Устройство уплотнения по длинам волн (варианты) и оптическая атс

Устройство уплотнения по длинам волн (варианты) и оптическая атс

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемые устройства уплотнения относятся к технике электросвязи по оптическим линиям и могут быть использованы 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 телефонной, видеотелефонной или мультимедийной связи, по оптоволоконным линиям, уплотненным по длинам волн.

Современные системы уплотнения оптоволоконных линий по длинам волн от устройств малой плотности WDM 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, а при использовании известных устройств в оптических АТС или многоволоконных кабельных магистралях необходимо иметь NL устройств уплотнения для NL≫1 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 нанометра.

Известны электронные функциональные аналоги ОАТС - цифровые ISDN АТС [2], содержащие цифровую пространственно временную коммутационную систему и систему абонентского доступа по уплотненным медным абонентским линиям к цифровым терминалам, предоставляющую каждому абоненту по два разговорных В канала и D канал сигнализации. ISDN АТС взаимодействуют с другими АТС и коммутационными узлами по соединительным линиям, уплотненным 30-ю или более В каналами и общим каналом сигнализации.

ISDN ATC имеет следующие недостатки:

- для каждой оптоволоконной абонентской и соединительной линии в терминале и на ATC 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.

Прототипом предлагаемых устройств уплотнения является устройство на дисперсионном элементе, которым может быть призма или дифракционная решетка [4], установленная между оптическим линейным окончанием и несколькими источниками и/или приемниками неуплотненных сигналов.

Прототип устройства уплотнения имеет следующие недостатки:

- уплотнение только одной линии;

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

Прототипом оптической ATC является оптическая коммутационная станция [5] с М входными и выходными линиями уплотненными N волнами, содержащая М селекторов и мультиплексоров N волн, N коммутационных систем с М входами и М выходами и устройство управления коммутационной станцией.

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

- прототип содержит М отдельных для каждой линии селекторов и мультиплексоров N волн, изготовление которых требует дорогих технологий с точностями в сотые доли нанометра,

- прототип содержит N основных коммутационных систем, соединенных M×N оптоволоконными цепями с селекторами и мультиплексорами, что существенно увеличивает объем оборудования, усложняет монтаж и увеличивает стоимость коммутационной станции.

Целью предлагаемых технических решений является:

- создание простых устройств уплотнения по длинам волн для большого числа оптоволоконных соединительных линий, с разрешающей способностью большей, чем у DWDM, для ОАТС, многолинейных городских и междугородных магистралей, а также для одной или нескольких абонентских линий и систем абонентского доступа;

- создание устройства уплотнения с простой настройкой на любой диапазон от видимых до инфракрасных волн и на любую длину волны в этом диапазоне;

- создание устройства уплотнения, с существенно меньшими требованиями к точности его изготовления, чем DWDM;

- создание оптических АТС (ОАТС) для широкополосной городской и междугородной связи с пространственной коммутацией каналов от оптоволоконных линий, уплотненных по длинам волн;

- создание ОАТС, "разговорный тракт" которой состоит только из одной коммутационной системы на многократных оптических соединителях и многолинейных устройств уплотнения, связанных вместо оптоволоконных связей многоточечными светопроводящими экранами;

- создание ОАТС, связанных с абонентскими терминалами оптической системой абонентского доступа на малолинейных устройствах уплотнения по длинам волн с разрешающей способностью большей, чем у DWDM;

- создание ОАТС с устройствами уплотнения с существенно меньшими требованиями к точности его изготовления, чем DWDM.

