Многоканальный оптический мультиплексор ввода-вывода

Изобретение относится к технике волоконно-оптических систем передачи, в частности к многоканальным управляемым оптическим мультиплексорам ввода-вывода, входящим в состав волоконно-оптических систем передачи со спектральным разделением каналов (ВОСП-СР). Техническим результатом является разработка мультиплексора ввода/вывода на основе типовых спектральных каналов, не требующих управляемой динамической перестройки коэффициентов передачи составляющих элементов, в котором обеспечиваются высокое быстродействие, низкие вносимые потери, большая величина переходного затухания между соседними каналами, возможность коммутации и ввода/вывода всех типовых спектральных каналов, передаваемых по линейному тракту ВОСП-СР. Для этого устройство состоит из разделителей каналов третьего, второго и первого уровней, коммутаторов типовых спектральных каналов третьего (ГСК-16), второго (ГСК-4) и первого (ОСК) уровней, объединителей каналов первого, второго и третьего уровней, а также блока управления, формирующего команды на установку режима работы мультиплексора и на коммутацию типовых спектральных каналов. 4 з.п. ф-лы, 22 ил.

 

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам передачи со спектральным разделением каналов (ВОСП-СР), а именно к многоканальным управляемым оптическим мультиплексорам ввода-вывода каналов с возможностью коммутации и выделения групп оптических каналов и возможностью использования в системах среднего (WDM - Wavelength Division Multiplexing) плотного (DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexing) и высокоплотного (HDWDM - High Dense Wavelength Division Multiplexing) спектральных уплотнений в С и D оптических диапазонах (1530-1625 нм).

Известен управляемый оптический мультиплексор ввода-вывода [Патент РФ №2390099, 2005 г., МПК H04J 14/02], состоящий из системы со спектральным уплотнением 2^N каналов, имеющий входной порт, выходной порт, порт вывода и порт ввода, и N-ступенчатую структуру, содержащую в каждой ступени один оптический фильтр с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи. В N-ступенчатой структуре каждый фильтр последующей ступени своим входом и выходом соединен со входом и выходом предыдущей ступени, кроме оптических фильтров первой и последней ступени, вход оптического фильтра первой ступени соединен с входным портом мультиплексора, а другим своим выходом соединен с выходным портом, оптический фильтр последней ступени соединен своим выходом с портом вывода, а другим своим входом соединен с портом ввода. Оптические фильтры являются однокаскадными или двухкаскадными несимметричными интерферометрами Маха-Цендера, для управления настройкой коэффициентов передачи которых используются термооптические или электропотические устройства фазового сдвига.

Входной порт, выходной порт, порт, вывода и порт ввода выполнены с помощью световодов.

Недостатками известного устройства являются большой уровень вносимых помех в канал передачи, низкое переходное затухание между соседними спектральными каналами, необходимость перестройки спектральных характеристик фильтрующих устройств для осуществления коммутации стандартных каналов с различными длинами волн.

Известен управляемый оптический мультиплексор [Патент РФ №2389138, 2005 г., МПК H04J 14/02], выполненный по интегрально-оптической технологии на одном чипе и состоящий из 2^N входных портов, одного выходного порта, контроллера и N-ступенчатой структуры, содержащей в каждой n-й ступени, где n=1, 2, …, N, 2^N-n оптических фильтров. Оптические фильтры выполнены с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи. В N-ступенчатой структуре входы каждого оптического фильтра первой ступени соединены с входными портами управляемого оптического мультиплексора, оптические фильтры последующих ступеней соединены своими входами с выходами предыдущих оптических фильтров, а выход оптического фильтра последней ступени соединен с выходным портом мультиплексора. Оптическими фильтрами являются однокаскадные, двухкаскадные или многокаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера, содержащие электрооптические и термооптические устройства фазового сдвига для управления коэффициентом передачи оптического фильтра. Выходные и входные порты оптического мультиплексора выполнены с помощью световодов.

