Многолинейное устройство уплотнения по длинам волн и оптическая автоматическая телефонная станция

Многолинейное устройство уплотнения по длинам волн и оптическая автоматическая телефонная станция

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Многолинейное устройство уплотнения оптических линий относится к технике электросвязи по оптическим линиям и может быть использовано для сверхплотного уплотнения больших групп городских и междугородных оптических линий по длинам волн.

Оптические Автоматические Телефонные Станции (ОАТС) относятся к области городской и междугородной широкополосной видеотелефонной и телефонной связи по оптоволоконным линиям, с частотным уплотненным по длинам волн и/или с временным уплотнением.

Современные системы уплотнения оптоволоконных линий по длинам волн (WDM) от устройств малой плотности на интерференционных фильтрах до интегральных модулей DWDM (уплотнение высокой плотности с шагом по длине волны 3.2-0.4 нанометра) на интерференционных волноводных пластинах или сферических дифракционных решетках описаны в [1].

Известные устройства уплотнения WDM и DWDM имеют следующие недостатки:

- одно устройство уплотняет только одну линию. При использовании известных устройств для оптических АТС или многоволоконных кабельных линий необходимо иметь NWL≫1 устройств уплотнения для NWL линий;

- для известных систем требуется точность изготовления в сотые доли нанометра, что существенно увеличивает их стоимость и усложняет получение разрешающей способности по длине волны меньшей 0.4-0.1 нанометра.

Предлагаемая оптическая АТС и ее основные узлы имеют следующие аналоги. Электронным функциональным аналогом ОАТС являются цифровые ISDN АТС [2], содержащие цифровую пространственно временную коммутационную систему и систему абонентского доступа по уплотненным абонентским линиям к цифровым терминалам, предоставляющую каждому абоненту по два разговорных В канала и D канал сигнализации. ISDN ATC взаимодействуют с другими АТС и коммутационными узлами по соединительным линиям, уплотненным 30 или более В каналами и общим каналом сигнализации.

ISDN ATC имеет следующие недостатки:

- для каждой оптоволоконной абонентской и соединительной линии в терминале и на АТС необходимо отдельное устройство преобразования электрических сигналов в оптические и обратно в электрические;

- ISDN ATC коммутируют стандартные В каналы со скоростью передачи 64 Кбит в секунду и лишь для небольшого числа абонентов канал N×B, где 1<N<30, что сегодня недостаточно для высококачественной видеосвязи и больших потоков мультимедийной информации.

Известна широкополосная многокаскадная оптическая пространственная коммутационная система из S многократных оптических соединителей [3]. Эта коммутационная система будет использована в ОАТС, поскольку она позволит создать станции от малой до большой емкости с малым объемом оборудования.

Недостаток коммутационной системы [3] в том, что она без дополнительных селекторов и мультиплексоров каналов не может взаимодействовать с уплотненными линиями.

Известен оптический переключатель (коммутатор) с временным уплотнением [4], который состоит из оптического переключателя 1×N, набора N оптоволоконных линий задержки, N однобитовых элементов оптической памяти, коммутационного блока N×M, набора М линий задержки и переключателя M×1. Первый переключатель N линий задержки и элементов памяти - селектор временных каналов, а М линий задержки и второй переключатель - мультиплексор каналов.

Основной недостаток селектора или мультиплексора временного уплотнения [4] в том, что они уплотняют одну линию, а для оптической АТС, работающей по NL≫1 оптическим линиям, необходимо иметь NL таких устройств. Кроме того необходимы дополнительные средства для объединения NL устройств в коммутационную систему.

Прототипом многолинейного устройства уплотнения является спектральное устройство [5], состоящее из дисперсионного элемента - призмы или дифракционной решетки, установленного между оптическим линейным окончанием и несколькими источниками и/или приемниками неуплотненных сигналов.

Прототип имеет следующие недостатки:

- уплотнение только одной линии;

- разрешающая способность по длине волны существенно меньше, чем у DWDM.

Прототипом оптической АТС является оптическая коммутационная станция [6] с М входными и выходными линиями, уплотненными N волнами, содержащая М селекторов мультиплексоров N волн, N коммутационных систем с М входами и М выходами и устройство управления коммутационной станцией.

