устройство уплотнения по длинам волн для оптических атс

Формула изобретения

1. Устройство уплотнения по длинам волн для NL=NH · NV 1 оптоволоконных линий, уплотненных NW волнами в диапазоне 1 i 2, содержащее оптический тракт из Р 1 призм, отклоняющих свет длины волны i на угол <360° и MR>0 зеркал, дополняющих угол до 360°, установленный между двумерными массивами оптических окончаний станционных и абонентских линий, отличающееся тем, что оптический тракт содержит две группы уголковых отражателей из двух зеркал, общие ребра которых перпендикулярны преломляющим ребрам призм оптического тракта, причем отражатели первой группы установлены перед первой призмой тракта, а отражатели второй группы после последней.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в оптическом тракте либо каждая призма, либо группа призм оптически связаны с соседними оптическими системами, состоящими из трех или более линз, в которых соседние линзы установлены на расстоянии, равном сумме их фокусных расстояний.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в оптическом тракте одна группа уголковых отражателей смещена от отражателей второй группы на одно зеркало вдоль преломляющего ребра расположенных между ними призм.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые устройства уплотнения относятся к технике электросвязи по оптическим линиям, и могут быть использованы для сверхплотного уплотнения по длинам волн в оптических АТС [1, 2] (ОАТС) или в больших группах городских и междугородных оптических линий.

Предлагаемые устройства многолинейные, одно устройство в ОАТС, может уплотнять каждую из 100-500 оптических линий 100-1000 волновых каналов.

Известны многолинейные устройства уплотнения по длинам волн со спиральными кольцевым [1], петлевым [2] оптическим трактом из нескольких призм и трактом в виде сегмента окружности [2]. Эти устройства могут дать шаг по длине волны до 0,1-0,05 нанометра, что эффективнее современных систем уплотнения DWDM с шагом по длине волны 3,2-0,4 нанометра [3].

Известные устройства уплотнения [1, 2] имеют следующий недостаток - они могут работать только с тонкими пучками света большой длины, для которых необходимы сложные оптические системы, увеличение габаритов и стоимости устройства.

Прототипом предлагаемого устройства является устройство из одного или нескольких каскадов для NL>1 линий уплотненных NW>1 волнами [2] с оптическим трактом из нескольких призм в виде петли или сегмента окружности, установленным между NL оптическими линейными окончаниями и NL×NW источниками/приемниками неуплотненных сигналов.

Прототип устройства уплотнения имеет следующий недостаток - для него необходимы тонкие пучки света большой длины, реализация которых существенно увеличит габариты и стоимость устройства.

Целью предлагаемых технических решений является:

- создание простых многолинейных устройств уплотнения по длинам волн для окончаний оптоволоконных линий с расходящимися пучками оптических сигналов для ОАТС, городских и междугородных магистралей, а также для систем абонентского доступа.

Техническим результатом, предлагаемых решений будет:

- создание простых многолинейных устройств уплотнения по длинам волн для ОАТС, городских и междугородных магистралей и мультиплексоров систем абонентского доступа, с большим, чем у DWDM числом волновых каналов, создание устройств уплотнения с простой настройкой на любой оптический диапазон и любую волну, а также с меньшими, чем у DWDM требованиями к точности изготовления.

Поставленная цель в устройстве уплотнения по длинам волн для NL=NH×NV 1 оптоволоконных линий уплотненных NW волнами в диапазоне 1 i 2, содержащее оптический тракт из Р 1 призм, отклоняющих свет волны i на угол 360°, и MR>0 зеркал, дополняющих угол до 360°, установленный между двумерными массивами оптическими окончаниями линий, размещенными в NH столбцах и NV строках с шагом DL и NW×DL по координатам Н и V, и станционными или абонентскими окончаниями, размещенными в NH столбцах и NV×NW строках с шагом DE по координатам Н и V, достигается тем, что перед оптическим трактом и после него, для образования в нем KW=2×kw+1 витков света, тракт содержит две группы по kw уголковых отражателей из двух зеркал или призм с двумя зеркальными гранями, с углом между ними 90°, причем преломляющие ребра линейных отражателей установлены по координате V, а станционные отражателям установлены к координате V под углом либо 360° при MR>0, либо не равным 360° при MR=0.

Кроме того, в оптическом тракте устройства уплотнения либо каждая призма, либо группа призм связана с соседней оптической системой из трех линз, в которой каждая пара линз установлены на расстоянии, равном сумме их фокусных расстояний, а оптические окончания связаны с первой и последней призмой тракта линзами ввода/вывода оптических сигналов, установленными на расстояниях LL от линейных и LE от станционных окончаний, равных их фокусным расстояниям, причем центральные плоскости этих линз установлены параллельно ребрам уголковых отражателей.

