Пространственная коммутация оптического излучения в волоконно-оптических сетях передачи информации на основе акустооптического взаимодействия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Славинская, Виктория Валерьевна

• Славинская, Виктория Валерьевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Славинская, Виктория Валерьевна

Введение.

1. Современные технологии коммутационных систем без оптоэлектронного преобразования для волоконно-оптических сетей передачи информации.

1.1. Коммутационные схемы на основе оптических волноводных структур

1.2. Коммутационные схемы с открытым каналом.

1.3. Технологии оптического мультиплексирования с разделением по длине волны.

2. Общие вопросы построения акустооптического коммутатора.

2.1. Акустооптическое взаимодействие в дефлекторах оптического излучения

2.2. Характеристики оптического волокна, учитываемые при построении акустооптического коммутатора.

2.3. Исследование влияния дифракционных эффектов и затухания акустической волны на характеристики акустооптического коммутатора.

2.4. Исследование влияния нестабильности частоты генератора электрического сигнала на характеристики акустооптического коммутатора

2.5. Выводы.

3. Исследование акустооптического коммутатора на основе изотропной дифракции.

3.1. Определение характеристик коммутатора на основе акустооптиче-ской ячейки со сплошным пьезопреобразователем.

3.2. Применение сканируемого акустического поля для улучшения характеристик коммутатора.

3.3. Анализ характеристик акустооптического коммутатора с динамической селекцией длин волн.

3.4. Выводы.

4. Исследование акустооптического коммутатора на основе анизотропной дифракции.

4.1. Определение характеристик коммутатора на основе акустооптического дефлектора, применяющего анизотропную дифракцию.

4.2. Исследование влияния двукратного брэгговского рассеяния света на характеристики акустооптического коммутатора.

4.3. Выводы

5. Исследование акустооптического коммутатора на основе двухкоординатного дефлектора.

5.1. Уменьшение потерь в коммутаторе путем максимизации показателя качества при дифракции на двух перпендикулярных акустических волнах.

5.2. Увеличение емкости коммутатора, выполненного на основе кристалла парателлурита.

5.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пространственная коммутация оптического излучения в волоконно-оптических сетях передачи информации на основе акустооптического взаимодействия»

Актуальность темы

Оптическое волокно в настоящее время считается самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам. Достоинства использования оптических волокон для передачи данных заключаются в огромной полосе, электрической изоляции между передатчиком и приемником, защищенности от электромагнитных помех и пробоев, низкой стоимости эксплуатации, маленькой массе и размерах, хороших механических свойствах и слабом искажении и дисперсии сигнала. Скорость современных волоконно-оптических сетей достигает 10 Гбит/с, и, по мнению специалистов, в ближайшее время она возрастет до 50 Гбит/с. Согласно прогнозам фирмы AT&T [16], в конечном итоге в домах появятся интерфейсы волоконно-оптических сетей, и тогда звуковые, видеоустройства и компьютеры можно будет подключить к единой сети. Современные широкополосные технологии пробуждают у потребителей интерес к виртуальной реальности, высококачественному видео и другим видам мультимедиа-информации, доступным только по волоконно-оптическим каналам [76].

К сожалению, сети, основанные на оптоволокне, не могут быть мобильными. Это их самый существенный недостаток, который в условиях всепроникающей мобильной среды и роста беспроводных сетей становится все более значительным. Однако вопрос о том, на какую из технологий корпоративный мир возлагает большие надежды, не ставится, поскольку каждый тип связи выполняет свою функцию. Конечно, разработка, выпуск и установка оптоволоконного оборудования - дорогостоящий процесс. Тем не менее, крупнейшие телекоммуникационные организации считают целесообразным финансировать проекты, использующие экспериментальные технологии и не имеющие коммерческий характер [77].

Исследования показывают, что индустрия оптоволоконных сетей в течение нескольких следующих лет столкнется с кардинальными изменениями, основной движущей силой которых станут растущие требования к общей пропускной способности сетей [46]. Трафик стандартной корпоративной сети на 80% проходит вне локальной сети и напрямую выходит в Интернет, тогда как несколько лет назад эта цифра составляла 20%. Объем данных передаваемых через Интернет, растет в среднем на 400% в год и существенно опережает среднегодовые темпы роста голосового трафика

4].

По мере того, как потребности в пропускной способности продолжают расти и способность производить больше, чем того требует спрос для базовой сети (core network), снижается, владельцы сетей и поставщики услуг проявляют все больший интерес к оборудованию для базовой оптической сети нового поколения. Исследования показывают, что прозрачные базовые сети позволят сохранить значительные объемы капитальных вложений и текущие расходы [59].

Согласно мнению специалистов, в частности, международной исследовательской группы Communications Industry Researches (CIR), сейчас наблюдается развитие телекоммуникаций в сторону «сплошных оптоволоконных сетей» (All-Optical Networks). Об этом свидетельствуют такие факты, как переход к применению оптических усилителей для волоконно-оптических линий, развитие технологий PON {Passive Optical Network) и WDM (Wavelength Division Multiplexing).