Прототип имеет следующие недостатки при использовании его в ОАТС с NL=50-2000 линиями, уплотненными NW=50-100 волнами:

- прототип содержит NL селекторов и NL мультиплексоров волн, изготовление которых требует дорогих технологий с точностями в сотые доли нанометра, а ОАТС содержит только один селектор и один мультиплексор, простые по конструкции и не требующие большой точности изготовления,

- прототип содержит NW основных коммутационных систем, соединенных NL×NW оптоволоконными цепями с селекторами и NL×NW цепями с мультиплексорами, а в ОАТС только она коммутационная система и вообще нет оптоволоконных цепей;

- большое число селекторов, мультиплексоров и коммутационных систем существенно увеличит объем оборудования и стоимость, а также усложнит изготовление, монтаж и эксплуатацию по сравнению с ОАТС.

Целью предлагаемых технических решений является:

- создание простого многолинейного устройства уплотнения по длинам волн с большей разрешающей способностью, чем у DWDM для ОАТС, многолинейных городских и междугородных магистралей, а также для терминалов и мультиплексоров систем абонентского доступа, с возможностью простой настройки на любой диапазон от видимых до инфракрасных волн и на любую длину волны в этом диапазоне, с существенно меньшими требованиями к точности его изготовления, чем DWDM.

- создание оптической АТС для широкополосной городской и междугородной связи с пространственной коммутацией каналов от уплотненных по длинам волн и/или по времени оптических абонентских, соединительных и междугородных линий;

- создание оптической АТС, «разговорный тракт» которой состоит только из оптических многолинейных устройств, многократных переключателей и соединителей, соединенных многоточечными светопроводящими экранами.

Техническим результатом предлагаемых решений будет:

- создание простого многолинейного устройства уплотнения по длинам волн с большим, чем у DWDM, числом частотных каналов для ОАТС, для многолинейных городских и междугородных магистралей, для терминалов и мультиплексоров систем абонентского доступа, с простой настройкой и с существенно меньшими требованиями к точности его изготовления;

- создание ОАТС, дающей оптическое соединение абонент ↔ абонент, для широкополосной городской и междугородной связи по оптоволоконным линиям, уплотненным по длинам волн и/или по времени;

- уменьшение в W раз быстродействия усилителей оптических сигналов либо в W раз расширение полосы частот коммутируемых каналов в ОАТС при увеличении в W раз числа волн, уплотненных в W раз меньшим числом временных каналов;

- существенное уменьшение объема оборудования, габаритов и стоимости ОАТС, состоящей только из многолинейных и многократных блоков;

- уменьшение требований к точности изготовления и упрощение технологии производства ОАТС из-за простой объемной конструкции многолинейных и многократных устройств и блоков ОАТС.

Поставленная цель в многолинейном устройстве уплотнения по длинам волн, содержащем дисперсионный элемент призму или дифракционную решетку, установленную между окончанием оптической линии и источниками или приемниками неуплотненных сигналов, достигается тем, что оптические окончания NLW оптоволоконных линий, уплотненных NW каналами по длинам волн в диапазоне λ1≤λi≤λ2 и NLW×NW источниками или приемниками неуплотненных сигналов, размещены в двух параллельных двумерных массивах либо группами по G>1, либо порознь с G=1, а между ними размещен общий для всех линий спиральный оптический тракт, содержащий кольцо из Р≥1 призм или дифракционных решеток, 1≤MS≤P масок, MR зеркал, замыкающих кольцо для одной из длин волн λi, а также растры ввода и вывода оптических сигналов из NLW для уплотненных и NLW или NLW×NW для неуплотненных сигналов зеркал на прозрачной подложке или отверстий в зеркале, причем для образования спирали, с оптической длиной витка L и шагом между витками G×dd установлены под углом α=±arctg(G×dd/L) к массивам окончаний либо весь тракт либо растры ввода/вывода, либо часть зеркал, а для образования KW витков центры зеркал или отверстий растра уплотненных сигналов смещены на расстояние G×KW×dd от центров зеркал в растре неуплотненных сигналов и размещены с шагом G×(KW+1)×dd между группами и dd в группе по одной координате и NW×dd по другой, а центры зеркал или отверстий в растрах неуплотненных сигналов размещены с шагом G×(KW+1)×dd между группами и dd в группе по первой координате и с шагом dd по второй другой, кроме того линейные окончания и неуплотненные источники или приемники оптически связаны с растрами двумя объективами и размещены геометрически подобно размещению центров зеркал или отверстий, а маски, размещенные между призмами, имеют по KW×NLW отверстий, шириной G×dd и длиной отверстий от dd для отверстия ближнего к растру уплотненных сигналов до NW×dd для ближнего к растру неуплотненных сигналов, причем вместо последнего длинного отверстия маска может содержать G×NW отверстий с длиной меньшей dd.