На фиг.1 представлен вертикальный разрез оптического тракта устройства уплотнения.

На фиг.2 - горизонтальный разрез оптического тракта.

На фиг.3 - вертикальный разрез формирователя параллельных пучков света.

На фиг.4 - вертикальный разрез оптического тракта устройства с малым числом призм.

Примечание: на фигурах обозначения элементов состоят из двух частей: первая цифра - номер фигуры, а следующие - номер элемента, совпадающий на фигурах 1-4 содержащих его.

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 размеров призм от числа каналов, шага по длине волны, числа витков и числа призм.

На фиг.1 и 2 показан пример оптической схемы устройства уплотнения по длинам волн с челночно-петлевым оптическим трактом для NL оптических линий в многолинейных селекторах и мультиплексорах NW волновых каналов в оптических АТС, оптических магистралях или системах абонентского доступа.

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.

Устройства состоят из двух панелей оптических окончаний 11 от NL линий уплотненных NW волнами и NL×NW станционных окончаний 12, двух панелей, на которых установлены двухгранные уголковые отражатели 13, 14 и линзы ввода/вывода оптических сигналов 15 и 16.

Оптические окончания - зашлифованные концы волокон или фоконы.

Окончания 11 размещены с шагом DL в NH столбцах и NV строках и с шагом DE в NH столбцах и NV×NW строках для окончаний 12. При этом ширина и высота панелей для линейных окончаний больше NH×DL и NV×DL, а для станционных NH×DE и NV×NW×DE.

Уголковые отражатели 13 и 14 состоят из двух зеркал или призм с зеркальными гранями, общие ребра которых на фиг.1 вертикальны. Параллельно панелям окончаний установлены линзы ввода/вывода оптических сигналов 15 и 16.

Между панелями отражателей 13 и 14 установлен оптический тракт из Р призм 17, MR зеркал 18, не переворачивающих оптических систем 10 и 19.

На фиг.1, 2, 3 показаны осевые линии путей оптических сигналов от окончаний 11 через пары линз 15(25) и 16(26) к окончаниям 12. Оптические сигналы 5 раз проходят по оптическому тракту из Р=6 призм 17, MR=6 зеркал 18, оптических систем 10 и 19 и две группы по kw=2 уголковых отражателей 13 и 14.

На фиг.2 показаны пути оптических сигналов по горизонтали от двух из NH окончаний 21 (11), к двум из NH станционным окончаниям 22 (12) в одном из NW рядов окончаниям 22 (12), аналогичные пути на фиг.1.

На фиг.2 оптические сигналы 2xkw+1=5 раз проходят через призмы 27 (17), 4 уголковых отражателя 23 (13) и 24 (14) и оптическую систему 20 (10, 30), из линз 211 (311) и 212 (312). Первый проход от окончаний 11 проходит через линзы 25 (15) и тракт 20 (10) к зеркалу отражателя 24, второй проход через 212, 211 между отражателями 24 и 23, а последний пятый от 23 через 212, 211 и линзу 26 (16) к окончаниям 22. Уголковые отражатели 23 (13) смещены от 24 (14) на одно зеркало.

В общем случае два по kw отражателей либо kw и kw+1 дают KW=kws+1 проходов через оптический тракт, здесь kws - суммарное число отражателей 23 и 24. При этом свет преломляют 2×P×KW призм.

На фиг.1 и 2 показано, что все элементы устройства уплотнения 13-10 общине для всех NL уплотненных линий.

На фиг.3 показан путь оптических сигналов в оптической системе 30 (10) по вертикали. Система 30 (10) состоит либо из 4 линз 311, 312, 312 и 311, либо как показано на фиг.2 из 3-х линз 211, 212 и 211 с центром в точке пересечения осей между центрами 311. Из них первая 311 фокусирует перевернутое изображение параллельных пучков на линзе 312. При 2 линзах 312 между ними идут параллельные пучки, а вторая 312 вновь переворачивает изображение. Далее 311 формирует параллельные пучки, что позволяет минимизировать геометрические искажения в призмах 17. В системах 30 и 39 из трех линз объединяются в одну линзу 312.

На фиг.3 оптической системе 20 (10) линзы 311 показаны увеличенными для большей ясности фиг.2.

Оптическая система 39 это половина системе 30 с горизонтальной осью линз 311.