Техническим результатом, предлагаемых решений будет:

- создание простых устройств уплотнения по длинам волн либо многолинейных для ОАТС, городских и междугородных магистралей, с большим, чем у DWDM, числом частотных каналов, либо малолинейных для терминалов и мультиплексоров систем абонентского доступа,

- создание устройств уплотнения с простой настройкой на любой оптический диапазон и любую волну, а также с существенно меньшими требованиями к точности его изготовления;

- создание оптической ISDN ATC, дающей широкополосное оптическое соединение абонент↔абонент, для городской и междугородной телефонной и видеотелефонной связи по оптоволоконным линиям, уплотненным по длинам волн;

- существенное уменьшение объема оборудования, габаритов и стоимости ОАТС, состоящей из многолинейных устройствах уплотнения и одной коммутационной системы большой емкости на многократных оптических соединителях, связанных многоточечными светопроводящими экранами вместо оптоволоконных связей;

- 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 первом варианте устройства уплотнения по длинам волн для NL≥1 оптоволоконных линий уплотненных NW волнами в диапазоне λ1≤λi≤λ2 с шагом по длине волны (λ2-λ1)/NW, достигается тем что между двумерными массивами оптических окончаний ML линий и NL×NW станционных или абонентских окончаний установлены два зеркала с двумерными растрами отверстий ввода/вывода оптических сигналов, в которых размер отверстий меньше dd в линейном и DD в станционном растрах, а между этими зеркалами установлена петля из Р≥1 призм, 1≤MS≤P масок и 0≤MR дополнительных зеркал без отверстий, замыкающих петлю с суммарным углом отклонения луча света от одного зеркала с растром до другого 360° для волны с длиной λ(i), причем зеркало с станционным растрам установлено либо параллельно линейному, либо при MR=0 под углом ϕ, на который призмы отклоняют луч для волны с длиной λ(i), а отверстия размещены группами по G=GH×GV≥1 отверстий в GH столбцах и GV строках в линейном растре и в GH столбцах и GV×NW строках в станционном растре с шагом между отверстиями в группе соответственно dd и DD, кроме того, для петли с оптической длиной L зеркала с растрами установлены к лучам света под малым углом α=±arctg(dd×GH/2×L) по координате Н, либо α=±arctg(NW×GV×dd/2×L) по координате V, а отверстия станционного растра сдвинуты от соответствующих им в линейном растре либо на DD×GH×KW no координате Н, либо на DD×GV×NW×KW по координате V, где KW число витков света в петле из неравенства

в котором Δn - разность коэффициентов преломления соседних волн, β - преломляющий угол призм и Δl - расстояние между призмами, а кроме того, маски имеют по NL отверстий, шириной и длиной отверстий от dd для маски, ближней к растру линейных окончаний до DD, и NW×DD - для ближней к растру станционных окончаний.

Причем между призмами в петле с оптической длиной L установлена оптическая система из одной или нескольких линз с фокусными расстояниями LL к линейному и LE к станционному растру, обеспечивающими сфокусированное изображение каждого растра на другом, а кроме линз оптическая система может содержать переворачивающую призму, кроме того, при dd≠DD для изменения масштабов изображений либо LL/dd=LE/DD, либо одно или несколько зеркал повернуты от линейного растра на суммарный угол αd≥2×(dd-DD)/(KW+1)×KW×L по координате, совпадающей с углом α.

Кроме того, устройство уплотнения для мультиплексоров верхних уровней абонентского доступа состоит только из двух зеркал с растрами отверстий для оптических окончаний NLA≥1 станционных линий, уплотненных NW волнами, и NLA×NA абонентских линий, уплотненных NWA=NW/NA волнами, а окончания установлены у всех или части отверстий под углом α=±arctg(dd/2×L) к зеркалам по координате Н, где dd больше диаметра отверстий линейных окончаний и L оптическая длина расстояния между зеркалами, а между зеркалами установлены Р≥1 призм, причем зеркала установлены под углом ϕ друг к другу, на который по координате V призмы отклоняют луч света с длиной волны λi, кроме того, NLA линейных отверстий размещены по координате Н с шагом DD×KW или dd×KW, а абонентские отверстия смещены по Н на расстояние ddxKW или DD×KW от станционных отверстий и размещены по координате V с шагом DD, где KW число проходов света между зеркалами из неравенства

a Δn - разность коэффициентов преломления соседних волн, β - преломляющий угол призм и Δl - расстояние между призмами, причем DD равно или больше вертикального размера оптических окончаний, а вертикальный размер зеркал должен быть больше DD×NW/NA.