Поставленная цель в оптической АТС, содержащей пространственную коммутационную систему, к которой через селектор и мультиплексор уплотнения по длинам волн подключены по оптоволоконным абонентским и соединительным линиям NC каналов от абонентских телефонных или видеотелефонных терминалов и от других АТС, причем каждая абонентская линия содержит общий D канал сигнализации и синхронизации, а одна из нескольких соединительных линий содержит общий канал сигнализации ОКС7, которые в АТС подключены к устройству управления АТС, достигается тем, что оптические окончания NLT линий с временным уплотнением NT или меньшим числом каналов, NLW линий с уплотнением по длинам волн NW или меньшим числом частотных каналов, и NLWT линий, уплотненными NWT волнами, каждая из которых уплотнена NTW временными каналами, размещены в NL=NLT+NLW+NLWT позициях двух двумерных массивов - оптических кроссов, между которыми установлены многолинейное устройство уплотнения - селектор длин волн, «разговорный тракт с временным уплотнением» и второе многолинейное устройство уплотнения - мультиплексор длин волн, причем разговорный тракт содержит общие для всех NL линий или NC каналов мультиплексор одноволоконных линий, блок выравнивателя задержек оптических сигналов, селектор временного уплотнения, блок оптической памяти, пространственную коммутационную систему из S многократных оптических соединителей, мультиплексор временного уплотнения, кроме того АТС может содержать для байтового интерливинга каналов второй блок оптической памяти, на выходе коммутационной системы, причем блоки выравнивателя, оптической памяти и временного уплотнения состоят из многократных оптических переключателей и соединителей или их модификаций, общих для всех NL линий и NC каналов, а все устройства, блоки, переключатели и соединители связаны светопроводящими экранами, либо пассивными, либо усилителями яркости изображений, одна сторона которых - массив приемников для предыдущего устройства или блока, другая - массив источников для следующего.

Растры ввода/вывода в первом и втором устройстве уплотнения по длинам волн для NLW, NLWT и NLT линий разделены на несколько фрагментов для однотипных линий, с различным шагом размещения зеркал или отверстий в зеркале по двум координатам, так для фрагментов NLW окончаний уплотненных NWF частотными каналами зеркала или отверстия размещены по одной координате с шагом либо (KWF+1)×dd, либо G×(KWF+1)×dd при NLWT=0, и по другой с шагом NWF×dd, а для NLWT линий, уплотненных NWT частотными каналами, каждый из которых уплотнен NTW временными каналами, зеркала размещены по одной координате с шагом большим из (KWT+1)×dd или NTW×dd и по другой с шагом NWT×dd, где KWF или KWT - число витков спирали, необходимое для разделения NWF или NWT частотных каналов, а линейные окончания этих линий размещены геометрически подобно размещению зеркал или отверстий, кроме того для NLT линий с временным уплотнением NT или меньшим числом каналов растры прозрачны, а их окончания размещены по одной координате с различным для линий с разным числом каналов шагом, подобным dd≤dd×N(j)≤dd×NT, где dd×N(j) - шаг для линии j, уплотненной N(j) каналами, а по другой координате с постоянным шагом, подобным dd, причем изображения неуплотненных по частоте сигналов на входных и выходных экранах разговорного тракта размещены, для всех линий, кроме NLT, подобно размещению растров неуплотненных сигналов, а для NLT линий подобно размещению их линейных окончаний.

Мультиплексор одноволоконных линий содержит два светоделительных зеркала или призмы и светонаправляющую систему из нескольких линз, которая оптически соединяет через зеркала или призмы входной или выходной экраны разговорного тракта с растром ввода/вывода селектора или мультиплексора уплотнения по длинам волн, причем первое зеркало или призма установлены перед входным экраном разговорного тракта, а второе зеркало или призма после его выходного экрана, кроме того, двойные фокусные расстояния светонаправляющей системы должны быть равными оптической длине пути от центра растра ввода/вывода до центра первой линзы и от центра последней линзы до центра выходного экрана.