Суть WDM - метода волнового мультиплексирования (или мультиплексирования с разделением по длине волны) заключается в объединении нескольких оптических несущих Я, (мультиплексировании) и передаче полученного сигнала 2Д, по одному волокну с последующим выделением (демультиплексированием) отдельных несущих [17, 20]. Существенным преимуществом технологии WDM является возможность ис

ATM

IP

SDH/SONET

Физический уровень Оптическая среда передачи

ATM IP ATM IP

SDH/SONET

WDM

Физический уровень

Оптическая среда передачи

Рис. 1. Модель взаимодействия основных транспортных технологий: до внедрения технологии WDM (а) и после внедрения WDM (б) пользования с большей производительностью уже проложенный волоконно-оптический кабель и стандартную аппаратуру временного мультиплексирования. В настоящее время уже решена задача мультиплексирования сотен каналов в одном световоде. С теоретической точки зрения для WDM-систем не важно, какие методы используются для кодирования и формирования конкретного цифрового сигнала. На практике же в этих системах, как правило, передается однотипный трафик, что диктуется используемым методом синхронизации и требованием единообразия процесса обработки.

До появления WDM-систем многоуровневая модель взаимодействия технологий транспортировки сигнала в глобальных цифровых сетях -SDH/SONET, ATM и IP (без учета возможности переноса IP-трафика через ATM-магистрали) имела вид, представленный на рис. 1а [31]. Она состояла из трех уровней; для транспортировки трафика сетевого уровня (ATM, IP) через оптическую среду его пакеты инкапсулировались в модули STM-N/STS-n, которые, используя физический интерфейс технологии SDH/SONET, могли попасть в оптическую среду передачи. Созданием технологий инкапсуляции ячеек ATM, например, в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH) или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET) занимались соответствующие подкомитеты по стандартизации в составе ANSI, ISO, ITU-T и ETSI, разрабатывая стандарты на эти технологии.

После появления WDM-систем модель приобрела вид, показанный на рис.16. Теперь в нее входят три или четыре уровня. Промежуточный уровень WDM, подобно SDH/SONET позволяет выйти на оптическую среду передачи не только технологиям SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP.

Волновое мультиплексирование используется уже более десяти лет и первоначально было направлено на объединение двух несущих (1310 и 1550 нм) в одном оптоволокне, что позволяло удвоить емкость системы. В настоящее время разработчики проявляют наибольший интерес к системам с мультиплексированием по длине волны высокой плотности — Dense WDM {DWDM) [10]. При использовании технологии DWDM разнесение каналов составляет 100 ГГц. Международный союз электросвязи (ITU-T) стандартизовал номинальный ряд несущих в системах DWDM - канальный план, выпустив стандарт ITU-T Rec. G.692 [31]. Технология DWDM позволяет добиться пропускной способности 10-20 Тбит/с на каждый световод и значительно снижает стоимость передачи большого объема данных, что является особенно актуальным в базовых сетях. В некоторых коммерческих системах каналы упакованы еще плотнее, с промежутками между ними шириной 50 ГГц, а разработчиками рассматриваются даже варианты с величиной промежутка 25 ГГц. Однако такое плотное мультиплексирование пока считается слишком дорогостоящим.

Появление волокон с расширенным окном прозрачности True Wave, а затем All Wave [45] вызвало к жизни технологию с промежутком между каналами более 200 ГГц. Эта технология известна как мультиплексирование, использующее расширенный оптический спектр для передачи информации (Wide-Wavelength-Division Multiplexing - WWDM) или мультиплексирование по длине волны с большим шагом - Coarse WDM (CWDM). Спектральные каналы теперь разносятся по всем окнам прозрачности волокна, за счет чего падают требования к стабильности частоты излучения лазеров (в частности, можно обойтись без термостатирования) и к характеристикам других элементов системы. Падает и цена: в Интернете можно найти упо

Источники Приемники

Рис. 2. Организация потока данных в WDM минания о стоимости узла на уровне 10-12 тыс. долларов. А проблема отсутствия достаточно широкополосных оптических усилителей решается очень просто - их просто не используют. Область применения Coarse WDM ограничена пока городскими сетями и линиями длиной 40-50 км.

В настоящее время поток WDM часто организуется по топологии «точка-точка» [59] (см. рис. 2). Свет с разными длинами волн объединяется и передается по одной оптической линии. Усилители обеспечивают непрерывность сигнала, который, в конце концов, разделяется демультиплексо-ром. Древовидную топологию «точка-множество точек» предполагается ввести при использовании технологии WDM в сетях PON, в последние годы получивших распространение.

Технология PON (passive optical network) предполагает подключение конечных адресатов к магистральной сети посредством пассивных оптических разветвителей [21]. В центральном офисе устанавливается центральный узел (OLT - optical line terminal). Это устройство принимает данные со стороны магистральных сетей через интерфейсы SNI (service node interfaces) и формирует нисходящий поток к абонентским узлам (прямой поток) по дереву PON. Абонентский узел ONT (optical network terminal) имеет, с одной стороны, абонентские интерфейсы, а с другой, - интерфейс для подключения к дереву PON.

Оптический Оптический линейный терминал сетевой терминал (ONT)

Рис, 3, Система PON с волновым мультиплексированием (WDM)

В освоенных сетях PON передача ведется на длине волны 1310 нм, а прием - на длине волны 1550 нм. ONT принимает данные от OLT, конвертирует их и передает абонентам через абонентские интерфейсы UNI (user network interfaces). Оптический разветвитель - это пассивный оптический многополюсник, не требующий питания и обслуживания. Он распределяет поток оптического излучения в одном направлении и объединяет несколько потоков в обратном направлении. В общем случае у разветвителя может быть М входных и N выходных портов. В сетях PON наиболее часто используют разветвители IxjV с одним входным портом. В сетях PON с мультиплексированием WDM каждому абоненту выделяется своя длина волны (см. рис. 3) [19].