Причем устройство уплотнения для оконечных мультиплексоров абонентского доступа состоит только из двух зеркал с растрами отверстий для оптических окончаний NLA≥1 станционных линий уплотненных NWA волнами и NLA×NWA абонентских линий, окончания которых установлены у всех или части отверстий под углом α=±arctg(dd/2×L) к зеркалам по координате Н, где dd больше диаметра отверстий для линейных окончаний и L оптическая длина расстояния между зеркалами, кроме того, между зеркалами установлены Р≥1 призм, а зеркала установлены под углом ϕ друг к другу, на который по координате V призмы отклоняют луч света с длиной волны λi, кроме того, NLA линейных отверстий размещены по координате Н с шагом dd×KW иди DD×KW, а абонентские отверстия смещены от линейных по Н на расстояние dd×KW или DD×KW и размещены по координате V с шагом DD, где KW число проходов света между зеркалами из неравенства

a Δn - разность коэффициентов преломления соседних волн, β - преломляющий угол призм и Δl - расстояние между призмами, причем DD равно или больше размера окончаний, кроме того, вертикальный размер зеркал должен быть больше DD×NWA.

Поставленная цель во втором варианте устройства уплотнения по длинам волн для NL≫1 оптоволоконных линий, уплотненных NW волнами в диапазоне λ1≤λi≤λ2, достигается тем, что оно состоит из двух или более последовательно соединенных каскадов - устройств уплотнения по первому варианту, в каждом из которых направление отклонения света призмами перпендикулярно предыдущему и/или знак угла и противоположен предыдущему, причем первый и совпадающие с ним по направлению призм каскады разделяют спектр на NH групп по NW/NH волн по координате Н, а каскады, в которых направление призм перпендикулярно первому каскаду, разделяют каждую группу по координате V, кроме того, в этих каскадах одно или несколько зеркал должны состоять из фрагментов с углом наклона, изменяющимся либо плавно для каждой линии, либо ступенчато для группы линий, так чтобы в петле угол отклонения для волн с одинаковым номером во всех NH группах был равен 360°.

Поставленная цель в оптической АТС, к которой по оптоволоконным линиям, уплотненным по длинам волн, подключены абонентские терминалы и соединительные линии других АТС, а между оптическими окончаниями линий установлена оптическая пространственная коммутационная система, достигается тем, что NGLA групп оптических окончаний линий направления А→В размещены в двумерных массивах на NGLA оптических кроссах, из которых NGLA-NGLO массивов оптически связан с входом своего многолинейного первого или второго варианта устройства уплотнения - селектора каналов напрямую, а остальные - через входные блоки NGLO многолинейных мультиплексоров одноволоконных линий, причем селектор каналов i имеет NL(i) входов от NL(i) окончаний и NL(i)×NW(i) выходов, которые через многолинейный формирователь-сумматор изображений станционных растров NGLA селекторов оптически связаны с NC входами пространственной коммутационной системы, состоящей из S последовательно включенных многократных оптических соединителей, a NGLB групп ее выходов оптически связаны через многолинейный формирователь-разветвитель с входами NGLB многолинейных мультиплексоров каналов-устройств уплотнения первого или второго варианта, выходы которых оптически связаны с NGLO выходными блоками мультиплексоров одноволоконных линий и с NGLB-NGLO двумерными массивами линейных окончаний направления В→А, размещенными на оптических кроссах, причем мультиплексор каналов с номером j имеет NL(j)×NW(j) входов и NL(j) выходов к NL(j) окончаниям своего массива, причем NL и/или NW у разных кроссов различны.