Многократные оптические переключатели с параметрами NK×1×N или NK×N×1, образующие NK независимых переключателей с одним входом и N выходами или с N входами и одним выходом в каждом, состоят из светоразветвителя на N направлений и сумматора N изображений, между которыми установлены N масок и N быстродействующих ключей, общих для всех отверстий маски, а многократные оптические соединители с параметрами NK×M×N, образующие NK независимых коммутационных матриц с М входами и N выходами, состоят из светоразветвителя и сумматора на M+N-1 направлений и M+N-1 маски либо M+N-1 быстродействующего ключа, причем маски могут быть либо постоянными с NK или меньшим числом отверстий, либо переменными с NK×N или МК×М оптическими ключами на жидкокристаллических или сегнетокерамических индикаторных матрицах, а светоразветвители и сумматоры могут быть либо линзовыми растрами из N или M+N-1 линз, либо из одной общей линзы и призмы с N или M+N-1 светонаправляющими гранями.

Выравниватель задержек оптических сигналов до границы бита с точностью до 1/BN доли бита, при приеме из всех линий, уплотненных NT каналами и размещенных в части из NK=NLT+NWT позиций входного экрана, состоит из светоразветвителя на BN направлений, BN переменных масок с NK оптическими ключами в каждой, BN быстродействующих ключей, NK×BN точечной оптической памяти, сумматора BN выходных изображений оптической памяти, общего быстродействующего ключа и NK точечной оптической памяти, причем оптическая память состоит из запоминающих усилителей на основе усилителей яркости изображений либо с положительной обратной связью, либо с использованием послесвечения, кроме того при байтовом интерливинге за выравнивателем до границы бита установлен выравниватель до границы байта, состоящий из многократного оптического переключателя NK×1×2B, NK×2B точечной оптической памяти, многократного оптического соединителя NK×2×2, многократного оптического соединителя NK×2B×B, NK×B точечной оптической памяти и многократного переключателя NK×B×1, причем в соединителе NK×2×2 маски заменены быстродействующими ключами, общими для всех NK коммутационных матриц.

Блоки селектора и мультиплексора временного уплотнения ОАТС соответственно с NI(1)=NLT+NWL входами и NO(n)=NLT+NWL выходами, каждый из которых уплотнен NT или меньшим числом каналов, выполнены в виде n≥1 многократных оптических переключателей с параметрами переключателя i в селекторе и мультиплексоре NI(i)×1×NT(i) и NO(i)×NT(i)×1, где NT=NT(1)×...×NT(i)×...×NT(n), NI(i)=NI(i-1)×NT(i-1), NO(i-1)=NO(i)×NT(i) и 2≤i≤n, причем соседние переключатели связаны друг с другом светопроводящими экранами или усилителями яркости изображений, а между входными и выходными экранами в переключателе i установлены светоразветвитель изображений входных источников на NT(i)+1 направлений, NT(i)+1 маска либо постоянная с NC(i) отверстиями в каждой, либо переменная в виде матрицы из NC управляемых оптических ключей, NT(i) быстродействующих ключей, общих для всех каналов, и сумматор NT(i)+1 изображений масок, кроме того светоразветвитель и сумматор состоят либо из линзовых растров с NT(i)+1 линзами либо из общей линзы и призмы с NT(i)+1 светонаправляющими гранями, причем либо в светоразветвителе либо в сумматоре линзы или грани призмы размещены так, что их оптические оси идут от центра входного/выходного экрана к центрам масок, а соответственно в сумматоре или разветвителе оптические оси от центров масок сдвинуты от центра выходного/входного экрана на расстояние от нуля до dk×NT(1)×...×(NT(i)-1) с шагом dk×NT(1)×...×NT(i-1) для разных направлений разветвления, где dk - шаг между источниками/приемниками оптических сигналов на входных и выходных экранах, подобный dd расстоянию между зеркалами в растрах устройства частотного уплотнения, кроме того нулевое смещение оптических осей имеет два направления: одно с быстродействующим ключом, а другое - без него.

Для битового интерливинга каналов в ОАТС блок памяти состоит из двух NC точечных запоминающих усилителей, между которыми установлен быстродействующий ключ, общий для всех NC точек входного изображения, и хотя бы один каскад коммутационной системы, для которого первый усилитель, входной, а второй усилитель и быстродействующий ключ - выходной экран, а для байтового интерливинга каналов с В битами в байте блок памяти состоит из переключателя записи на В направлений, двух NC×B точечных запоминающих усилителей, между которыми установлены быстродействующий ключ и светонаправляющая система, а за вторым усилителем установлен переключатель чтения, причем переключатель записи состоит из светоразветвителя на В направлений и В быстродействующих ключей, общих для всех NC каналов, а переключатель чтения состоит из В быстродействующих ключей и сумматора В NC точеных изображений, причем запоминающие усилители это усилители яркости изображений либо с положительной обратной связью либо с использованием послесвечения, а светонаправляющая система - либо соединитель коммутационной системы либо световодная пластина.