Технология PON позволяет экономить на кабельной инфраструктуре за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, так как на участке от центрального узла до разветвителя используется всего одно волокно.

Были созданы достаточно эффективные пассивные оптические устройства - мультиплексоры и демультиплексоры, которые позволяют объединять и разделять спектральные составляющие при передаче и приеме оптических потоков данных. Однако любая более сложная обработка трафика в волоконно-оптических сетях осуществляется в основном на двух уровнях: оптическом и электрическом. Коммутаторы содержат оптические фильтры, оптические конверторы, перестраиваемые лазерные источники и электронные кросс-коммутаторы, в результате их схема существенно усложняется. Подобные коммутаторы называются непрозрачными или ОЕО-(optical-electrical-optical) коммутаторами. Поскольку сигнал в них преобразуется в электрическую форму, они могут извлекать служебную сетевую информацию и восстанавливать сигнал. На сегодняшний день ни одна из этих функций не может быть выполнена исключительно оптическими средствами.

Замена электронного ядра коммутатора оптическим сопряжена с отказом от многих важных функций. Хотя сегодняшние достижения оптики обеспечивают максимальные значения "голой" производительности, эти технологии еще не позволяют измерять характеристики трафика. Так, представители фирмы Cisco Systems видят основную сложность в том, как реализовать в оптическом ядре средства обеспечения гарантированного уровня качества обслуживания (QOS, quality of service) и функции безопасности. Поэтому для манипулирования потоками данных и их анализа приходится переводить сигнал в электронную форму [10].

Вместе с тем, некоторые функции динамического управления оптическим трафиком уже сейчас могут осуществляться на основе полностью оптических компонент. Преимущества оптических или ООО- (optical-optical-optical) коммутаторов заключаются в прозрачности для любых скоростей передачи и любых протоколов, поэтому для поддержки любого вида трафика им вполне достаточно иметь всего один интерфейс. Кроме того, они позволяют избежать высоких расходов, связанных с преобразованием сигналов из оптической формы в электрическую и наоборот. Все это делает оптические коммутаторы весьма подходящими для использования в центральной части сетей в качестве оптических кросс-соединителей, которые размещаются в местах критических соединений в пределах центральной части сети, коммутируя из одного порта в другой всю полосу пропускания волоконно-оптического кабеля. Кроме того, оптические коммутаторы могут производить коммутацию на основе информации о длинах волн несущих, мультиплексированных в одном волокне. Введение новых услуг, основанных на динамическом перераспределении длин волн, обещает способствовать глобальному распространению новых приложений, требовательных к полосе [72, 77].

Фактически, и коммутатор О-О-О, и интеллектуальный коммутатор О-Е-О имеют свое место в сети. По мнению многих отраслевых обозревателей, скорее всего в дальнейшем ассортимент сетевого оборудования будет включать как полностью оптические модели, так и оптические коммутаторы с электронным ядром [46, 47, 51, 54, 76]. Поставщики услуг, стремящиеся к успешной конкуренции, имели бы наибольшие преимущества при выгодном сочетании коммутаторов обоих типов.

Сформировался ряд требований, предъявляемых к оптическим коммутаторам [57]. Так как современные сети с WDM ориентированы на соединение, один из оптических каналов должен выполнять функцию сигнализации, а в оптических коммутаторах должны использоваться процедуры установления и разрыва соединений [39]. Также, оптические коммутаторы должны иметь наименьшие вносимые потери, время переключения, перекрестные помехи. Оптические коммутаторы характеризуются емкостью -количеством входных и выходных волокон, которое стремятся получить максимальным. Технология должна быть хорошо проработана, чтобы снизить риск при ее внедрении. Одной из известных технологий, которая дает возможность управления оптическим излучением и может удовлетворить требованиям, предъявляемым к оптическим коммутаторам, является аку-стооптика. Таким образом, исследование оптических коммутаторов на основе акустооптической (АО) технологии представляется актуальным.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является повышение эффективности оптических коммутационных систем, предназначенных для волоконно-оптических сетей передачи информации, за счет использования особенностей и достоинств акустооптического (АО) брэгговского взаимодействия.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование влияния дифракционных эффектов, затухания акустической волны в АО-ячейке и нестабильности частоты управляющего сигнала на характеристики коммутационной системы.

2. Сравнительный анализ характеристик оптических коммутационных систем на основе однокоординатных дефлекторов, использующих различные виды АО брэгговского взаимодействия.

3. Выбор критериев качества и оценка структурных возможностей на основе выбранных критериев для коммутационных систем на основе АО двухкоординатных дефлекторов.

Методы исследований

В диссертационной работе использовались математический аппарат теории АО-взаимодействия, аналитические и численные методы математического моделирования, методы теории вероятности и математической статистики. Основные теоретические положения работы сопоставляются с результатами экспериментальных исследований. Научная новизна

Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основе исследованных зависимостей величины оптических потерь от значений затухания акустической волны и апертуры АО-ячейки предложены меры, совместное применение которых позволяет минимизировать информационные потери в оптической коммутационной системе.