Кроме того, в оптической АТС многолинейный мультиплексор одноволоконных линий содержит входной блок со светоделительным элементом, светонаправляющую систему из нескольких линз и выходной блок с зеркалом, а светоделительный элемент либо полупрозрачное зеркало, либо куб призма с двойным лучепреломлением или подобные элементы, кроме того, двойное фокусное расстояние светонаправляющей системы равно оптической длине пути с одной стороны через светоделительный элемент к центру массива линейных окончаний направлений А→В или В→А, с другой - через зеркало соответственно к центру растра линейных отверстий мультиплексора каналов, причем число линз и расстояния между ними в светонаправляющей системе должны быть достаточными для передачи не перевернутого изображения с не измененным масштабом, причем в линию i мультиплексор передает сигналы направлений А→В и В→А на разных волнах, для чего позиции выходов коммутационной системы для i не совпадают с ее входами.

Причем в оптической АТС абонентские терминалы подключены к линейным окончаниям через многоуровневую систему абонентского доступа древовидной структуры, состоящей из из K последовательно включенных мультиплексоров абонентского доступа на устройствах уплотнения только с двумя зеркалами, причем мультиплексоры верхних уровней i<K содержат для каждой линии уровня i≥1 уплотненной NW(i) или меньшим числом волн NA(i) окончаний линий уровня i+1, уплотненных NW(i+1)≤NW(i)/NA(i) волнами, а оконечные мультиплексоры уровня K для каждой линии с NW(K) волнами содержат либо NW(K) оптических или электрооптических окончаний для терминалов без устройств уплотнения, либо NA(K) окончаний с NW(K)/NA(K) волнами для терминалов с устройством уплотнения, причем диапазон волн в мультиплексорах определяется величиной угла между зеркалами.

Кроме того, каждый терминал оптической АТС содержит блок синхронизации и обмена по D каналу, блоки задержки приема и передачи "разговорных" каналов, управляемые по D каналу устройством управления ОАТС, а для уплотненных линий содержит оконечный мультиплексор для NW(K)/NA(K) волн.

На фиг.1 приведен вертикальный разрез оптического тракта первого варианта устройства уплотнения.

На фиг.2 приведен горизонтальный разрез оптического тракта устройства уплотнения.

На фиг.3 приведен вертикальный разрез оптического тракта устройства уплотнения с внутренней оптической системой.

На фиг.4 приведен вертикальный разрез кольцевой петли и элементы второго варианта устройства уплотнения.

На фиг.5 приведены вертикальный и горизонтальный разрезы устройства уплотнения для абонентского доступа и абонентских терминалов.

На фиг.6 приведена блок-схема оптической АТС.

На фиг.7 приведен вертикальный разрез формирователей изображений.

На фиг.8 приведена блок-схема оптической системы абонентского доступа.

В таблице 1 приведена зависимость числа витков в петле устройства уплотнения от числа призм и шага по длине волны.

В таблице 2 приведена зависимость числа линий и каналов от шага по длине волны, размеров и числа призм.

В таблице 3 приведена зависимость числа витков от числа призм и от размеров абонентских окончаний.

В таблице 4 приведены параметры коммутационных систем.

Примечание: на фигурах обозначения элементов состоят из двух частей первая цифра - номер фигуры, а следующие - номер элемента, совпадающий на фигурах 1-5, содержащих его, и на фигурах 6-7.

В заявке предложены два варианта устройств уплотнения по длинам волн, предназначенных для построения многолинейных селекторов и мультиплексоров каналов в NL оптических линиях, уплотненных NW волнами в оптических АТС, или малолинейных мультиплексоров абонентского доступа.

На фиг.1-3 приведен пример первого варианта оптической схемы многолинейного устройства уплотнения с челночно-петлевым оптическим трактом. На фиг.1 показан разрез устройства и вид сбоку на ход лучей света по вертикали, а на фиг.2 - разрез и вид сверху на ход лучей по горизонтали. Структура оптического тракта для упрощения описания будет рассмотрена для тонких параллельных пучков на его входе.

Устройства состоят из двух основных зеркал 11 и 12, на которых размещены двухмерные массивы отверстий 13, для ввода/вывода сигналов от линейных окончаний и отверстий 14 для ввода/вывода станционных сигналов.

Для каждой из NL линий, уплотненных NW волнами, зеркало 11 содержит по одному отверстию, а зеркало 12 по NW отверстий. Причем в селекторе зеркало 11 входное, а для мультиплексора входное зеркало 12.