Абонентские терминалы ОАТС содержат блоки задержки приема и передачи, подключенные к D каналу оптоволоконной линии через блок синхронизации, а на ОАТС к входам и выходам D каналов абонентских линий и общих каналов сигнализации соединительных линий через ND≤NL входов и выходов устройств уплотнения и «разговорного тракта» подключены ND≤NL входов и выходов сигнализации устройства программного управления.

На фиг.1 приведены вертикальный и горизонтальной разрезы оптического тракта устройства частотного уплотнения с одной призмой.

На фиг.2 приведен вертикальный разрез оптического тракта устройства частотного уплотнения с четырьмя призмами.

На фиг.3 приведена укрупненная блок-схема оптической АТС.

На фиг.4 приведена блок-схема «разговорного тракта» оптической АТС.

На фиг.5 приведена оптическая схема подключения абонентских терминалов.

На фиг.6 приведена оптическая схема многократного оптического переключателя и многократного оптического соединителя.

На фиг.7 приведена оптическая схема выравнивателя длин оптических линий до границы бита.

На фиг.8 приведена блок схема выравнивателя до границы байта.

На фиг.9 приведена оптическая схема блока памяти для байтового интерливинга каналов.

На фиг.10 приведена упрощенная оптическая схема группообразования в коммутационной системе.

В таблице 1 приведена зависимость разрешающей способности устройства частотного уплотнения от числа призм и витков в спирали.

В таблицах 2-3 приведено размещение битов в оптической памяти выравнивателя байтов.

В таблицах 4-13 приведен пример настройки временного селектора и мультиплексора для линий с разным числом каналов.

В таблице 14 приведены параметры схемы группообразования для примера коммутационной системы.

В таблице 15 приведены параметры коммутационных систем разной емкости.

Многолинейное устройство предназначено для частотного уплотнения большого количества оптоволоконных линий по длинам волн.

Устройство содержит два массива источников и приемников оптических сигналов, один из которых состоит из оптических окончаний оптических линий, другой - из источников и/или приемников неуплотненных оптических сигналов, а между ними установлены две многолинзовые оптические системы и спиральный оптический тракт.

Спиральный оптический тракт двухсторонний, он может быть селектором и/или мультиплексором оптических сигналов.

Одна оптическая система формирует на входе оптического тракта либо уменьшенное изображение массива источников либо параллельные нерасходящиеся пучки оптических сигналов, с уменьшенным расстоянием между пучками. Вторая проектирует увеличенное выходное изображение оптического тракта на массив приемников.

Структура оптического тракта будет рассмотрена для параллельных пучков на входе для упрощения его описания. Для изображений, сфокусированных на входе, тракт будет рассмотрен ниже. Тракт содержит кольцо из Р призм и четного числа 2×MS зеркал, замыкающих кольцо, если суммарное отклонение оптического сигнала меньше 360° и 1≤M≤P масок. Линейные окончания источники и/или приемники уплотненных сигналов размещены по одной координате, а приемники и/или источники неуплотненных сигналов размещены по другой. В кольце оптического тракта оптические сигналы идут KW витков по спирали, для образования которой по одной координате повернуты на угол α от массива оптических окончаний либо весь тракт, либо часть его элементов.

На фиг.1 показан вертикальный разрез кольца с одной призмой и вид сверху на пути оптических сигналов от линейных окончаний 1, размещенных на кроссе 2 к приемникам и/или источникам неуплотненных сигналов, фотодиодам и/или светодиодам 4, размещенным на кроссе 3.

На фиг.1 путь оптических сигналов идет через оптическую систему 9, входное отверстие в зеркале 6, зеркало 7, призму 5, замыкающие кольцо зеркала 8, выходное отверстие в зеркале 7 и оптическую систему 10.

На фиг.1 также показана часть горизонтального разреза кольца, проходящего по зеркалам 6 и 7, содержащая вид сверху на спиральный путь оптических сигналов от источников 1 через входное отверстие 11 зеркала 6 к выходному отверстию 12 зеркала 7. На виде сверху показано, что все элементы кольца установлены под углом α к массиву линейных окончаний, а отверстия в зеркалах 6 и 7 сдвинуты на KW равных отрезков. Поэтому оптический сигнал KW-1 раз отражается от зеркал 6 и 7, смещаясь при каждом отражении от зеркала 7 на один отрезок, а затем через выходное отверстие зеркала 7 выходит к приемникам. На фиг.1 KW=2.