2. Определена функциональная зависимость шага расположения волокон, при котором перекрестные помехи в соседних каналах передачи информации не превышают заданную величину, от акустического затухания и апертуры АО-ячейки.

3. Определена функциональная зависимость информационных потерь в коммутационной системе от протяженности энергетического спектра, центральной рабочей частоты и нестабильности частоты генератора, на основе которой сформулированы требования к характеристикам генератора управляющего сигнала.

4. Показано, что для улучшения информационных характеристик коммутационной системы на основе АО-ячейки с пьезопреобразователем в виде решетки с противофазным возбуждением достаточно использовать минимальное количество элементарных излучателей.

5. Определена геометрия анизотропного АО-взаимодействия, при которой двукратная брэгговская дифракция не оказывает влияния на частотную характеристику и найдены направления, при которых могут быть получены больший показатель качества и меньшее акустическое затухание, что позволяет снизить информационные потери в оптической коммутационной системе.

6. Определены режимы дифракции света на двух акустических волнах, позволяющие достигнуть минимальные информационные потери и увеличить емкость оптической коммутационной системы в случаях фиксированной или произвольной поляризации света.

Практическая ценность

Практическая ценность диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработан метод расчета потерь в оптическом блоке коммутатора вследствие влияния затухания акустической волны и ограниченной апертуры АО-ячейки.

2. Разработан метод расчета параметров дефлектора с АО-ячейкой со сплошным пьезопреобразователем на основе требований емкости, потерь и времени переключения, задаваемых при проектировании оптического коммутатора.

3. Получена аналитическая зависимость между параметрами геометрии взаимодействия и значениями неравномерности частотной характеристики при отсутствии двукратного брэгговского рассеяния, углов дифракции и полосы рабочих частот дефлектора.

4. Разработан метод расчета влияния двукратной брэгговской дифракции на частотную характеристику в произвольном сечении кристалла, который подтвержден экспериментально.

5. Разработан метод расчета параметров оптического коммутатора с динамической селекцией длин волн, построенного на основе одноканального АО-дефлектора.

6. Определенные режимы дифракции света на двух акустических волнах, позволяющие получить высокую эффективность дифракции в кросс-порядке и увеличить емкость коммутационной системы, были использованы для реализации двухкоординатного АО-дефлектора, входящего в состав коммутационной системы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Оптимизация структуры оптического блока коммутационной системы с целью уменьшения информационных потерь и перекрестных помех, возникающих вследствие влияния дифракционных эффектов и затухания акустической волны в АО-ячейке.

2. Функциональная зависимость информационных потерь в оптической коммутационной системе от характеристик генератора управляющего сигнала.

3. Методы расчета параметров однокоординатных дефлекторов, использующих различные виды АО брэгговского взаимодействия, для оценки достижимых информационных характеристик оптических коммутационных систем.

4. Оптимизация информационных характеристик в оптических коммутационных системах за счет применения эффективных режимов АО-взаимодействия в двухкоординатных дефлекторах. Публикации и апробация работы

Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в 9 печатных работах. Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, докладывались на международных конференциях: Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems, 2000 и 2003 гг., Lasers for measurements and information transfer, 2003 г. Исследования были поддержаны грантами: грант Министерства Образования РФ при поддержке комитета по науке и высшей школе Санкт-Петербурга 2002 года №М02-3.9К-130, грант Министерства Образования РФ 2003 года ГР 01200306646 «Поиск и исследование материалов для задач акустического управления оптическим излучением», грант Министерства Образования РФ 2004 года ГР 01200402554 «Разработка акустооптического коммутатора для волоконно-оптических сетей связи». Структура работы

Первая глава посвящена классификации и обзору известных коммутационных систем без оптоэлектронного преобразования для волоконно-оптических сетей передачи информации. Рассматриваются коммутационные схемы оптических кросс-коммутаторов на основе волно-водных структур и использующие открытый канал. Приводятся результаты исследований в области построения многофункциональных устройств, обеспечивающих ввод-вывод и коммутацию компонентных потоков данных в системах с WDM.

Во второй главе рассматриваются общие вопросы построения АО-коммутатора. Производится анализ оптического блока коммутатора с учетом дифракционных эффектов и затухания акустической волны в АО-ячейке, который позволяет предъявить требования к расположению выходных волокон для удовлетворения требований к уровню перекрестных помех и минимизировать потери света, происходящие в оптическом блоке. Проводится исследование влияния нестабильности частоты генератора электрического сигнала на оптические потери в коммутационной системе на основе вероятностного анализа принципа управления АО-взаимодействием.

В третьей главе исследуются вопросы построения оптического коммутатора на основе одноканального дефлектора с использованием изотропного АО-взаимодействия. Предлагается метод расчета параметров дефлектора с акустооптической ячейкой со сплошным пьезопреобразователем на основе требований к характеристикам коммутатора. Производится оценка эффективности применения АО-ячейки с пьезопреобразователем в виде решетки с противофазным возбуждением для улучшения характеристик АО-коммутатора. Исследуется возможность построения оптического коммутатора с динамической селекцией длин волн на основе одноканального АО-дефлектора.