Недостатками известного устройства являются: большой уровень вносимых помех в канал передачи, низкое переходноое затухание между соседними спектральными каналами, сложность процедуры реконфигурорования управления перестройкой коэффициента передачи оптических фильтров, что приводит к усложнению перестройки рабочей длины волны оптического канала.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является многоканальный оптический мультиплексор ввода/вывода [патент РФ №2372729, 2005 г., МПК H04J 14/02], выполненного по интегрально-оптической технологии на одном чипе и состоит из 2" входных портов и одного выходного порта, n-ступеней оптических фильтров, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи; управляемый оптический демультиплексор конфигурации «1×2^M»), обеспечивающий разделение сигнала на 2^M подмножеств каналов и вывода каждого из каналов на 2^M трасс;. выходные порты оптического демультиплексора конфигурации «1×2^M» содержат в каждой n₁-й ступени, где n₁=1, 2, …, М 2^n1-1 оптических фильтров, каждый из которых имеет один вход и два выхода с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, причем ступени соединены друг с другом с помощью подключения выхода одной ступени на вход последующей, а в последней ступени каждый из двух выходов соединен с одним из ее входных портов; управляемый оптический мультиплексор конфигурации «2^M×1», состоящий из М-ступенчатой структуры которая содержит 2^M входных портов и один выходной порт, содержащие в каждой n₂-й ступени оптические фильтры, каждый из которых имеет два входа и один выход, выполненных с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи, причем ступени соединены между собой путем подключения входа предыдущего фильтра к выходу последующего, кроме фильтров первой и последней ступени, которые соединены каждым из двух входов с выходом одного из оптических фильтров, а одним выходом с одним из входов одного из оптических фильтров предыдущей ступени, причем выход оптического фильтра последней ступени соединен с выходным портом; контроллера для управления перестройкой спектральных характеристик демультиплексора, мультиплексора и 2^M мультиплексоров ввода/вывода путем подачи управляющего напряжения на устройства фазового сдвига; управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода содержащего (N-М)-ступенчатую структуру, внутри которой входной In и выходной порт Out, порт ввода Add и вывода Drop. Ступенчатая структура состоит из n₃-х ступеней, где n₃=1, 2,, (N-M) и содержит в каждой ступени один оптический фильтр, имеющий один вход и два выхода, выполненные с возможностью управляемой перестройки коэффициентов передачи. Выходы каждой ступени оптических фильтров подключены друг к другу путем соединения выхода фильтра предыдущей ступени со входом фильтра последующей ступени, а другой выход каждого оптического фильтра соединен со входом оптического сумматора. А вход оптического фильтра первой ступени соединен с входным портом In, оптический фильтр последней ступени одним выходом соединен с портом вывода Drop, а другим подключен ко входу оптического сумматора. Оптический сумматор управляемого оптического мультиплексора ввода/вывода содержит N-M+1 входов и один выход, первый из его входов подключен к порту ввода Add, а его выход его выход подключен к выходному порту Out. В качестве оптических фильтров используются однокасадные, двухкаскадные или многокаскадные несимметричные интерферометры Маха-Цендера, содержащие электрооптические или термооптические устройства фазового сдвига. Входной порт, выходной порт, 2^М 2^M выводных портов, 2^M вводных портов выполнены с помощью световодов.

Недостатком ближайшего аналога являются относительно большой уровень вносимых помех в канал передачи, низкое переходноое затухание между соседними спектральными каналами, необходимость перестройки спектральных характеристик фильтрующих устройств для осуществления коммутации стандартных каналов с различными длинами волн, а также не полная доступность всех линейных каналов к мультиплексору ввода/вывода, что снижает эксплуатационные возможности ВОСП-СР.

Целью изобретения является разработка мультиплексора ввода/вывода на основе типовых спектральных каналов, не требующих управляемой динамической перестройки коэффициентов передачи составляющих элементов, в котором обеспечиваются высокое быстродействие, низкие вносимые потери, большая величина переходного затухания между соседними каналами, возможность коммутации и ввода/вывода всех типовых спектральных каналов передаваемых по линейному тракту ВОСП-СР.

Поставленная цель достигается тем, что в известном многоканальном оптическом мультиплексоре ввода/вывода, содержащем входной демультиплексор (ДМП) и выходной мультиплексор (МП), снабженные соответственно входным и выходным портами, а также блок управления, снабженный управляющим входом первый и второй управляющие выходы которого подключены к управляющим входам соответственно входного ДМП и выходного МП, дополнительно введены первая группа из N=4 преобразователей частот, которые совместно с входным ДМП образуют разделитель каналов (РК) третьего уровня. В разделителе каналов вход i-го преобразователя частоты подключен к выходам входного ДМП, а выход i-го преобразователя частоты является i-м выходом РК третьего уровня. Выход служебного канала, управляющий вход и входной порт входного ДМП являются соответственно выходом служебного канала, управляющим входом и входным портом РК третьего уровня. Вторая группа из N преобразователей частот, которые совместно с выходным МП образуют объединитель каналов (ОК) третьего уровня. В ОК третьего уровня вход i-го преобразователя частоты подключен к i-му входу выходного МП, а вход i-го преобразователя частоты является i-м входом ОК третьего уровня. Вход служебного канала, управляющий вход и выходной порт выходного МП являются соответственно входом служебного канала, управляющим входом и выходным портом ОК третьего уровня. I-е выходы РК третьего уровня и i-e входы ОК третьего уровня подключены соответственно к i-му входу входного коммутатора каналов третьего уровня и i-му выходу выходного коммутатора каналов третьего уровня. 1-й выход входного коммутатора каналов третьего уровня и i-й вход выходного коммутатора каналов третьего уровня, подключены соответственно к i-му входу РК второго уровня и i-му выходу ОК второго уровня. К-й вход, где k=1, 2, …, (N×N) OK второго уровня подключен к k-му выходу выходного коммутатора каналов второго уровня, а k-й вход коммутатора каналов второго уровня подключен к k-му выходу ОК первого уровня. К-й выход РК второго уровня подключен к k-му входу входного коммутатора каналов второго уровня., k-й выход которого подключен к k-му входу РК первого уровня. J-й выход, где j=1, 2, …, (N×N×N) РК первого уровня подключен к j-му входу коммутатора каналов первого уровня, j-й выход которого подключен к j-му входу ОК первого уровня. Третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой управляющие выходы блока управления подключены к управляющим входам соответственно входного коммутатора третьего уровня, входного коммутатора каналов второго уровня, выходного коммутатора каналов третьего уровня, выходного коммутатора каналов второго уровня и коммутатора каналов первого уровня. Входной коммутатор каналов третьего уровня, входной коммутатор каналов второго уровня и коммутатор каналов первого уровня снабжены соответственно N, N×N, N×N×N выходными портами оптических каналов. Выходной коммутатор каналов третьего уровня, выходной коммутатор каналов второго уровня и коммутатор каналов первого уровня снабжены соответственно N, N×N, N×N×N входными портами оптических каналов.