Путь от призмы 5 через зеркала 6, 7, 8 по спирали повторяется KW раз. При этом траектория для сигналов с минимальной частотой (сплошная линия) повторяется на каждом витке, а для сигналов с максимальной частотой (пунктирная линия) отклоняется призмой больше и величина отклонения увеличивается с каждым витком. Зеркало 6 содержит по одному отверстию для каждой линии, уплотненной NW каналами. Для вывода расщепленного спектра от каждого источника зеркало 7 содержит либо одно отверстие с длиной в NW раз большей, чем в зеркале 6, либо NW отверстий.

На фиг.2 показан вертикальный разрез кольца из четырех призм 5, замкнутых четырьмя парами зеркал 8. Ввод и вывод оптических сигналов в этом кольце осуществляют зеркала 13 и 14 на прозрачных подложках 15 и 16. Для кольца на фиг.2 горизонтальный разрез по центрам подложек 15, 16 аналогичен разрезу на фиг.1, в котором отверстия 11, 12 заменены зеркалами 13, 14. Пути оптических сигналов на фиг.2 похожи на пути на фиг.1, но из-за большего отклонения в 4 призмах соответствуют меньшему диапазону частот.

Путь оптических сигналов на фиг.1 и 2 образует спираль из-за того, что либо весь тракт либо только зеркала 6, 7 или подложки 15, 16 размещены под малым углом α к оптическому кроссу 2, который при оптической длине кольца, равной L, и шаге спирали между витками dd, должен быть равным α=arctg(G×dd/L), a ширина отверстий 11, 12 или зеркал 13, 14 должна быть равной d≤dd. Здесь либо G=1 при равных расстояниях между источниками либо G>1 при объединении источников в группы по G.

Число витков KW между отверстиями 11, 12 или зеркалами 13, 14 определяет расстояние G×dd×KW, необходимое для мультиплексирования или разделения NW оптических сигналов.

Отверстия 11 или зеркала 13 размещаются на зеркале 6 и на одной стороне подложки 15. Отверстия 12 или зеркала 14 со сдвигом dd×KW могут размещаться, либо образуя KW витков на зеркале 7 или обратной стороне подложки 15, либо на одном из зеркал 8, диаметрально противоположном зеркалу 7, или на подложке 16, образуя KW-0.5 витков.

Отверстия в зеркалах 6, 7 или зеркала 13, 14 для NLW оптических линий образуют двумерные растры, состоящие из соответственно из NLW и NLW×NW зеркал или отверстий. В этих растрах центры отверстий 11 и зеркал 13 размещены по одной координате с шагом dd×(KW+1) и по другой с шагом dd×(NW+1) и подобно им с шагом, кратным du>dd, размещены линейные окончания. Группы отверстий 12 или зеркал 14 сдвинуты по одной координате на dd×KW от соответствующих им отверстий 11 или зеркал 13 и размещены с шагом dd×(KW+1), а по другой координате с шагом dd. Подобно им с шагом, кратным dn≥dd, размещены источники и/или приемники неуплотненных сигналов.

Для настройки на необходимый диапазон длин волн тракт содержит от одной до Р масок с KW×NLW отверстиями в каждой. Высота отверстий в масках изменяется от dd у зеркал или отверстий, ближних к линейным окончаниям до dd×NW у зеркал или отверстий неуплотненных источников/приемников.

Получить параллельные пучки для большого числа витков может оказаться технически сложной задачей. Для ее решения в оптический тракт может быть включена оптическая система, состоящая, например, из нескольких пар линза - переворачивающая призма. Переворачивающие призмы компенсируют вертикальный переворот изображений в линзах, а при четном числе линз устраняется и горизонтальный переворот. Для тракта на фиг.1 линзы должны размещаться с двух сторон от основной призмы. Внутри кольца линзы оптической системы должны иметь фокусные расстояния и размещаться так, чтобы совпали плоскости их входного и выходного изображений и совпали размеры изображений. Кроме того, с ними должны совпадать плоскости входных и выходных изображений оптических систем 9 и 10.

