходными портами коммутатора, и блок управления, выходы которого подключены к индивидуально управляемым переключателям управляемых каскадов, отличающийся тем, что каскады фокусировки и маршрутизации типа М выполнены в виде N/M идентичных блоков фокусировки и маршрутизации с М оптическими входами и М оптическими выходами, в каждый из этих блоков введены второй входной, первый и второй выходные поляризационно-чувствительные расщепители, пять элементов, вращающих на 90^o плоскость поляризации проходящего через них линейно поляризованного света, четыре четвертьволновые пластинки и четыре отражающих элемента, все входящие в блок отражающие элементы выполнены в виде плоских зеркал и каждый из субблоков фокусировки состоит из М/2 идентичных объективов с фокусным расстоянием F_M, первая грань первого входного и четвертая грань второго входного поляризационно-чувствительных расщепителей оптически связаны через первый и второй субблоки фокусировки соответственно с входными каналами 1, 2, М/2 и 1 + М/2, 2 + М/2, М блока фокусировки и маршрутизации, вторая грань первого и третья грань второго входных поляризационно-чувствительных расщепителей, вторые и четвертые грани первого и второго выходных поляризационно-чувствительных расщепителей оптически связаны через четвертьволновые пластинки соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым отражающими элементами, четвертая грань первого входного и первая грань второго входного, третья грань первого входного и первая грань первого выходного, вторая грань первого входного и первая грань второго выходного поляризационно-чувствительных расщепителей оптически связаны между собой соответственно через первый, второй и третий элементы, вращающие на 90^o плоскость поляризации проходящего линейно поляризованного света, третьи грани первого и второго выходных поляризационно-чувствительных расщепителей через четвертый и пятый элементы, вращающие на 90^o плоскость поляризации проходящего линейно поляризованного света, третий и четвертый субблоки объективов оптически связаны соответственно с выходными каналами 1, 2, М/2 и 1 + М/2, 2 + М/2, М блока фокусировки и маршрутизации, первый и третий, второй и четвертый субблоки фокусировки установлены относительно друг друга на фокусном расстоянии F_M по ходу светового луча.

2. Коммутатор по п. 1 для N 2^2r, отличающийся тем, что каскады фокусировки и маршрутизации выполнены в виде развернутых на 90^o вокруг горизонтальной оси каскадов х и y фокусировки и маршрутизации, в которых поляризационно-чувствительные расщепители выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов с квадратными основаниями размера L_M x L_M и первой, второй, третьей и четвертой гранями размера L_M x 2L_M, отражающие элементы, четвертьволновые пластинки и элементы, вращающие на 90^o плоскость поляризации проходящего через них линейно поляризованного света, имеют размеры L_M x 2L_M и субблоки фокусировки выполнены в виде квадратных матриц объективов.

3. Коммутатор по п. 2, отличающийся тем, что входящие в блоки фокусировки и маршрутизации выходные поляризационно чувствительные расщепители развернуты на 90^o вокруг горизонтальной оси относительно входных поляризационно чувствительных расщепителей, причем отсутствуют второй, третий, четвертый и пятый элементы, вращающие на 90^o плоскость поляризации линейно поляризованного света.

4. Коммутатор по пп. 1 3, отличающийся тем, что каскады фокусировки и маршрутизации типа М 2, 4 N/2 и оптически связанные с ними управляемые каскады объединены в группу каскадов с общей оптической системой, выполненной в виде двух блоков из N объективов в каждом блоке с фокусным расстоянием, равным фокусному расстоянию F_N объективов субблоков фокусировки типа N, которые оптически связаны с входами и выходами этой группы каскадов и установлены относительно друг друга на фокусном расстоянии по ходу светового луча.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано в высокопроизводительных коммутирующих устройствах высокопроизводительных многоабонентных телекоммуникационных систем связи и супер-ЭВМ для передачи и приема больших массивов групповой информации, представленной в виде двумерных оптических изображений.

Известен оптоэлектронный коммутатор размера NxN (с N входными и N выходными портами) с топологией сети координатного переключателя, предназначенный для передачи по соединяемым каналам двумерных оптических изображений [1] Этот коммутатор выполнен в виде последовательно расположенных, оптически связанных мультиплицирующей оптической системы, состоящей из двух объективов и двух квадратных растров линз с числом линз N, пространственно-временного модулятора света, выполненного в виде квадратной матрицы с N² индивидуально управляемыми светоклапанными ячейками (управляемыми элементами), и оптической системы совмещения изображений, состоящей из квадратного растра линз с числом линз N² и двух квадратных растров линз с числом линз N. Основными недостатками такого коммутатора двумерных изображений являются большие вносимые оптические потери, ограничивающие возможный темп передачи информации по соединяемым парам входных и выходных портов, и большое число управляемых элементов. Например, в коммутаторе размера 32х32 коэффициент светопропускания любого оптического канала, связывающего пару входных и выходных портов, не превышает величины = N^-1 0,03,, и число индивидуально управляемых светоклапанных ячеек в пространственно-временном модуляторе равно 1024.