РК второго уровня состоит из N ДМП второго уровня входы которых являются соответствующими входами РК второго уровня, i-й выход i-го ДМП второго уровня подключен к входу i-го преобразователя частот i-й группы преобразователей частот, выходы которых являются соответствующей группой из N×N выходов разделителя каналов второго уровня. ОК второго уровня состоит из N групп преобразователей частоты по N преобразователей частот в каждой группе, N×N входов которых являются соответствующими входами ОК второго уровня. Выход k-го преобразователя частоты подключен к соответсвующему входу i-го мультиплексора второго уровня, N выходов МП первого уровня являются соответствующими N выходами OK второго уровня. РК первого уровня состоит из N×N ДМП первого уровня входы которых являются соответствующими входами РК первого уровня. J-й выход ДМП подключен к входу j-го преобразователя частот, а выходы всех преобразователей частот являются выходами РК первого уровня. ОК первого уровня состоит из N×N групп преобразователей частот по N преобразователей частот в каждой группе, входы которых являются соответствующими входами ОК первого уровня. J-й выход преобразователя частот подключен к j-му входу k-го МП первого уровня, выходы всех МП являются соответствующими выходами объединителя каналов первого уровня.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном устройстве за счет применения волновых МП (ДМП) с использованием оптических многослойных тонкопленочных не перестраиваемых фильтров (ОМСФ) достигается снижение вносимых помех, увеличение переходного затухания между соседними каналами, устраняется необходимость в перестройке спектральных характеристик фильтрующих устройств, а за счет создания однотипных спектральных каналов трех уровней, входы и выходы которых выведены на соответствующие коммутационные поля однотипных и взаимодоступных для коммутации спектральных каналов обеспечивается полная доступность всех стандартных каналов к мультиплексору ввода/вывода, что значительно повышает эксплуатационные возможности ВОСП-СР

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - блок-схема управляемого мультиплексора ввода-вывода;

на фиг.2 - блок-схема разделителя каналов второго уровня;

на фиг.3 - блок-схема разделителя каналов первого уровня;

на фиг.4 - блок-схема объединителя каналов первого уровня;

на фиг.5 - блок-схема объединителя каналов второго уровня;

на фиг.6 - структура входного демультиплексора/выходного мультиплексора;

на фиг.7 - конструкция ОМСФ;

на фиг.8 - конструкция мультиплексора/демультиплексора второго и третьего уровней;

на фиг.9. - конструкция входного/выходного коммутатора каналов третьего уровня (емкостью 4×4);

на фиг.10 - конструкция входного/выходного коммутатора каналов второго уровня (емкостью 16×16);

на фиг.11 - конструкция входного/выходного коммутатора каналов первого уровня (емкостью 64×64);

на фиг.12 - конструкция оптического преобразователя частот на ферроэлектрической доменной решетке;

на фиг.13 - размещение спектров типовых спектральных каналов на единой оси частот;

на фиг.14-64 - канальный линейный групповой сигнал;

на фиг.15-32 - канальный линейный групповой сигнал;

на фиг.16 - принцип волнового демультиплексирования 64-канального линейного группового сигнала;

на фиг.17 - принцип волнового демультиплексирования 32-канального линейного группового сигнала;

на фиг.18 - режим однокальной работы управляемого оптического мультиплексора ввода-вывода;

на фиг.19 - режим многоканальной работы (N=64 СК) управляемого оптического мультиплексора ввода-вывода;

на фиг.20 - режим многоканальной работы (N=32 СК) управляемого оптического мультиплексора ввода-вывода;

на фиг.21 - алгоритм функционирования блока управления;

на фиг.22 - пример входного управляющего сигнала.

Заявленное устройство, показанное на фиг.1, состоит из разделителей каналов третьего 1, второго 3 и первого 5 уровней, входных коммутаторов третьего 2 и второго 4 уровней, коммутатора каналов первого уровня 6, объединителей каналов первого 7, второго 9 и третьего 11 уровней, выходных коммутаторов каналов второго 8 и третьего 10 уровней, а также блока управления 12, снабженного управляющим входом 12.0. РК третьего уровня 1 содержит управляющий вход 21, выход служебного канала 28 и входной порт 19. Выходы РК третьего уровня подключены ко входам входного коммутатора каналов третьего уровня 2, который содержит управляющий вход 22 и N выходных портов оптических каналов 13.1-13.4. Выходы входного коммутатора третьего уровня 2 подключены к входам РК второго уровня. Выходы РК второго уровня 3 подключены ко входам входного коммутатора каналов второго уровня 4, который снабжен управляющим входом 23 и N×N выходными портами оптических каналов 14.1-14.16. Выходы входного коммутатора каналов второго уровня 4 подключены к входам РК первого уровня 5. Выходы РК первого уровня подключены к входам коммутатора каналов первого уровня 6, снабженного управляющим входом 24, N×N×N выходными 15.1-15.64 и входными 16.1-16.64 портами оптических каналов. Выходы коммутатора каналов первого уровня 6 подключены к входам ОК первого уровня 7. Выходы ОК первого уровня подключены к входам выходного коммутатора каналов второго уровня 8, который снабжен управляющим входом 25 и N×N выходными портами оптических каналов 17.1-17.64, а его выходы подключены ко входам ОК второго уровня 9. Выходы ОК второго уровня подключены ко входам выходного коммутатора каналов третьего уровня 10, снабженного управляющим входом 26 и N выходными портами 18.1-18.4 оптических каналов. Выходы выходного коммутатора каналов третьего уровня 10 подключены к входам объединителя каналов третьего уровня 11, снабженного управляющим входом и входом служебного канала.