Оптический тракт устройства уплотнения между зеркалами 11 и 12 содержит петлю из Р≥2 призм 15 и 16, пары зеркал 19 для замыкания оптического тракта. Две призмы 15 направляют свет в петлю, которая может содержать от нуля до (Р-2)/2 дополнительных звеньев. Каждое дополнительное звено петли содержит по 2 призмы 16 и зеркала 17 и 18.

На фиг.1 показан вертикальный разрез петли с двумя дополнительными звеньями, содержащий шесть призм, и вид сбоку на пути оптических сигналов от входных отверстий 13 к выходным отверстиям 14.

Луч света выходит из отверстий 13 или 14 почти перпендикулярно зеркалам 11 и 12. Кроме того, угол отклонения света в призмах 15, 16 и наклон зеркал 17-19 в оптическом тракте выбираются так, что суммарное отклонение оптических сигналов для одной волны из рабочего диапазона составляет 360° и образует замкнутую петлю, в которой оптические сигналы движутся челноком между зеркалами 11 и 12.

Отверстия линейных окончаний на зеркале 11 размещены по горизонтали, а отверстия для станционных окончаний на зеркале 12 соответственно по вертикали.

На фиг.2 показан горизонтальный разрез устройства и вид сверху на пути оптических сигналов от массива линейных окончаний из 4-х отверстий 23 к отверстиям 24, отклоненный на малый угол α призмами 213 и 214 между зеркалами 21 и 22 (аналогичными 11-14 на фиг.1).

Путь под углом α может создаваться, кроме призм 213 и 214, либо поворотом зеркал 21 и 22, либо поворотом всего тракта.

На каждом проходе от зеркала 11 (21) по петле с оптической длиной L вновь к нему луч света с диаметром меньшим, например, dd сдвигается по горизонтали на dd, для угла, равного:

Из-за сдвига в петле оптические сигналы многократно проходят челноком через призмы 15 и 16 между зеркалами 11 и 12 KW раз. При этом из-за сдвига на двух витках свет не попадает в отверстие 13. Число витков KW определяется сдвигом по горизонтали отверстий 14 от соответствующих им 13. На фиг.1 и 2 KW=3.

По вертикали траектория сигналов, например, со средней длиной волны с углом отклонения 360° повторяется на каждом витке, для сигналов с максимальной длиной волны отклоняется призмами меньше (верхний луч на фиг.1), а для сигналов с минимальной длиной волны отклоняется больше (нижний луч), и величина отклонения увеличивается с каждым витком.

Отверстия 13 образуют двумерные растры, состоящие либо из NL отверстий на зеркале 11 и NL×NW отверстий на зеркале 12, либо из NL/G групп отверстий на зеркале 11 по G отверстий в группе и NL/G групп отверстий на зеркале 12 по G×NW отверстий в группе. В растре на зеркале 11 NL отдельных отверстий 13 размещены, например, по горизонтали с шагом dd×KW и по вертикали с шагом dd×NW. NW отверстий 14 сдвинуты по горизонтали на DD×KW от соответствующих им отверстий 13 и размещены с шагом DDxKW, а по вертикали с шагом DD.

Кроме витой петли, на фиг.4 показан пример петли, в которой дополнительные призмы 16 размещаются, например, полукольцом. Для петли с полукольцом призм 16 их число ограничено углом отклонения 360°.

Для стекла из плавленого кварца в диапазоне 1.5-1.6 мкм коэффициент преломления n=1.444179 [7], при этом угол отклонения в одном витке ψ≈360°, достигается при 14 призмах с преломляющим углом β=0.5 радиана, а для β=1 при 8 призмах. В витой петле число призм может быть больше 14 добавлением звеньев при выборе подходящего угла для зеркал 17 и 18. В петле без дополнительных звеньев число призм можно уменьшить до двух.

Между призмами могут устанавливаться l≤М≤Р масок для настройки на необходимую величину диапазона длин волн NW и для улучшения фильтрации оптических сигналов, причем одна из масок - это выходные отверстия 11 или 14.