Известен оптоэлектронный коммутатор оптических каналов размера 32х32 с топологией сети Бенеса [2] Такой коммутатор содержит девять последовательно расположенных пространственно-временных модуляторов, выполненных в виде квадратных матриц из шестнадцати индивидуально управляемых переключателей плоскости поляризации света, которые оптически связаны с помощью размещенных между ними восьми каскадов маршрутизации с шестнадцатью оптическими входами и шестнадцатью оптическими выходами; два поляризационно-чувствительных расщепителя, установленных соответственно перед первым и за девятым пространственно-временными модуляторами света, через две боковые ортогональные грани которых осуществляется ввод или вывод поступающей в порты оптической информации, и блок управления. В каскадах межсоединений коммутатора используются имеющие форму прямоугольных параллелепипедов квадратного сечения интерференционные поляризационно-чувствительные расщепители из изотропного материала (стекло), оптические характеристики которых (угловая апертура, оптические потери, аберрации) позволяют передавать через них изображения с большим числом элементов (пикселов) при малых вносимых в соединяемые пары входных и выходных портов оптических потерях.

Недостатком такого оптоэлектронного коммутатора является зависимость длины оптических путей между входными и выходными портами от реализуемой картины соединений, что не позволяет передавать по соединяемым парам каналов информацию в виде двумерных изображений с большим (в пределе ограниченном дифракционными явлениями) числом элементов и тем самым ограничивает общую пиковую производительность коммутатора.

Известен многокаскадный оптоэлектронный коммутатор размера 2Nx2N с топологией сети с пересечениями [3] Такой коммутатор состоит из каскадов пространственно-временных модуляторов с N управляемыми переключателями плоскости поляризации света, которые оптически связаны с расположенными между ними каскадами межсоединений с N входными и N выходными каналами, выполненными по схеме модернизированного интерферометра Майкельсона. Каждый из каскадов межсоединений содержит поляризационно-чувствительный расщепитель, перед входной и за выходной гранями которого установлены общие для всех N входных и общие для всех N выходных каналов объективы, а за каждой противоположной гранью расщепителя размещены четвертьволновая пластинка, объектив и отражающий элемент, причем один из установленных за этими гранями отражающих элементов (либо оба элемента) выполнен в виде отражающей призменной решетки с индивидуальным для каждого каскада межсоединений шагом.

Такой многокаскадный оптоэлектронный коммутатор обеспечивает равенство длин оптических путей между его входными и выходными портами при любой картине соединений как для р-, так и для s-поляризованных сигналов. Однако в известном коммутаторе виньетирование световых пучков компонентами системы приводит к существенному ограничению числа элементов в передаваемых по оптическим каналам изображениях, не позволяя реализовать предельные пропускную способность оптических каналов и общую производительность коммутаторов.

Цель изобретения повышение пропускной способности каналов многокаскадного оптоэлектронного коммутатора изображений, в том числе, отображающих параллельным кодом двоичную информацию, и его общей производительности.

Цель достигается тем, что в каскады фокусировки и маршрутизации коммутатора введены элементы, вращающие на 90^o плоскость поляризации линейно-поляризованного света, и дополнительные поляризационно-чувствительные расщепители, четвертьволновые пластинки и плоские отражающие элементы, оптическая система выполнена в виде субблоков объективов и применены иные оптическая система передачи изображений и оптическая схема коммутатора.

На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого многокаскадного оптоэлектронного коммутатора размера 2Nx2N; на фиг.2 оптическая схема блока фокусировки и маршрутизации, реализующего топологию соединительной сети с пересечениями (а оптическая схема, б реализуемая соединительная сеть); на фиг.3 в качестве примера приведено схематическое изображение двухкоординатного многокаскадного оптоэлектронного блокируемого коммутатора двумерных изображений с 32-мя входными и 32-мя выходными оптическими портами.