Разделитель каналов третьего уровня 1 предназначен для разделения входного сигнала на 4 групповых спектральных каналов ГСК-16 и выделения служебного канала. РК третьего уровня состоит из (фиг.1) входного ДМП 1.1 и четырех преобразователей частот 1.2₁-1.2₄. Входной ДМП снабжен входным портом, управляющим входом и выходом служебного канала, которые являются соответственно входным портом 19, управляющим входом 21 и выходом служебного канала 28 РК третьего уровня 1. Четыре выходных порта ДПМ 1.1 подключены к соответствующим входам четырех преобразователей частот 1.2₁-1.2₄, выходные порты которых являются соответствующими четырьмя выходами разделителя каналов третьего уровня.

Входной ДМП 1.1 предназначен для разделения спектра входного линейного сигнала на группы спектров оптических каналов ГК-16/1…ГК-16/4 и выделения служебного канала ОСК-0. Структура входного ДМП 1.1 приведена на фиг.6, а принцип действия и его параметры описаны в книге Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999., с.98-99. Оптический мультиплексор может быть выполнен в виде кварцевой пластины, размещенной на зеркальной подложке. На внешнюю сторону кварцевой пластины наклеены 5 оптических многослойных фильтров (ОМСФ), которые соединены с торцами оптических волокон. Каждый ОМСФ пропускает только определенную фиксированную длину волны оптического диапазона. ОМСФ и состоит из (фиг.7) входного оптического трансформатора (ОТ-1), многослойного фильтра (МСФ) и выходного оптического трансформатора (ОТ-2). ОТ-1, МСФ и ОТ-2 представляют собой многослойные покрытия из слоев диэлектрических материалов с различными показателями преломления, Количество слоев ОМСФ определяется расчетом по методике, описанной в монографии: Б.А.Лапшин «Оптические гетероструктуры. Новая теория и расчет» СПб.: БХВ-Петербург, 2012, Глава 6.

Преобразователи частот 1.2₁-1.2₄ предназначены для преобразования оптического сигнала путем его переноса из одного спектра частот в другой, выделяемый оптическим фильтром. В качестве преобразователя частот целесообразно использовать оптический волновой конвертер на ферроэлектрической доменной решетке, принцип работы которого и характеристики описаны в статье Н. Слепов. Оптические волновые конвертеры и модуляторы. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. №6, 2000, структура которого изображена на фиг.12.

Входной коммутатор каналов третьего уровня 2 (фиг.1) снабжен управляющим входом 22, N выходными портами оптических каналов 13.1-13.4 и предназначен для коммутации, ввода/вывода групповых спектральных каналов ГСК-16. Входной коммутатор каналов может быть реализован различным способом в частности на основе технологии микроэлектромеханических машин (MEMS) в виде трехмерного оптического коммутатора, который описан в книге O.K.Скляров. Волоконно-оптические сети и системы связи. М.: Издательство «Лань», 2010, с.173. Трехмерный оптический коммутатор представляет собой подложку, на которой закреплен массив микрозеркал, каждый из которых под действием электрических импульсов может изменить свое положение в течение 1-2 мс. Для реализации входного коммутатора каналов третьего уровня (фиг.9) трехмерный оптический коммутатор должен иметь 4 входных и 8 выходных портов и один управляющий вход.

РК второго уровня (фиг.2) предназначен для разделения четырех однотипных групповых спектральных каналов ГСК-16 и формирования шестнадцати однотипных групповых спектральных каналов второго уровня ГСК-4. РК второго уровня состоит из четырех ДМП второго уровня 3.1₁-3.1₄ и шестнадцати преобразователей частот 3.2₁-3.2₁₆. Входы ДМП второго уровня являются входами разделителя каналов второго уровня, выходы ДМП второго уровня подключены ко входам преобразователей частот 3.2₁-3.2₁₆, a выходы преобразователей частот второго уровня являются выходами разделителя каналов второго уровня соответственно.

ДМП второго уровня 3.1₁-3.1₄ предназначен для разделения входного сигнала на группы оптических каналов, занимающих несовпадающие спектры частот и может быть реализован таким же образом, что и входной ДМП (фиг.8). ДМП второго уровня будет отличаться тем, что на кварцевой пластине расположено 4 ОМСФ, связанных с четырьмя выходными оптическими волокнами.

Входной коммутатор каналов второго уровня 4 (фиг.1) снабжен управляющим входом 23, N×N выходными портами оптических каналов 14.1-14.16 и предназначен для коммутации, ввода/вывода однотипных спектральных каналов ГСК-4. Входной коммутатор каналов второго уровня (фиг.10) может быть реализован на основе технологии микроэлектромеханических машин (MEMS) в виде трехмерного оптического коммутатора, содержащего 16 входных и 32 выходных порта и один управляющий вход.

РК первого уровня 5 (фиг.1) предназначен для разделения групп оптических каналов и формирования однотипных основных спектральных каналов ОСК. РК первого уровня (фиг.3) состоит из шестнадцати ДМП первого уровня 5.1₁-5.1₁₆ и шестидесяти четырех преобразователей частот 5.2₁-5.2₆₄. Шестнадцать выходов ДМП первого уровня являются выходами РК первого уровня, выходы ДМП первого уровня подключены ко входам преобразователей частот 5.2₁-5.2₆₄, а выходы преобразователей частот являются выходами РК первого уровня соответственно.