Расходящиеся пучки света от окончаний 11 пара линз 25 (15) преломляет в параллельные, а оптические системы 20 между призмами предотвращают расхождение пучков, а пара линз 26(16) фокусирует каждый пучок к своему окончанию 12.

Два переворота в системе 30 и 39 дают не перевернутое изображение.

Для создания параллельных пучков света, при которых призмы минимально искажают изображение окончаний 11 или 12, линзы 15 и 16 должны устанавливаться на фокусном расстоянии от 11 и 12. Пары линз 211(311)-212(312) и 212(312)-211(312) должны устанавливаться на расстоянии, равном сумме их фокусных расстояний.

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.

Для стекла из плавленого кварца в диапазоне 1,5-1,6 мкм коэффициент преломления n=1,444179 [4], при этом угол отклонения в одном витке 360°, достигается при 14 призмах с преломляющим углом =0,5 радиана, а для =1 при 8 призмах. В витой петле число призм может быть больше 14 добавлением звеньев при выборе подходящего угла для зеркал 18. В петле без дополнительных звеньев число призм можно уменьшить до двух.

Кроме витой петли на фиг.1 возможна кольцевая петля, в которой дополнительные призмы 17 размещаются, по кольцу либо без зеркал 18, либо с числом зеркал, меньшим числа призм. Для кольцевой петли число призм ограничено углом отклонения 360°.

Многолинейное устройство может работать селектором волновых каналов, если источники оптических сигналов окончания 11 или мультиплексором. В селекторе разделяют волновые каналы призмы без потери мощности принимаемого сигнала.

Источниками сигналов 12 для мультиплексоров являются многоточечные усилители яркости изображения, либо матрицы структур фототранзистор - светодиод, либо точки люминофора электронно-оптических преобразователей с полосой излучения 50-100 нанометров.

Мультиплексор каждую группу из NW станционных светодиодных источников 12 объединяет в одно из NL окончаний 11. Для каждого светодиода на KW витках призмы расщепляют спектр на ряд волновых составляющих и отклоняют их на расстояния, достаточные для суммирования на окончании 11.

От верхнего из NW источников 12 к окончанию 13 проходит волна с наименьшей длиной, а от нижнего источника - волна с наибольшей длиной.

При мультиплексировании в линию передается 1/NW доля мощности каждого источника.

Для оптических АТС (ОАТС) [1, 2] необходимы многолинейные станционные устройства уплотнения и устройства уплотнения абонентского доступа.

Станционные устройства должны уплотнять 100-500 волновыми каналами каждую из 100-1000 абонентских линий и 1000 или более каналами в 10-100 межстанционных и/или междугородных линий.

Оценить возможности использования в ОАТС и определить параметры устройств уплотнения с челночно-петлевым оптическим трактом и KW витками для линий уплотненных NW волнами, с DL шагом между линейными окончаниями 11 и DE между станционными окончаниями 12, при равном расстоянии между призмами l можно следующим путем.

На фиг.1 при проходе через первую призму оптические сигналы соседних волн разойдутся на угол , а на расстоянии l отклонение сигналов будет d(1)= × l, После второй призмы угол увеличится вдвое, а перед третьей призмой отклонение будет d(2)=d(1)+2× × l. После прохождения Р призм угол отклонения сигналов увеличится до Р× , а отклонение до d(Р)=d(Р-1)+Р× × l, 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× l, а при числе витков KW оптические сигналы пройдут P×KW призм и сигналы отклонятся друг от друга на расстояние × l×(Р×KW+1)×Р×KW× l/2, которое достаточно для их надежного разделения.

Одна призма с коэффициентом преломления n и преломляющим углом имеет угол наименьшего отклонения из описанного в [6] уравнения:

sin(( + )/2)=n×sin( /2)

При малом угле /6 sinx x и выражение для упрощается

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

При размещении окончаний 11 в NV строках, в устройстве с Р призмами и промежутке между призмами l число витков KW можно найти из неравенства (2), в котором n× = и DD большее из DL и DE.

При этом высота призм LV должна быть не меньше NV×DD×NW.

В таблице 1 приведены возможности устройства по неравенству (2), для числа витков KW, числа волн NW, высоты призм LV и шага DD, близкого к 100 мкм в зависимости от числа призм Р.

KW получены для =0.5 и =l радиан, l=0.1 метра, для =1, 0.1, 0.01 нм, и стекла из плавленого кварца, у которого в диапазоне 1.5-1.6 мкм коэффициент преломления n=1.444179 и n=0.00001195 на 1 нм [4].

Из таблицы 1 видно, что при от 1.0 до 0.1 нм устройство может уплотнять абонентские линии 50 - 500 волновыми каналами, а для соединительных линий теоретически можно получить разрешение и =0.01 нм.