Предлагаемый многоканальный оптоэлектронный коммутатор изображений с 2N входными (N 2^r, r 1,2,3,) и 2N выходными оптическими каналами (портами) содержит оптически связанные блок С сведения р- и s-поляризованных входных изображений с 2N оптическими входами (входы 1,2,N для р- и входы N+1, N+2,2N для s-поляризованных изображений), являющимися входными портами коммутатора, и N оптическими выходами; К идентичных управляемых каскадов A_k (k 1,2,3.K, где К logN+1 в случае блокируемого и К 2logN+1 в случае настраиваемонеблокируемого коммутатора), выполненных на основе пространственно-временных модуляторов света с N индивидуально управляемыми переключателями плоскости поляризации света; К-1 размещенных между ними каскадов межсоединений Б_м (r типов) с N оптическими входами и N оптическими выходами, каждый из которых состоит из N/M блоков фокусировки и маршрутизации 1_м с М оптическими входами и М оптическими выходами (M N, N/2, N/4,2 или M=N/2^i-1, i 1,2,3,r, где r logN); блока Р разведения р- и s-поляризованных выходных изображений с N оптическими входами и 2N оптическими выходами (выходы 1,2,N для р- и выходы N+1, N+2,2N для s-поляризованных изображений), являющимися выходными портами коммутатора; и блок управления БУ, выходы которого подключены к пространственно-временными модуляторам света.

Блок сведения р- и s-поляризованных изображений может быть выполнен, например, на основе поляризационно-чувствительного расщепителя, две входные ортогональные грани которого оптически связаны с 1,2,N и N+1, N+2,2N входными портами коммутатора, а его третья грань с N оптическими входами первого управляемого каскада А₁. Блок разведения изображений Р может быть выполнен, например, на основе поляризационно-чувствительного расщепителя также, как и блок С, если его оптические входы и выходы поменять местами.

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

Входящие в каскады межсоединений Б_м блоки 1_м (блоки типа М) обеспечивают равенство и неизменность длин оптических путей световых пучков при прямых соединениях для р-поляризованных () и перекрестных соединениях для s-поляризованных () изображений, а также фокусировку передаваемых через коммутатор изображений. Каждый из этих блоков состоит из субблока маршрутизации с М входными и М выходными каналами, который выполнен из четырех поляризационно-чувствительных расщепителей (два входных 1-1 и два выходных 1-2), пропускающих р и отражающих в ортогональном направлении s компоненту падающих на их диагональную грань световых пучков, шести элементов 1-3, вращающих на 90^o плоскость поляризации в отраженных от их линейнополяризованных световых пучках и состоящих, например, из соответствующим образом ориентированной четвертьволновой пластинки 1-3-1 и плоского интерференционного зеркала 12-3-2, пяти элементов 1-4, вращающих на 90^o плоскость поляризации проходящего линейнополяризованного света, например соответствующим образом ориентированная полуволновая пластинка, и четырех идентичных субблоков фокусировки 1-5 с M/2 входами и M/2 выходами, которые выполнены из M/2 объективов 1-5-1 с фокусными расстояниями F_м. Субблоки фокусировки установлены во входных и выходных оптических каналах субблока маршрутизации на фокусном расстоянии по ходу светового луча.

При показанной на фиг.2а компоновке элементов блока фокусировки и маршрутизации 1_м p-поляризованный световой пучок, приходящий, например, по входному оптическому каналу 1, падает на первую грань первого входного поляризационно-чувствительного расщепителя 1-1, проходит через диагональную грань и третью грань этого расщепителя, полуволновую пластинку 1-4 и первую грань первого выходного поляризованно-чувствительного расщепителя 1-2; отражается диагональной гранью этого расщепителя к его четвертой грани; проходя через чертвертьволновую пластинку 1-3-1, превращается в циркулярнополяризованный пучок; отражается элементом 1-3-2, вновь проходит в обратном направлении через четвертьволновую пластинку 1-3-1, превращаясь в линейнополяризованный пучок с ортогональным направлением поляризации; проходит через диагональную грань первого выходного поляризационно-чувствительного расщепителя 1-2 и установленную на его второй грани четвертьволновую пластинку 1-3-1, превращаясь в циркулярнополяризованный пучок; отражается элементом 1-3-2, вновь проходит через четвертьволновую пластинку, превращаясь в линейнополяризованный сигнал, отражается от диагональной грани поляризационно-чувствительного расщепителя и попадает через его третью грань, полуволновую пластинку 1-4 и выходной объектив 1-5 в выходной оптический канал 1 в виде р-проляризованного светового пучка.