ДМП первого уровня 5.1₁-5.1₁₆ предназначен для разделения входного сигнала на группы оптических каналов, занимающих несовпадающие спектры частот и может быть реализован таким же образом, что и ДМП второго уровня (фиг.8).

Коммутатор каналов первого уровня 6 (фиг.1) снабжен управляющим входом 24, N×N×N портами вывода оптических каналов 15.1-15.64, N×N×N портами ввода оптических каналов 16.1-16.64 и предназначен для коммутации, ввода/вывода основных спектральных каналов - ОСК. Коммутатор каналов первого уровня (фиг.11) может быть выполнен на основе технологии микроэлектромеханических машин (MEMS) в виде трехмерного оптического коммутатора, содержащего 128 входных, 128 выходных портов и один управляющий вход.

Объединитель каналов первого уровня 7 (фиг.1) предназначен для объединения оптических каналов в группы и формирования стандартных групповых каналов - ГСК-4. Объединитель каналов первого уровня (фиг.4) состоит из шестидесяти четырех преобразователей частот 7.1₁-7.1₆₄ и шестнадцати мультиплексоров первого уровня 7.2₁-7.2₁₆. Входы преобразователей частот 7.1₁-7.1₅₄ являются входами ОК первого уровня соответственно, выходы преобразователей частот подключены ко входам мультиплексоров первого уровня, а выходы мультиплексоров первого уровня являются выхода ОК первого уровня соответственно.

МП первого уровня 7.2₁-7.2₁₆ предназначен для объединения входного групп оптических каналов, занимающих различные спектры частот в единый групповой спектр и может быть реализован таким же образом, что и ДМП первого уровня (фиг.8) с тем отличием, что для МП выходные оптические волокна ДМП являются входными и обратно.

Выходной коммутатор каналов второго уровня 8 (фиг.1) снабжен управляющим входом 2, N×N портами ввода оптических каналов 17.1-17.64 и предназначен для коммутации и ввода основных спектральных каналов - ОСК-4. Выходной коммутатор каналов второго уровня может быть выполнен на основе технологии микроэлектромеханических машин (MEMS) в виде трехмерного оптического коммутатора, содержащего 32 входных и 16 выходных портов и один управляющий вход (фиг.10).

Объединитель каналов второго уровня 9 (фиг.1) предназначен для объединения оптических каналов в группы и формирования стандартных групповых каналов - ГСК-16. Объединитель каналов второго уровня (фиг.5) состоит из шестнадцати преобразователей частот 9.1₁-9.1₁₆ и четырех мультиплексоров второго уровня 9.2₁-9.2₄. Входы преобразователей частот 9.1₁-9.1₁₆ являются входами ОК второго уровня соответственно, выходы преобразователей частот подключены ко входам МП второго уровня 9.2₁-9.2₄, а выходы мультиплексоров второго уровня являются выходами ОК второго уровня соответственно.

МП второго уровня 9.2₁-9.2₄ предназначен для объединения входных групп оптических каналов, занимающих различные спектры частот в единый групповой спектр и может быть реализован таким же образом, что и ПМ первого уровня (фиг.8).

Выходной коммутатор каналов третьего уровня 10 (фиг.1) снабжен управляющим входом 26, N портами ввода оптических каналов 18.1-18.4 и предназначен для коммутации и ввода основных спектральных каналов - ОСК-16. Выходной коммутатор каналов третьего уровня может быть выполнен на основе технологии микроэлектромеханических машин (MEMS) в виде трехмерного оптического коммутатора, содержащего 8 входных и 4 выходных портов и один управляющий вход (фиг.9).

Объединитель каналов третьего уровня 11 (фиг.1) предназначен для формирования групповых спектральных каналов и объединения их вместе со служебным каналом в линейный спектр. Объединитель каналов третьего уровня состоит из четырех преобразователей частот 11.1₁-11.1₄ выходного МП 11.2, а также снабжен управляющим входом 27 и входом служебного канала 29. Входы преобразователей частот 11.1₁-11.1₄ являются входами ОК третьего уровня соответственно, выходы преобразователей частот подключены ко входам мультиплексора, а выходной порт мультиплексора, управляющий вход и вход служебного канала являются выходным портом 20, управляющим входом 27 и входом служебного канала 29 ОК третьего уровня соответственно.

Выходной МП 11.2 предназначен для объединения оптических каналов в группы, введения служебного канала и формирования линейного спектра. Выходной МП 11.2 можно реализовать тем же способом, что и входной ДМП с тем отличием, что для выходного МП выходные оптические волокна ДМП являются входными и обратно.

Преобразователи частот объединителя каналов третьего уровня 11.1₁-11.1₄, объединителя каналов второго уровня 9.1₁-9.1₁₆, объединителя каналов первого уровня 7.1₁-7.1₆₄, разделителя каналов первого уровня 5.2₁-5.2₆₄, разделителя каналов второго уровня 3.2₁-3.2₁₆ предназначены для преобразования оптического сигнала путем его переноса из одного спектра частот в другой, с целью формирования групповых спектральных каналов путем приведения различных по частоте оптических каналов (рекомендация ITU-T G.692 с интервалом между несущими 100 ГГц) к однотипному унифицированному виду. Преобразователи частот могут быть выполнены в виде оптического волнового конвертера на ферроэлектрической доменной решетке, структура которого изображена на фиг.12.