В четвертой главе проводится исследование анизотропного режима дифракции в произвольных сечениях анизотропного материала на примере парателлурита. Исследуется аналитическая зависимость характеристик АО-дефлектора от геометрии взаимодействия при отсутствии двукратного брэгговского рассеяния. Рассматривается модель, описывающая брэггов-скую дифракцию в произвольном сечении кристалла с учетом двукратного брэгговского рассеяния.

В пятой главе рассматриваются режимы дифракции света в однокристальном двухкоординатном дефлекторе. Исследуются возможности уменьшения потерь и увеличения емкости оптического коммутатора на основе двухкоординатного дефлектора. Исследования проводятся на примере кристаллов фосфида галлия, арсенида галлия и парателлурита.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Славинская, Виктория Валерьевна

5.3. Выводы

Оптический коммутатор может быть построен на основе двухкоорди-натного дефлектора, преимущество которого заключается в том, что при дифракции на двух акустических волнах, каждая из которых имеет одну из N управляющих частот, позволяет увеличить количество выходных волокон с N до N2. Возможность создания однокристального двухкоординатно-го дефлектора подтверждена экспериментально.

Определены режимы дифракции света на двух акустических волнах, позволяющие получить высокую эффективность дифракции в кросс-порядке. Численные расчеты проводились на примере кристалла фосфида галлия.

Наибольший показатель качества (875-10"18 с3/г) может быть достигнут, когда вдоль главных осей возбуждаются продольная и поперечная акустические волны, а свет линейно поляризован вдоль направления распространения продольной волны. Также, высокий показатель качества

10 <4

674-10 с /г) может быть получен при дифракции на двух квазипродольных волнах, если свет линейно поляризован и его поляризация имеет промежуточное положение между направлениями распространения акустических волн. Для этого одна из них должна иметь волновой вектор в направлении углов Эйлера а = 45 ± «-90°, /3=±к 180 ± т-25°, п, к, т- целые числа, тФ0. Направление перпендикулярной волны желательно выбирать так, чтобы уменьшить отклонение ее акустического вектора от волнового вектора. В режиме дифракции, когда волны распространяются вдоль главных осей и одна волна поперечная, а другая — поперечная или продольная, также может быть получен высокий показатель качества

18 3 18 3

595-10 с /г и 495-10 с /г соответственно), причем поляризация света может быть произвольной. Нечувствительность к поляризации света является существенным достоинством дефлектора, на основе которого создается оптический коммутатор.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования двухкоординатного дефлектора на основе парателлурита позволяют сделать следующие выводы. В двухкоординатном дефлекторе на основе парателлурита может быть создан режим АО-взаимодействия, в котором акустические волны распространяются параллельно (см. рис. 5.8), что позволяет в одном из направлений дифракции значительно увеличить протяженность области АО-взаимодействия. Данная геометрия взаимодействия обеспечивает значение параметра акустооптического качества М2 (около

18 3

780-10 с /г), близкое к максимальному. При выбранной геометрии взаимодействия дефлектор оказывается практически нечувствительным к поляризации падающего света, что является особо важным преимуществом дефлектора, применяемого при построении оптического коммутатора для волоконно-оптических сетей передачи информации.

Заключение

В последние годы значительно возрос интерес к ООО коммутаторам, предназначенным для волоконно-оптических сетей. ООО коммутаторы обеспечивают масштабируемость, так как не зависят от скоростей передачи данных и используемых протоколов и обеспечивают полную прозрачность к коммутируемому световому потоку. Эти устройства имеют меньший объем по сравнению с ОЭО аналогами. Подобные коммутаторы, прежде всего, решают задачу полностью оптической реконфигурации и восстановления сетей. Кроме того, они представляют один из перспективных методов коммутации компонентных потоков данных на основе информации об их длине волны, что позволяет гибко управлять сетью, не прибегая к избыточным затратам на преобразование данных из оптической формы в электрическую и обратно.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию полностью оптического коммутатора, построенного на основе акустооптической технологии. Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Проведен анализ оптического блока АО-коммутатора с учетом дифракционных эффектов и затухания акустической волны. Исследована зависимость величины оптических потерь от значений затухания акустической волны и апертуры АО-ячейки. Предложены меры, совместное применение которых позволяет минимизировать потери, возникающие при заданных значениях затухания акустической волны и апертуры АО-ячейки. Исследована зависимость величины шага расположения волокон, при котором перекрестные помехи не превышают заданную величину, от акустического затухания и апертуры АО-ячейки.

2. Определена зависимость средней величины отклонений угла дифракции вследствие влияния нестабильности частоты генератора управляющего сигнала от параметров устройства. Средняя величина отклонений угла дифракции позволяет оценить потери, вызванные нестабильностью частоты сигнала автогенератора. На основании полученной зависимости могут быть установлены требования к стабильности частоты генератора управляющего сигнала.

3. Получены соотношения, позволяющие в случае режима изотропной дифракции определить основные параметры АО-дефлектора исходя из требований к оптическому коммутатору 1 хМ

4. Показано, что для АО-ячейки с 1111 в виде решетки с противофазным возбуждением соседних элементов достаточно порядка четырех элементов, чтобы обеспечить все преимущества использования дефлектора с фазированной решеткой излучателей. Уменьшение количества элементарных излучателей позволяет максимально упростить технологию изготовления АО-ячейки такого типа. Согласно оценочным расчетам, использование ПП в виде решетки с противофазным возбуждением соседних элементов при одинаковых прочих условиях позволяет увеличить количество выходных волокон приблизительно в два раза.