Работает предлагаемое устройство в режиме селектора оптических каналов следующим образом. При первом проходе через призму оптический сигнал одной из двух соседних волн отклоняется от другой на угол Δφ, а на расстоянии между призмами Δl отклонение сигналов составит d(1)=Δφ×Δl. После второго прохождения через призму угол отклонения увеличится вдвое, а величина отклонения составит d(2)=d(1)+2×Δφ×Δl. После прохождения К призм угол отклонения сигналов увеличится до К×Δφ, а отклонение до d(К)=d(К-1)+К×Δφ×Δl, то есть отклонение сигналов для соседних волн нарастает как сумма членов арифметической прогрессии.

На каждом витке оптические сигналы проходят Р призм, поэтому при достаточно большом числе витков KW оптические сигналы пройдут P×KW призм и отклонятся друг от друга на расстояние, достаточное для их надежного разделения. Кроме того, на каждом витке маски преграждают путь оптическим сигналам с длинами волн выше и ниже рабочего диапазона.

При мультиплексировании оптических сигналов от NW каналов в каждую из NWL линий устройство содержит NW одинаковых источников - светодиодов и работает следующим образом. Для каждого светодиода устройство на KW витках расщепляет спектр на ряд частотных составляющих. Маски выделяют для верхнего из NW светодиода волну с наибольшей из NW длиной, а для нижнего светодиода с наименьшей из NW длиной. Все выделенные масками NW составляющих отклоняются призмами на расстояния, достаточные для их суммирования на линейном окончании.

Определить разрешение по длине волны в предлагаемом устройстве можно следующим способом. Для коэффициента преломления n одна призма с преломляющим углом β по [7] отклоняет оптические сигналы на угол φ из формулы sin((φ+β)/2)=n×sin(β/2). При малом угле β≤π/6 sinx≈x и формула упрощается

При разности коэффициентов преломления для соседних частотных компонент Δn и промежутке между призмами ΔL призма смещает их на ΔD.

Оптические сигналы в кольце с Р призмами на KW витках спирали преломляются P×KW призмами. При этом величина отклонения соседних частотных компонентов в тракте с каждой призмой возрастает, пропорциональна сумме членов арифметической прогрессии с P×KW членами, до (P×KW+1)×P×KW/2 раз.

Величина dd×KW×ΔD×NW определяет площадь, занимаемую изображением выходных сигналов. Для площади рабочей области призмы s число линий NL, уплотненных NW каналами, определяется выражением.

NL≤s/(dd×KW×AD×NW)

Для стекла из плавленого кварца в диапазоне 1500-1600 нанометров коэффициент преломления n=1.444179 и Δn=0.00001195 на 1 нм [8].

Для угла отклонения в одном витке ψ≈360° необходимо 15 призм, но с помощью четного числа зеркал, как показано на фиг. 1 и 2, число призм в кольце можно уменьшить до одной.

В таблице 1 приведены зависимость от числа призм Р и числа витков в спирали KW значений оптической длины спирали L в метрах и расстояния ΔD в микрометрах для β=0.5, ΔL=0.1 метра при Δλ=1, Δλ=0.1 и Δλ=0.01 нанометр. В таблице приведены значения ΔD, в 1.5-2.5 раза превышающие шаг между зеркалами растров dd=50 мкм, необходимый для оптических АТС, что дает возможность существенно уменьшить взаимные влияния соседних частотных каналов.

Для источников (светодиодов) и приемников (фотодиодов) неуплотненных сигналов диаметром 3-5 мм большие значения ΔD можно получить увеличением выходного изображения.

В диапазоне 1535-1565 нм для Δλ=1, Δλ=0.1 и Δλ=0.01 нанометров число волн соответственно NW=30, NW=300 и NW=3000. Для этих значений в таблице 1 приведено также NL число линий и NWC=NW×NL число волн, уплотняемых одним устройством при dd=100 мкм, и рабочей площади призм s соответственно 1×1, 5×5 и 10×30 сантиметров. Для большого разрешения необходимы более широкие призмы

Из таблицы 1 видно, что высокая разрешающая способность до 0.01 нанометра достигается даже при одной-четырех призмах.

Минимальные размеры спирального тракта с одной призмой и квадратной формой витка LL×LL×KW×dd, где LL=ΔL/4 сторона квадрата. Для параметров, использованных в таблице 1, видно при шаге по длине волны 0.01 нанометра dd=0.1 мм, оптической длине одного витка ΔL=0.1 метра KW=140 витков, при этом размеры устройства всего 8.75 кубических сантиметров, а путь оптических сигналов 14 метров. Такое устройство может разместиться на интерфейсной карте персонального компьютера.

В прототипе с одной призмой для того же шага по длине волны только оптическая длина ΔL, как видно из формул (3) и (4), будет в (KW+1)×KW/2 раз больше и равна 980 метров.