Блок управления 12 (фиг.1) предназначен для выбора режима работы мультиплексора ввода/вывода и задания параметров управления вводом и выводом типовых основных и групповых оптических спектральных каналов. Блок управления снабжен одним управляющим входом (12.0) и семью управляющими выходами (12.1, 12.2, 12.3, 12.5, 12.4, 12.6 и 12.7), подключенными к управляющим входам (21, 27, 22, 26, 23, 25 и 24) разделителя каналов третьего уровня 1, объединителя каналов третьего уровня 11, входного коммутатора каналов третьего уровня 2, выходного коммутатора каналов третьего уровня 10, входного коммутатора каналов второго уровня 4, выходного коммутатора каналов второго уровня 8 и коммутатора каналов первого уровня 6 соответственно.

Блок управления 12 может быть реализован в виде микропроцессора, работающего по алгоритму представленному на фиг.21, который функционирует следующим образом: входной управляющий сигнал фиг.22 поступает на блок управления 12, через управляющий вход 12.0, где проверяется на наличие ошибок по известному алгоритму проверки избыточности циклической суммы CRC (см. например в рекомендации международного союза электросвязи ITU-T G.704, а пример работы алгоритма представлен на Интернет ресурсе википедия: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D6%E8%EA%EB%E8%F7%E5%F1%EA%E8%E9_%E8%E7%E1%FB%F2%EE%F7%ED%FB%E9_%EA%EE%E4, обращение 10.05.2012 г.). В случае отсутствия ошибок управляющий сигнал проходит дальнейшую обработку, а в случае их наличия сигнал отбрасывается. Управляющий сигнал представляет собой цифровую последовательность из 184 бит, содержащую поле заголовка (5 бит), поле управления режимом работы (3 бита), поле управления коммутацией оптических каналов (168 бит) и поле, содержащее контрольную сумму (8 бит).

На первоначальном этапе блок управления 12 выделяет поле установки режима работы из управляющего сигнала и направляет его через управляющие выходы 12.1 и 12.2 к разделителю каналов третьего уровня 1 и объединителю каналов третьего уровня 11 соответственно. Затем анализирует поле управления коммутацией, содержащее информацию о вводе и выводе оптических каналов ОСК, ГСК-4 и ГСК-16. При этом блок управления анализирует поле управления коммутацией ГСК-16 и выделяет 8 бит адресной информации о выводимых и вводимых ГСК-16, которая затем направляется через управляющие выходы 12.3 и 12.5 к входному 2 и выходному 10 коммутаторам каналов третьего уровня. Данная команда содержит информацию об изменении положения микрозеркала в оптическом коммутаторе, построенном по технологии MEMS. На следующем этапе блок управления 12 анализирует поле управления коммутацией ГСК-4 и выделяет 32 бита, содержащие адресную информацию о выводимых и вводимых Гек-4, которую затем направляют через управляющие выходы 12.4 и 12.6 к входному 4 и выходному 8 коммутаторам каналов второго уровня для изменения положения микрозеркал и выполнения процесса коммутации.

На завершающем этапе анализируют поле управления коммутацией ОСК и выделяются 128 бит, содержащие адресную информацию о выводимых и вводимых ОСК, которые направляют через управляющий выход 12.7 к коммутатору каналов первого уровня 6 для изменения положения микрозеркал и выполнения процесса коммутации.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Спектр линейной группы каналов, приведенный на фиг.14, состоит из спектров 65-ти спектров стандартных каналов (по стандарту ITU-T G.692, с разносом несущих частот в 100 ГГц). Данный спектр представляет собой группу из четырех спектров 16-ти канальных групп ГК-16/1…ГК-16/4, с одноканальными промежутками между ними и с оставлением одного стандартного канала в середине линейного спектра, названного нулевым основным спектральным каналом (ОСК-0), как это показано на фиг.14. Принцип разделения спектральных спектральных каналов представлен на фиг.16. Линейный групповой сигнал поступает на вход разделителя каналов третьего уровня 1, в котором с помощью входного демультиплексора 1.1 спектр линейного группового сигнала разделяется на 4 спектра групповых каналов ГК-16/1…ГК-16/4 и спектр ОСК-0, и с помощью соответствующих преобразователей частоты третьего уровня групповые спектры приводятся к 4-м одинаковым спектрам группового спектрального канала - ГСК-16. Полученные спектры четырех однотипных ГСК-16 попадают на входной коммутатор каналов третьего уровня 2, где свободно коммутируются (без преобразования частоты), а при необходимости любой из них может быть выведен с помощью портов вывода 13.1-13.4 для последующего подключения к нему выхода цифровой системы передачи (ЦСП), работающей со скоростью передачи двоичных сигналов до 160 Гбит/с. После коммутации сигналы каждого из четырех каналов со спектром ГСК-16 поступают на соответствующий порт входного разделителя каналов второго уровня 3, где с помощью ДМП второго уровня 3.1₁-3.1₄ каждый спектр ГСК-16 разделяется на 4 спектра групповых каналов ГК-4/1…ГК-4/4, а с помощью соответствующих преобразователей частоты второго уровня 3.2i-3.2i6 каждый из спектров приводится к одинаковым спектрам типового группового спектрального канала ГСК-4. Полученные спектры шестнадцати однотипных ГСК-4 попадают на входной коммутатор каналов третьего уровня 2, где свободно коммутируются (без преобразования частоты), а при необходимости любой из них может быть выведен с помощью портов вывода 14.1-14.16 для последующего подключения к нему выхода ЦСП, работающей со скоростью передачи двоичных сигналов до 40 Гбит/с. После коммутации сигналы каждого из шестнадцати каналов со спектром ГСК-4 поступают на соответствующий порт входного разделителя каналов первого уровня 5, где с помощью ДМП первого уровня 5.1₁-5.1₄ каждый спектр ГСК-4 разделяется на 4 спектра индивидуальных каналов ИК-1…ИК-4, а с помощью соответствующих преобразователей частоты первого уровня 5.2₁-5.2₆₄ спектры ИК-1…ИК-4 приводятся к типовым спектрам основного спектрального канала ОСК. Полученные спектры шестидесяти четырех однотипных ОСК попадают на коммутатор каналов первого уровня, где свободно коммутируются (без преобразования частоты) и при необходимости любой из 64-х ОСК может быть выведен с помощью портов вывода 15.1-15.64 для последующего подключения к нему выхода ЦСП, работающей со скоростью передачи двоичных сигналов до 10 Гбит/с.Спектр частот всех 64-х ОСК (с добавлением к обозначению порядкового номера (ОСК-1…ОСК-64) одинаков и соответствует спектру стандартного канала (по стандарту ITU-T G.692 с разносом несущих частот в 100 ГТц) со средней частотой, например, 193,4 ТГц, что соответствует длине волны 1550 нм.