В реальных конструкциях придется учитывать геометрические параметры, например, при =1, =0.1 и =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.

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

Реальные параметры устройства должны выбираться для размещения NL=NH×NV окончаний 11 в двумерном массиве с размерами по координатам Н и V KW×(NH+Z)×DD и NV×NW×DD либо равными (квадратный массив), либо максимально близкими (прямоугольный массив). Здесь DD×NH+Z, шаг смещения на каждом витке изображения NH окончаний 11, a Z=dl×tg /DD зазор, компенсирующий расхождения света от окончаний 11 на угол , a dl фокусное расстояние линзы 15. Оптическая система 10(30) даст возможность выбрать dl в 3-4 раза меньше l. Для l=100 мм dl=25 мм, а при угле расхождения от светодиодов =4° и l=100 и Z=25×0,07/0,1=17,5. С учетом технологических потребностей округлим Z=20.

В таблице 2 рассчитанные с учетом (3) при DL=100 мкм приведены LV, l, KW, NH, NV, в зависимости от числа каналов NC=NL×NW при =1 и =0.1 нм.

Из таблицы 2 видно, что при от 1 до 0.1 нм, устройство даже при двух-четырех призмах может уплотнять абонентские линии ОАТС для 10000-40000 абонентов или волновых каналов.

Для =0.01 нм высота призм 500 мм и l=2500 мм слишком велики, но получить разрешение до NW=5000 и более волн при значительно меньших размерах призм даст многокаскадные многолинейные устройства уплотнения [1].

Сверхяркие светодиоды и эрбиевые волоконные усилители, возможно, удастся получить NW=2000-5000 и более.

Для сверхплотного уплотнения NW=2000-5000 размеры призм и всего устройства можно существенно уменьшить в устройстве уплотнения, состоящем из 2 или более последовательно соединенных каскадов - устройств на фиг.1-3.

В первом каскаде размещение петли призм произвольно, во втором и следующих каскадах либо центральная плоскость петли перпендикулярна петле предыдущего каскада, либо направление смещения в уголковых отражателях должна быть противоположным направлению предыдущего каскада.

Первый каскад с числом витков KW1 из выражения (2) с критерием DD×NWH/NW для каждой линии уплотненной NW волнами разделяет спектр сигналов в непрерывную вертикальную полосу длиной DD×NWH, в которой сигналы соседних волн наложены друг на друга.

Второй каскад с числом витков KW(2) из выражения (2) с критерием DD разделяет по горизонтали линейчатый спектр в прямоугольный с высотой DD×NWH и шириной DD×NWV.

Для NL=NH×NV линий в первом каскаде размеры по координатам Н и V KW1×(NH+1)×NWH×DD и NV×NWV×DD, а шаг между окончаниями NWH×DD и NWV×DD, причем единица в NH+1 заменяет зазор Z, поскольку Z<NW1×DD

Во втором каскаде размеры по координатам Н и V KW2×NV×NWV×DD и NH×NWH×DD.

Рабочая площадь призм двух каскадов должна быть не меньше

В таблице 3 рассчитанные с учетом (3, 4) при DL=100 мкм приведены размеры призм, l, KW, NH, NV, и число каналов NC=NL×NW для двухкаскадного устройства при =0.1 и =0.01 нм. DL из таблицы 1 выравниваются до 00 мкм подбором .

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

Описанные выше многолинейные устройства уплотнения предназначены для станционного оборудования.

На фиг.4 и 2 показан вариант устройства уплотнения из N модулей на Р=2 или Р=1 призмах 47 (17, 27), в системах абонентского доступа N>1, а в абонентских терминалов с N=1. Каждый модуль на фиг.4 это фрагмент петли фиг.1, в котором общие ребра kw отражателей 43 (13, 23) и kw или kw+1 отражателей 44 (14, 24) установлены перпендикулярно преломляющим ребрам призм. Причем призмы 47 разделены трехлинзовой системой 40 (10). При этом петля вырождается в ломанную линию.

На фиг.4 показан ход осевых лучей расходящихся пучков света по вертикали и на фиг.2 по горизонтали, где уголковые отражатели 43 и 44 смещены на одно зеркало. Из-за смещения оптические сигналы преломляются призмами kws+1 раз, где kws суммарное число отражателей 43(23) и 44(24).

При N>1 соседние модули оптически последовательно соединяются уголковыми отражателями из двух зеркал 48 и линз 49.