Если на первую грань первого поляризационно-чувствительного расщепителя 1-1 из канала 1 падает s-поляризованный световой пучок, то он отражается диагональной гранью этого расщепителя, проходит через его четвертую грань и оптически связанную с этим выходом поляризационно-чувствительного расщепителя полуволновую пластинку 1-4, превращаясь в р-поляризованный световой пучок; проходит через первую грань второго входного поляризационно-чувствительного расщепителя 1-1, его диагональную грань, в прямом направлении через размещенную за третьей гранью этого поляризационно-чувствительного расщепителя четвертьволновую пластинку 1-3-1 и, отразившись от установленного за этой пластинкой отражающего элемента 1-3-2 и пройдя через четвертьволновую пластинку 1-3-1 в обратном направлении, превращается в s-поляризованный световой пучок, который, отразившись от диагональной грани второго входного поляризационно-чувствительного расщепителя 1-1, пройдя через его вторую грань, полуволновую пластинку 1-4, первую, диагональную и третью грани второго выходного поляризационно-чувствительного расщепителя 1-2, полуволновую пластинку 1-4 и выходной объектив 1-5 попадает в выходной оптический канал М в виде s-поляризованного светового пучка.

Из оптической схемы фиг.2а непосредственно следует, что прохождение через элементы субблока маршрутизации световых пучков входных оптических каналов 2,3,M/2 подобно каналу 1. Прохождение через элементы этого субблока р- и s-поляризованных световых пучков оптических каналов 1+M/2, 2+M/2,N, падающих на четвертую грань второго входного поляризационно-чувствительного расщепителя 1-1 вследствие симметрии оптической схемы аналогично прохождению световых пучков входных каналов 1,2,M/2: р-поляризованные пучки проходят в одноименные выходные каналы 1+M/2, 2+M/2,N, а s-поляризованные - соответственно в выходные каналы M/2,2,1.

Длины оптических путей S_p и S_s соответственно для р- и s-поляризованных сигналов при соединениях портов i i (i 1,2,M, прямые связи) и i M-i+1 (перекрестные связи) равны S_p 4nL_м + 2l_н + 4l_Q и S_s 4nL_м + 3l_н + 2l_Q, где L_м длина стороны поляризационно-чувствительных расщепителей, n их показатель преломления, l_Q и l_н длины оптических путей соответственно для четверть- и полуволновой пластинок. Поскольку l_н 2l_Q, то длина оптического пути S_p S_s.

Вариант построения предлагаемого коммутатора, когда для каскадов межсоединений Б_м типов М 2,4,N/2 используется общая фокусирующая оптическая система, состоящая только из двух фокусирующих блоков, между которыми размещены эти каскады межсоединений и оптически связанные с ними управляющие каскады. При таком варианте коммутатора фокусирующий блок состоит из N объективов с фокусными расстояниями, равными фокусному расстоянию F_N объективов субблока типа M=N. Фокусирующие блоки установлены относительно друг друга на фокусном расстоянии по ходу светового луча.

Вариант двухкоординатного многокаскадного оптоэлектронного коммутатора изображений в том случае, когда N=2^2r (r 1,2,3,) приведен на фиг.3. Такой объемный коммутатор можно рассматривать состоящим из каскадов х и у фокусировки и маршрутизации, каждый из которых содержит 2^r каскадов межсоединений одного типа М, выполненных по схеме фиг.2. Каскады х и у межсоединений развернуты относительно друг друга на 90^o вокруг горизонтальной оптической оси. В каждом из входящих в эти каскады блоков фокусировки и маршрутизации используются поляризационно-чувствительные расщепители 1-1, 1-2, имеющие форму прямоугольного параллелепипеда с ребрами L_м x 2L_м x L_м, плоские отражающие элементы 1-3-2, полу- (1-4) и четвертьволновые (1-3-1) пластинки размера L_м x 2L_м и субблоки фокусировки 1-5, выполненные в виде квадратных матриц сферических объективов. Каскады управления А_k выполнены в виде квадратных матриц модуляторов плоскости поляризации света.

Вариант предлагаемого двухкоординатного многокаскадного коммутатора (фиг.3) отличается тем, что в субблоках маршрутизации выходные поляризационно-чувствительные расщепители 1-2 развернуты относительно входных 1-1 на 90^o вокруг горизонтальной оптической оси.