Формирование линейного спектра из шестидесяти четырех спектров ОСК и одного ОСК-0 происходит в обратной последовательности (фиг.16). Сигналы со спектром ОСК с выходов коммутатора каналов первого уровня попадают на ОК первого уровня 7, где с помощью преобразователей частоты первого уровня 7.1₁-7.2₁₆ спектры 64-х однотипных ОСК группами по 4 ОСК преобразуются в спектры 4-х индивидуальных каналов (ИК-1…ИК-4), которые с помощью 16-ти однотипных мультиплексоров первого уровня 7.2₁-7.2₁₆ группируются в спектры шестнадцати однотипных ГСК-4. Затем с помощью выходного коммутатора каналов второго уровня однотипные ГСК-4 могут свободно (без преобразования частоты) коммутироваться, а при необходимости ГСК-4 могут быть предоставлены для подключения к ним через порты ввода 17.1-17.64 ЦСП со скоростью передачи двоичных сигналов не выше 40 Гбит/с, После коммутации шестнадцати ГСК-4 групповой сигнал каждого канала поступает на вход ОК второго уровня 9, где с помощью преобразователей частоты 9.1₁-9.1₁₆ одинаковые спектры ГСК-4 преобразуются в разнотипные спектры ГК-4, которые с помощью мультиплексора третьего уровня группируются в спектры четырех однотипных ГСК-16. Затем с помощью выходного коммутатора каналов третьего уровня типовые ГСК-16 свободно (без преобразования частоты) коммутируются и при необходимости могут быть использованы для ввода сигналов от ЦСП со скоростью передачи двоичных сигналов не выше 160 Гбит/с в ГСК-16 через порты ввода 18.1-18.64. После коммутации четырех ГСК-16 групповые сигналы каждого из четырех ГСК-16 поступают на входы ОК третьего уровня 11, где с помощью преобразователей частоты 11.1₁-11.1₄ одинаковые спектры ГСК-16 преобразуются в разнотипные спектры ГК-16, которые, совместно со спектром ОСК-0, с помощью выходного мультиплексора формируют спектр линейной группы каналов (линейный спектр каналов ЛСК), показанный на фиг.14.

Формирование ОСК из линейного сигнала с 32-мя оптическими каналами, показанного на фиг.15 производится аналогично по описанному выше принципу и показано на фиг.17.

Вывод из линейного сигнала отдельного дополнительного 65-го ОСК с нулевым номером ОСК-0 производится непосредственно с помощью порта вывода 28, находящегося во входном ДМП, а ввод обеспечивается с помощью порта ввода 29, находящегося в выходном МП. ОСК-0 используется для приема (передачи) по нему различных вспомогательных сигналов (измерительных, служебных, управления, синхронизации и др.)

При необходимости спектр частот любого из 64-х ОСК, с помощью установки дополнительного оборудования, может быть разбит, в свою очередь, на 4 более узких стандартных спектральных канала с разносом несущих частот в 25 ГГц, соответствующих стандарту ITU-T G.694.

Выбор средней частоты ОСК-0, равной 193,4 ТГц (средней длины волны, равной 1550 нм) обусловлен наличием в большинстве существующих ЦСП портов ввода/вывода с такими же параметрами.

Выбор четырехкратной иерархии для перспективных групповых спектральных каналов, ГСК-4, ГСК-16, ГСК-64 обусловлен с одной стороны необходимостью сохранения существующей тенденции развития четырехкратной иерархии, принятой для ЦСП (СТМ-1, -4, -16, -64, -256, и т.д.), а с другой стороны требованием уменьшения потерь мощности в волновых мультиплексорах, которые резко возрастают с увеличением количества каналов в МП (ДМП).

Введение частотных промежутков между спектрами ГК-16 в ЛСК обусловлено необходимостью обеспечения параллельной работы оптических фильтров в составе входного и выходного мультиплексоров третьего уровня.