5. Исследована возможность построения оптического коммутатора с динамической селекцией длин волн на основе одноканального АО-дефлектора. Установлены причины, ограничивающие возможность увеличения количества несущих длин волн и уменьшения разноса между ними. Сфера применения подобных коммутаторов ограничена системами с CWDM (Coarse WDM).

6. Разработана математическая модель для описания двукратной брэггов-ской дифракции при АО-взаимодействии в произвольном сечении кристалла и метод расчета основных параметров анизотропного АО-дефлектора. Применение неаксиального дефлектора позволяет исключить влияние двукратного брэгговского рассеяния при соответствующем выборе геометрии АО-взаимодействия.

7. Результаты расчетов позволяют сделать вывод, что создание режима АО-взаимодействия, при котором исключается влияние двукратного брэгговского рассеяния, может не привести к увеличению числа разрешимых положений по сравнению со случаем, когда двукратная брэггов-ская дифракция присутствует. Так как в случае АО-коммутатора к форме ЧХЭД не предъявляются жесткие требования, то при заданных расчетных параметрах для получения коммутатора с большей емкостью необходимо рассматривать обе альтернативы: когда используется аксиальный дефлектор и из рабочей полосы исключается диапазон частот, в котором ЧХЭД имеет неприемлемо низкие значения, и когда используется неаксиальный дефлектор, в котором исключается двукратное брэг-говское рассеяние.

8. Проведено исследование возможности оптимизации характеристик двухкоординатного дефлектора, построенного на основе одной АО-ячейки, с точки зрения минимизации потерь и максимизации емкости коммутатора. Определены наиболее благоприятные режимы дифракции, позволяющие достичь оптимальный режим, исходя из критериев минимизации потерь или независимости от поляризации света, для изотропного материала фосфида галлия. Найдена геометрия взаимодействия, позволяющая значительно увеличить разрешающую способность дефлектора, построенного на основе кристалла парателлурита.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Славинская, Виктория Валерьевна, 2004 год

1. Акустооптические модуляторы света / B.C. Бондаренко, В.П. Зоренко, В.В. Чкалова. - М.: Радио и связь, 1988.

2. Балакший В.И., Парыгии В.Н., Чирков JI.E. Физические основы аку-стооптики. — М.: Радио и связь, 1985.

3. Богданов С.В., Вьюхин В.Н., Гибин И.С. и т. д. Двухкоординатный акустооптический дефлектор. // Автометрия, 1975, №3, — стр. 12-18.

4. Григорьев М.А. Горизонты оптоволоконной связи. // Экспресс Электроника, 2001, №6, стр. 58-62.

5. Гринфилд Д. Оптические сети. К.: ООО «ТИД «ДС», 2002.

6. Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов. Пер с франц./Под ред. В.В. Леманова. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.

7. Зюрюкин Ю.А., Заварин С.В., Шехтман JI.A. Дефлекторы лазерного пучка для акустооптической обработки радиосигналов. // Проблемы оптической физики: Сб. докл./ Саратов, 2002, стр. 38-43.

8. Информационная оптика: Учебное пособие / Н.Н. Евтихиев, О.А. Ев-тихиева, И.Н. Компанец и др.; Под ред. Н.Н. Евтихиева. М.: Издательство МЭИ, 2000.

9. Карлсон К. Виды на оптическое будущее. URL статьи: http:// www.ssga.nj/eruditesinfo/infotechnology/compnet/vidopt.html.

10. Клудзин В.В. Акустооптические устройства обработки сигналов. -СПб.: Издательство БГТУ, 1997.

11. Клудзин В.В., Славянская В.В., Тнгин Д.В. Исследование анизотропной дифракции в парателлурите с учетом двукратного брэгговского рассеяния. // «Лазеры. Измерения. Информация»: Сб. тезисов докл./ БГТУ. СПб., 2004, стр. 50.

12. Кулаков С.В., Разживин Б.П., Тигин Д.В. Акустооптический анализатор спектра с высокой разрешающей способностью. // Обработка радиосигналов акустоэлектронными и акустооптическими устройствами. Сборник статей. Л.: Наука, 1983. - с. 76-81.

13. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. — М.: Советское радио, 1978.

14. Малахов А. Н. Флуктуации в автоколебательных системах. — М.: Наука, 1967.

15. Медфорд К. Широкополосная связь — мечты, мечты. // Персональный компьютер сегодня, 2001, №7, стр. 50-74.

16. Невдяев Л.М. Телекоммуникационные технологии. Англо-русский толковый словарь-справочник. — М.: МЦНТИ, 2002.

17. Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени / О.Б. Гусев, С.В. Кулаков, Б.П. Разживин, Д.В. Тигин; Под ред. С.В. Кулакова. М.: Радио и связь, 1989.

18. Орлов С. Оптика вплотную к клиентам. URL статьи: http://www.osp.ni/lan/2003/05/050.htm#incuts.

19. Паращук И.Б. Словарь международных телекоммуникационных аббревиатур. СПб.: ВУС им. Буденного, 2000.