Предлагаемый оптоэлектронный коммутатор двумерных изображений работает следующим образом. Предположим, что во входных оптических каналах 1,2,N формируются р-поляризованные изображения И₁, И₂,И_N, а во входных каналах N+1, N+2,2N формируются s-поляризованные изображения И_1+N, И_2+N,И_2N. Блоком управления БУ для каждого из входящих в коммутатор управляющих каскадов A_k(k= 1,2,K) вырабатываются комбинации сигналов управления модуляторами плоскости поляризации U_kU_k1, U_k2,U_kN), соответствующие требуемой картине соединений входных и выходных каналов. После завершения переходных процессов в управляемых модуляторах плоскости поляризации формируемые во входных каналах изображения передаются в выходные каналы 1,2,2N в соответствии с установившимися маршрутами соединений.

Возможные параметры предлагаемого оптоэлектронного коммутатора изображений могут быть оценены следующим образом. Число элементов в передаваемом изображении mxm (например, число бит, передаваемых по каналам параллельно в виде групповой информации) определяется размерами поляризационно-чувствительных расщепителей и угловой апертурой NA, примененной оптической системы. Из геометрии субблока маршрутизации (фиг.2) следует, что числовая апертура оптической системы NA в предположении, что L_м > l_н, l_Q, не может превышать величины NA n/2^r+2, где n 1,5 показатель преломления поряризационно-чувствительных расщепителей.

Если в качестве источников излучения, формирующих световые картины на входах коммутатора, используются одноименные лазеры с гауссовым распределением интенсивности, то, как известно, в многокаскадных дифракционно-ограниченных оптических системах при оптимальном радиусе гауссова пучка R 0,65D/2 (где D 2^-0,5L₂ диаметр примененных в оптической системе объективов, L₂ ребро поляризационно-чувствительного расщепителя в каскаде межсоединений с наименьшим значением М=2) дифракционные световые потери не превысят нескольких процентов при концентрации энергии в формируемых выходных каналах световых пятнах (элементах изображения) более 95% При такой концентрации энергии практически исключаются взаимные помехи между соседними элементами в передаваемых изображениях и максимальная плотность элементов в изображениях может быть оценена соотношением

_max(n/3 2^r+1)², (1)

где длина волны оптического излучения.

В качестве примера рассмотрим двухкоординатный многокаскадный коммутатор размера 128х128 (N= 8x8, r=3, M=2,4,8). При использовании поляризационно-чувствительных расщепителей с L₂ 1 см и источников излучения с =0,9 мкм на основании (1) найдем для максимально возможного числа элементов в передаваемых изображениях (mxm)_{max max}L²₂ 10⁵ при диаметре элементов изображения 30 мкм. Учитывая неизбежные аберрации оптической системы и требование простоты ее юстировки, а также возможности создания матриц GaAs вертикально излучающих лазеров и матриц фотоприемников, можно считать, что в практических разработках реально формировать, передавать по оптическим каналам и регистрировать изображения с числом дискретных элементов mxm 10⁴ при шаге между ними 100 мкм.

Темп передачи информации по любой соединенной паре оптических каналов W (произведение пространственной и временной полосы частот) определяется как произведение числа элементов в передаваемом изображении и скорости передачи информации V бит/с (т.е. W=m²V), достижимой при заданной вероятности потери информации. Предельное значение W ограничено причинами энергетического характера: доступным уровнем непрерывно генерируемой световой мощности Р, допустимым уровнем тепловыделения Q и пороговой чувствительностью фотоприемников Е_п. В отсутствии световых потерь W = QL²₂/E_п. При Q 10 Вт/см², L²₂= 1 см² и Е_п 1 фДж (порог надежного срабатывания фотоприемника при использовании в качестве источников излучения одномодовых лазеров с характерной для них пуассоновской статистикой фотонов) темп передачи информации может достигать величины W 10 Рбит/с. В реальных матрицах с большим числом элементов пороговая чувствительность фотоприемников не превышает Е_п10 фДж и коэффициент полезного действия GaAs лазеров 10% Поэтому в случае использования матрицы лазеров с общей излучаемой мощностью P=Q1 Вт при тепловыделении в ней Q 10 Вт и тепловыделении в матрице фотоприемников Q 1 Вт возможен темп передачи информации W 0,1 Рбит/с, что более чем в 1000 раз превышает темп передачи в известных системах коммутации потоков информации. При этом в случае предлагаемого коммутатора размера 128х128 его суммарная (т.е. всех каналов) пиковая производительность может достигать величины W_сум10 Рбит/с.

Сравнение величин W и W_сум, достижимых в предлагаемом коммутаторе и прототипе, показывает, что в прототипе вследствие виньетирования световых пучков (при прочих равных условиях) эти величины примерно в 10-50 раз меньше.