В зависимости от состояния линейного тракта ВОСП-СР заявленное устройство может быть использовано в следующих режимах работы:

- режим работы одноканальный, когда передача сигналов осуществляется только по каналу ОСК-0 со средней длиной волны 1550 нм, как это показано на фиг.18;

- режим работы 32-мя оптическими каналами, когда ЛСК содержит две шестнадцатиканальные группы (ГК-16/2 и ГК-16/3) и служебный канал ОСК-0 (фиг.19);

- режим работы 64-мя оптическими каналами, когда ЛСК содержит четыре шестнадцатиканальные группы (ГК-16/1 - ГК-16/4) и служебный канал ОСК-0 (фиг.20).

Многоканальный управляемый мультиплексор ввода-вывода согласно настоящему изобретению может быть реализован с помощью существующих интегрально-оптических технологий.

1. Многоканальный оптический мультиплексор ввода-вывода, содержащий входной демультиплексор (ДМП) и выходной мультиплексор (МП) снабженные соответственно входным и выходным портами, а также блок управления, снабженный управляющим входом, а первый и второй управляющие выходы которого подключены к управляющим входам соответственно входного ДМП и выходного МП, отличающийся тем, что дополнительно введены первая группа из N=4 преобразователей частот, которые совместно с входным ДМП образуют разделитель каналов (РК) третьего уровня, в котором вход i-го, i=1, 2, …, N преобразователя частоты подключен к i-му выходу входного ДМП, а выход i-го преобразователя частоты является i-м входом разделителя каналов третьего уровня, выход служебного канала, управляющий вход и входной порт входного ДМП являются соответственно выходом служебного канала, управляющим входом и входным портом РК третьего уровня, вторая группа из N=4 преобразователей частот, которые совместно с выходным МП образуют объединитель каналов (ОК) третьего уровня, в котором выход i-го преобразователя частоты подключен к i-му входу выходного МП, а вход i-го преобразователя частоты является i-м входом ОК третьего уровня, вход служебного канала, управляющий вход и выходной порт выходного МП являются соответственно входом служебного канала, управляющим входом и выходным портом ОК третьего уровня, входной и выходной коммутаторы каналов третьего уровня, РК второго и первого уровней, ОК первого и второго уровней, входной и выходной коммутаторы каналов второго уровня и коммутатор каналов первого уровня, i-й выход РК третьего уровня и i-й вход ОК третьего уровня подключены соответственно к i-му входу входного коммутатора каналов третьего уровня и i-му выходу выходного коммутатора каналов третьего уровня, i-й выход входного коммутатора каналов третьего уровня и i-й вход выходного коммутатора каналов третьего уровня, подключены соответственно к i-му входу РК второго уровня и i-му выходу ОК второго уровня, k-й вход, где k=1, 2, …, (N×N) OK второго уровня подключен к k-му выходу выходного коммутатора каналов второго уровня, k-й вход которого подключен к k-му выходу ОК первого уровня, k-й выход РК второго уровня подключен к k-му входу входного коммутатора каналов второго уровня, k-й выход которого подключен к k-му входу РК первого уровня, j-й выход, где j=1, 2, …, (N×N×N) РК первого уровня подключен к j-му входу коммутатора каналов первого уровня, j-й выход которого подключен к j-му входу ОК первого уровня, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой управляющие выходы блока управления подключены к управляющим входам соответственно входного коммутатора каналов третьего уровня, входного коммутатора каналов второго уровня, выходного коммутатора каналов третьего уровня, выходного коммутатора каналов второго уровня и коммутатора каналов первого уровня, входной коммутатор каналов третьего уровня, входной коммутатор каналов второго уровня и коммутатор каналов первого уровня снабжены соответственно N, N×N, N×N×N выходными портами оптических каналов, а выходной коммутатор каналов третьего уровня, выходной коммутатор каналов второго уровня и коммутатор каналов первого уровня снабжены соответственно N, N×N, N×N×N входными портами оптических каналов.

2. Многоканальный мультиплексор ввода-вывода по п.1, отличающийся тем, что РК второго уровня состоит из N демультиплексоров второго уровня, входы которых являются соответствующими входами РК второго уровня, i-й выход i-го ДМП второго уровня подключен к входу i-го преобразователя частот i-й группы преобразователей частот, выходы которых являются соответствующей группой из N×N выходов разделителя каналов второго уровня.

3. Многоканальный мультиплексор ввода-вывода по п.1, отличающийся тем, что ОК второго уровня состоит из N групп преобразователей частоты по N преобразователей частот в каждой группе, N×N входов которых являются соответствующими входами ОК второго уровня, выход k-го преобразователя частоты подключен к соответствующему входу i-го мультиплексора второго уровня, N выходов МП второго уровня являются соответствующими N выходами ОК второго уровня.

4. Многоканальный мультиплексор ввода-вывода по п.1, отличающийся тем, что РК первого уровня состоит из N×N ДМП первого уровня, входы которых являются соответствующими входами РК первого уровня, j-й выход ДМП подключен к входу j-го преобразователя частот, а выходы всех преобразователей частот являются выходами РК первого уровня.

5. Многоканальный мультиплексор ввода-вывода по п.1, отличающийся тем, что ОК первого уровня состоит N×N групп преобразователей частот по N преобразователей частот в каждой группе входы которых являются соответствующими входами ОК первого уровня, j-й выход преобразователя частот подключен к j-му входу k-го МП первого уровня, выходы всех МП являются соответствующими выходами объединителя каналов первого уровня.