В N модульном устройстве уплотнения с Р призмами в каждом модуле из выражений (0, 1) можно получить суммарный угол отклонения и

(n-1)× ×N×P×(kws+1)(0N)

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

n× ×N×P×(kws+1)(1N)

Устройства на фиг.4 могут использоваться в магистральных мультиплексорах абонентского доступа для разделения NW волн к NA линиям по NWA=NW/NA волн, а в NA оконечных мультиплексорах для разделения в каждой из этих линий NWA волн к NWA абонентам.

Первое устройство разделяет соседние волны с шагом DD/NA, а оконечные устройства - с шагом DD.

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

Настройка устройств в мультиплексорах и абонентских терминалах на необходимый диапазон волн осуществляется выбором угла наклона либо призм, либо зеркал 48.

Настройка на свою волну осуществляется перемещением в одно из возможных положений источника (окончания световода) или приемника (фотодиода).

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 в устройстве на фиг.1 и 4 цель - простота настройки на любой диапазон - реализуется выбором наклона одного или нескольких зеркал 18 (48) или призм-17(47).

Источники информации

1. Патент РФ 2308820 17.04.2007, фиг.1-5.

2. Патент РФ 2297719 20.04.2007, фиг.1-2.

3. Современные технологии цифровых оптических сетей связи (ATM, PDH, SDH, SONET И WDM). Н.П.Слепов. Москва, "Радио и Связь", 2000, стр.362-371, рис.11.4-11.6.

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

Таблица 1
P		радиан	0.5	1
	нм	1	0.1	0.01	1	0.1	0.01
NW	волн	50	500	5000	50	500	5000
LV	мм	5.0	50.0	500	5.0	50.0	500
1	KW	витков	17	51	161	13	37	115
DD	Мкм	91	79	78	124	84	80
2	KW	витков	9	25	79	7	19	57
DD	Мкм	102	78	76	125	88	78
4	KW	витков	5	13	41	3	9	29
DD	Мкм	125	83	81	93	79	89
8	KW	витков	3	7	21	-	5	15
DD	Мкм	179	95	85	-	98	87

Таблица 2
P		нм	1	1	0.1	0.1
NC	каналов	10000	20000	20000	40000
l	см	10	10	10	10
DD	Мкм	100	100	100	100
NW	волн	50	50	500	500
2	KW	витков	9	9	25	25
NH+Z	столбцов	40+20	80+20	40+20	80+20
NV×NW	строк	250	250	500	500
SP	мм.кв.	54×25	90×25	150×50	250×50
4	KW	витков	5	5	13	13
NH+Z	столбцов	40+20	80+20	40+20	80+20
NV×NW	строк	250	250	500	500
SP	мм.кв.	30×25	50×25	78×50	130×50
8	KW	витков	3	3	7	7
NH+Z	столбцов	50+20	80+20	40+20	80+20
NV×NW	строк	200	250	500	500
SP	мм.кв.	21×20	30×25	42×50	70×50
16	KW	витков	1	1	3	3
NH+Z	столбцов	100+20	100+20	40+20	80+20
NV×NW	строк	100	200	500	500
SP	мм.кв.	12×10	12×20	18×50	30×50

Таблица 3
P		нм	0.1	0.1	0.01
NC	каналов	40000	80000	80000
NL	линий	80	160	16
l	см	10	10	10	10	10	20
DD	Мкм	100/25	100	100/25	100	100/50	100
NW	волн	20×25=500	20×25=500	50×100=5000
2	KW	витков	5	25	5	25	7	57
NH×NWH	столбцов	20×26	80	20×26	160	8×50	2×100
NV×NWV	строк	4×20	20×26	8×20	20×25	2×100	8×50
SP	мм.кв.	260×8	200×52	260×16	400×25	280×20	1140×40
4	KW	витков	3	13	3	13	5	29
NH×NWH	столбцов	20×26	80	20×26	160	8×50	2×100
NV×NWV	строк	4×20	20×26	8×20	20×26	2×100	8×50
SP	мм.кв.	156×8	104×52	156×16	208×52	200×20	580×40
8	KW	витков	1	7	1	7	3	15
NH×NWH	столбцов	20×26	80	20×26	160	8×50	2×100
NV×NWV	строк	4×20	20×26	8×20	20×26	2×100	8×50
SP	мм.кв.	52×8	56×52	52×8	112×52	120×20	300×40
16	KW	витков	1	3	1	3	1	9
NH×NWH	столбцов	20×26	80	20×26	160	8×50	2×100
NV×NWV	строк	4×20	20×26	8×20	20×26	2×100	8×50
SP	мм.кв.	52×8	24×52	52×16	48×52	40×20	180×40