Поставленная цель - "более высокое разрешение, чем в DWDM, выполняется в предложенном устройстве, как показано в таблице 1, достигается даже при одной призме, но число уплотняемых линий и волн увеличивается с ростом числа призм.

При одной-четырех призмах устройство может уплотнять большое число линий в ОАТС с емкостью от малой до большой, а при одной призме в многоволоконных городских и междугородных магистралях или абонентских терминалах и мультиплексорах. При разделении соседних волн на 50-100 мкм не требуются тонкие технологии с точностями порядка долей нанометра как в DWDM.

Настройка устройств в абонентских терминалах и мультиплексорах на необходимый диапазон волн осуществляется выбором рисунка масок и растров, а настройка на свою волну осуществляется перемещением в одно из возможных положений источника (светодиода) и приемника (фотодиода).

На фиг.3 приведена блок-схема основных узлов оптической АТС (ОАТС), коммутирующей NC широкополосных каналов со скоростями передачи 2-4 Мбит от абонентских терминалов и других АТС, подключенных по NL=NLT+NLW+NLWT волоконно-оптическим линиям. NLT линий с временным уплотнением NT или меньшим числом каналов, NLW линий, уплотненных NW волнами, и NLWT линий, уплотненных NWT волнами, каждая из которых уплотнена NTW временными каналами.

ОАТС состоит из входного оптического кросса 20, селектора частотного уплотнения 21, «разговорного тракта с временным уплотнением» 22, мультиплексора частотного уплотнения 23, выходного оптического кросса 24 и устройства управления 30.

Разговорный тракт содержит пространственную коммутационную систему и блоки временного уплотнения на ее входах и выходах.

Оптические кроссы - это плоские или полусферические панели с двумерным массивом из NK=NC/k отверстий, в NL из которых размещены окончания оптических линий, где к - наибольший общий делитель числа каналов в одной линии.

В ОАТС в качестве устройств частотного уплотнения 21 и 23 используется описанное выше многолинейное устройство уплотнения по длинам волн. Оно может быть общими либо для всех NL линий либо для больших групп однотипных линий, например NLW и/или NLWT.

Устройства уплотнения 21 и 23 содержат по две многолинзовые оптические системы, спиральный оптический тракт и два растра зеркал или отверстий в зеркале.

В устройстве 21 первая оптическая система проектирует уменьшенное изображение линейных окончаний кросса 20 на растр ввода, а вторая система проектирует изображение с растра вывода на вход блоков «разговорного тракта».

В устройстве 23 первая оптическая система проектирует выходное изображение блока 45 на растр ввода, а вторая проектирует увеличенное выходное изображение с растра вывода на линейные окончания кросса 24.

Для уменьшения потерь света оптические системы устройств 21 и 23 должны содержать дополнительные линзы, размещенные у кроссов и линейных входов/выходов спиральных трактов.

Эти линзы показаны на фиг.4 только у кроссов. Они преобразуют параллельные пучки света от кросса 20 сначала в сходящиеся, а затем в параллельные на входе спирального тракта устройства 21 и в обратном направлении для устройства 23 и кросса 24.

Растры ввода/вывода направляют в спиральный тракт частотного уплотнения только часть изображения линейных окончаний для NLW и NLWT линий, а другую часть для NLT линий пропускают через оптические системы на вход/выход разговорного тракта.

К ОАТС могут подключаться либо двухволоконные линии с симплексной передачей в каждом волокне либо одноволоконные линии с дуплексной передачей. На фиг.3 показаны окончания одноволоконных (двухсторонних) оптических линий 25, приемные и передающие окончания 26 односторонних двухволоконных линий. К окончаниям 25 подключаются короткие абонентские линии от видеотелефонных ТВ и/или телефонных ТФ терминалов. К окончаниям 26 подключаются длинные соединительные линии от других ОАТС и/или оптических узлов входящих/исходящих связей.

Окончаниями оптоволоконных линий могут быть, например, концы волокон либо соединенные с ними фоконы, градиентные линзы или микролинзы.

На кроссах 20 и 24 кроме оптических окончаний могут устанавливаться электрооптические окончания - светодиоды 27 и фотодиоды 28, подключенные к согласующим устройствам 29 проводных соединительных линий от электронных или электромеханических АТС. Согласующие устройства 29 преобразуют электрические сигналы существующих АТС в формат ОАТС и обратно.

Устройство