20. Петренко И.И., Убайдуллаев P.P. Пассивные оптические сети PON. Часть 1. Архитектура и стандарты. // Lightwave. Russian Edition, 2004, №1. с. 22-28.

21. Пресленев Л.Н., Светиков Ю.В. Техника оптического объединения/разделения сигналов в ВОСП. // Зарубежная радиоэлектроника, 1990,№11.-с. 74-85.

22. Пресленев JI.H., Бапкин B.JL Применение акустооптического взаимодействия в системах оптической связи. // Зарубежная радиоэлектроника, 1988, №3.-с. 65-71.

23. Радиоприемные устройства / Под ред. Л.Г. Барулина. М.: Радио и связь, 1984.

24. Ренди Р, Сантос Г. MEMS-устройства для СВЧ приложений: новая волна. URL статьи: http://chipnews.ru/html.cgi/ar-hiv/0107/stat-3.htm.

25. Славинская В.В. Исследование схем и анализ характеристик коммутаторов для волоконно-оптических систем передачи информации. // Четвертая научная сессия аспирантов ГУАП: Сб. докл./ СПГУАП. СПб.,2001, стр. 178-180.

26. Славинская В.В. Определение параметров акустооптического коммутатора для волоконно-оптической системы передачи информации. // Пятая научная сессия аспирантов ГУАП: Сб. докл./ СПГУАП. СПб.,2002, стр. 153-157.

27. Славинская В.В. Определение максимального показателя качества при дифракции света на двух перпендикулярных акустических волнах. // Шестая научная сессия аспирантов ГУАП: Сб. докл./ СПГУАП. СПб.,2003, стр. 123-125.

28. Славинская В.В. Особенности построения акустооптического дефлектора на основе анизотропной дифракции. // Седьмая научная сессия аспирантов ГУАП: Сб. тезисов докл. 2004, стр. 10.

29. Слепов Н.Н. Оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны. URL статьи: http://www.osp.ru/nets/1999/04/.

30. Слепов Н.Н. Оптические кросс-коммутаторы. // Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1999, №6. с. 14-19.

31. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. М.: Радио и связь, 2000.

32. Скляров O.K. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы. М.: ООО Издательство «СОЛОН-Р», 2001.

33. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. — М.: Радио и связь, 1982.

34. Тихонов В.И., Хименко В.И. Выбросы траекторий случайных процессов. М.: Наука, 1987.

35. Тихонов В.И., Хименко В.И. Проблема пересечений уровней случайными процессами. Радиофизические приложения. // Радиотехника и электроника, 1998, том 43, №5, с. 501-523.

36. Удоев Ю.П. Интегрально-оптические и пространственные коммутаторы. // Зарубежная радиоэлектроника, 1988, №3. с. 72-84.

37. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. Пер с англ./Под ред. Н.Н. Слепова. М.: Техносфера, 2003.

38. Хименко В.И. Акустооптическое управление излучением: вероятностный анализ. // Радиотехника и электроника, 1994, с. 1022-1031.

39. Хименко В.И., Тигин Д.В. Статистическая акустооптика и обработка сигналов. СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 1996.

40. Яковлев М.Я., Бешетов Ю.Д. Волоконные и оптические изделия. // Волоконно-оптическая техника. Технико-коммерческий сборник, 1992, №1,-с. 17-19.1. Зарубежные источники:

41. Acousto-Optics Department of VNIIFTRI. http://aod.msk.ru/fil-terl2.shtml у

42. Acousto-optic signal processing. Theory and implementation. / Edited by N. J. Berg, J. M. Pellegrino. Adelphia: U.S. Army Research Laboratory, 1998.

43. All Wave Advantage. Lucent Technologies. URL статьи: http://www.lucent.com/ofs/pdf/6465.pdf.

44. Ames S. TeraBurst steps into optical jungle. URL статьи: http://news.com.eom/2100-1033-258061 .html?legacy=cnet.

45. Appelman R., Zalevsky Z., Vertman J., Goede J. Civcom. All-Optical Switches — The Evolution of Optical Functionality. URL статьи: http://www.civcom.com/Civcom/includes/DocPopup.asp?did=5.

46. Bains S. Bragg Gratings. Planar optical processor shapes pulses. // Laser Focus World, 2001, June, p.53-54.

47. Bourne M. MEMS Switching. and Beyond. // Lightwave, 2001, March, — p. 204.

48. Cahall Т.К. and Agranat A.J. Power balance and wavelength discipline are crucial to the all-optical network. // WDM Solutions. 2001, April, pp. 7780.

49. Chaires D. Optical Switches Making Optical Networks a Reality. URL статьи: http://www.tomtroncone.com/OpticalSwitches.pdf.

50. Cornwell C., Albert R. Liquid-crystal devices promise high performance. // WDM solutions, 2000, February, p. 35-39.

51. Corporate profile. URL статьи: http://www.diconfiber.com/pro-ducts/scd0098/in-dex.htm.

52. Curtis S. Optical switches suffer fading fortunes. URL статьи: http://www.fibers.Org/articles/news/4/9/22/1.

53. Design and fabrication of acousto-optic devices. /Edited by Goutzoulis A. P., Pape D. R. New York. Basel. Hong Kong, 1994.

54. Duthie P.J., Wale M.I. 16x16 single chip optical switch array in lithium niobate. // Elect.Lett., 1991, vol. 27, №14,-p. 1265-1266.

55. Extension of GSMP for Optical Burst Switching. 54th IETF GSMP WG, Yokohama. URL статьи: http://www.ietf.org/proceedings/02jul/sli-des/gsmp-2/sld001 .htm.

56. Fiber Optic Switches. URL статьи: http://fiber-optics.global-spec.com/SpecSearch/Suppliers/OpticsOpticalComponents/FiberOp-tics/FiberOpticSwitches?Srch-Item= 1.

57. Fleury B. Journey to the center of the core. // Lightwave Europe, 2003, May,-pp. 12-14.

58. Gary С. K. Perspectives on the Application of Optical Matrix Processors. II Integrated Computer-Aided Engineering, 1996, 3(2),— pp. 139-148.

59. Gravey P. et al. Preliminary evaluation of a 144x144 holographic interconnection system. // Proc. SPIE, 1989, vol. 1136, p.275-282.

60. Kludzin V.V., Slavinskaya V.V., Tigin D.V. Improvement of the parameters for the two-coordinate deflector. // Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems: Proc./ SYAI, 2003, pp. AP-20-AP-26.

61. Kludzin V.V., Slavinskaya V.V., Tigin D.V. Investigation of characteristics of the light diffraction by two perpendicular acoustic waves. // Lasers for measurements and information transfer 2003: Proc. Of SPIE Vol. 5381, pp. 302-307.

62. Lauzon J., Cortes P. and Genereux F. Wavelength-selective functions enable tunable optical switches// WDM Solutions. 2001, June, pp. 49-54.

63. Lee J., Wang J., Yang C.C. and Kiang Y. All-optical switching behaviors in all-semiconductor nonlinear loop device. // Journal of Optical Society of America. Vol. 18, No. 9, September, 2001, pp. 1334-1341.

64. Leung C. Electromagnetic actuation holds promise for all-optical switches. URL статьи: http://cgw.pennnet.com/Articles/ArticleDisplay.cfin7Sec-tion=Articles&Subsection=Display&ARHCLEID=137014.

65. Lynx Photonic Networks. All-optical photonic switch. // Laser Focus World, 2001, October, p. 146.

66. Matsumoto C. All-optical switches face a tough audience. URL статьи: http://www.eetimes.com/story/OEG20010802S0051.

67. Multichannel mux/demux AWG module. Osaki Electric, Tokyo. // Lightwave Europe, 2003, September, p. 30.

68. Nyman M., Karam J. MEMS Bring Reliable Track Record to Telecom Applications. URL статьи: http://www.memscap.com/pro-ducts-o-switches.html.71. 2x4 Optical Switch. URL статьи: http://www.lightwavelink.com.tw/ /2x4switch.htm.

69. Optical Switches: Making Optical Networks a Brilliant Reality. URL статьи: http://www.iec.org/online/tutorials/optswitch.

70. Palais J. C. Fiber optic communications. New Jersey: Prentice-Hall, 1998.

71. Photonic Switching Devices Using Light Bullets. URL статьи: http://www.nttc.edu/techmart/technology.asp?technologyid=331.

72. Powers J. An introduction to fiber optic systems. Chicago: IRWIN, 1997.

73. Reardon M. Internet2: 2004 and beyond. URL статьи: http://news.com.com/Internet2+2004+and+beyond/2100-10343-5321053.html.

74. Reardon M. Optical networking: the next generation. URL статьи: http://news.com.com/Optical+networking+The+next+generation/2100-10333-5403589.html.

75. Slavinskaya V.V. Analysis of the Acousto-Optic Switch Parameters. // International Forum on Wave Electronics and Its Applications: Proc./ SUAI, SPb., 2000, pp. 176-180.

76. Software simulates optical switches. URL статьи: http://www.engine-ering-talk.com/news/alg/alg 144.html.

77. Stephens W.E., Huang P.C., Danwell T.C., Reith L.A., Cheng S.S. Demonstration of a photonic space switch utilizing acousto-optic elements. // Optical engineering, 1990, vol. 29 №3, p. 183-190.

78. Technology, Products and Solutions. Free-X™ Family Optical Switches. URL статьи: http://www.civcom.com/Civcom/Techno-logy/freex.htm.

79. Toupin L. A. Switching opportunities. // SPIE's OEmagazine, 2001, June, -p. 18.

80. Uchida N., Iwasaki H. Two-dimensional acousto-optical deflector. // Japan Appl. Phys., 1969, Vol. 8, №6, p. 811.

81. Wilson M.L., Fleming D.L. and Dropps F.R. A Fiber Optic Matrix Switchboard Using Acoustic Optic Bragg Cells // Proc. SPIE, 1988, vol. 988, — p.56-62.

82. Yano Т., Kawabuichi M., Fukumoto A., Watanable A. Te02 anisotropic Bragg light deflector without midband degeneracy. — Appl. Rhys. Letts, 1975, v. 26, №12, p. 689-691.

83. Yeow Т., Law K.L.E., and Goldenberg A. MEMS Optical Switches. // IEEE Communications Magazine, 2001, November, pp. 158-163.

84. Yung-Kuang C., Shien-Kuei L. Dynamically selective multiwavelength cross-connect based on fibre Bragg gratings and mechanical optical switches. // Optical and Quantum Electronics. 1998. № 2, pp. 121-127.