На фиг.1 маски не показаны для упрощения чертежа, а на фиг.2 показан фрагмент вида отверстий масок 211, установленных на зеркалах 21(11), и 212 на зеркале 22(12).

На каждом витке маски преграждают путь оптическим сигналам с длинами волн выше и ниже рабочего диапазона. Маски содержат для каждого входного отверстия 13 либо по KW отверстий, либо одно отверстие ступенчатой формы с KW ступеньками.

В масках для отверстий от ближнего к входному отверстию до ближнего к выходному ширина отверстий изменяется соответственно от dd до DD, а высота отверстий от от DD до DD×NW или DD×GV×NW в группах.

Для фиг.1 и 2 необходимы параллельные или мало расходящиеся пучки. На фиг.3 показана модификация схемы фиг.1 для расходящихся лучей и их ход на одном витке. В оптический тракт вместо зеркал 19 включена оптическая система из переворачивающей призмы 310 и линз 39.

Линзы 39 должны иметь в сторону зеркал 31 и 32 (11 и 12) двойные фокусные расстояния, равные оптической длине пути до них. При этом изображение, сфокусированное на зеркале 31, линзы 39 сфокусируют на зеркале 32 и наоборот, а между линзами 39 оси лучей света идут параллельно. Линзы 39 переворачивают изображение по двум координатам, а призма 310 компенсирует вертикальный переворот на каждом витке. Горизонтальный переворот компенсируется двукратным проходом через линзы.

Источниками оптических сигналов для мультиплексоров каналов являются многоточечные усилители яркости изображения, либо полупроводниковые матрицы со светодиодными выходами, либо точки люминофора электронно-оптических преобразователей с полосой излучения 50-100 нанометров.

Мультиплексор каждую группу из NW станционных светодиодных выходов в отверстиях 14 объединяет в одно из NL отверстий 13. Для каждого светодиода на KW витках призмы расщепляет спектр на ряд волновых составляющих и отклоняют их на расстояния достаточные для суммирования на выходном отверстии 13.

От верхнего из NW отверстий 14 в отверстие 13 проходит волна с наименьшей длиной, а для нижнего отверстия 14 волна с наибольшей длиной.

Оценить возможности и определить параметры устройств уплотнения с челночно-петлевым оптическим трактом с KW витками для линий, уплотненных NW волнами, с dd шагом между входными отверстиями 13 и DD между выходными отверстиями 14, при равном расстоянии между призмами Δl можно следующим путем.

На фиг.1 при проходе через первую призму оптические сигналы соседних волн разойдутся на угол Δφ, а на расстоянии Δl отклонение сигналов будет d(1)=Δφ×Δl. После второй призмы угол увеличится вдвое, а перед третьей призмой отклонение будет d(2)=d(1)+2×Δφ×Δl. После прохождения Р призм угол отклонения сигналов увеличится до Р×Δφ, а отклонение до d(Р)=d(Р-1)+Р×Δφ×Δl, то есть отклонение сигналов для соседних волн нарастает как сумма членов арифметической прогрессии.

На каждом витке оптические сигналы проходят через Р призм по пути длиной Р×Δl, а при числе витков KW оптические сигналы пройдут P×KW призм, но поскольку в первом витке первая призма дает малое отклонение, поэтому в расчетах будет использоваться значение (P×KW-1) и сигналы отклонятся друг от друга на расстояние Δφ×Δl×(Р×KW-1)×Р×KW×Δl/2, достаточное для их надежного разделения.

Одна призма с коэффициентом преломления n и преломляющим углом β отклоняет оптические сигналы на угол φ из описанного в [6] уравнения:

При малом угле β≤π/6 sinx≈x и выражение для φ упрощается

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

В устройстве с Р призмами и промежутке между призмами Δl число витков KW можно найти из неравенства (2), а угол α из выражения (3).

Здесь Δn×β=Δφ и L оптическая длина пути между зеркалами 11 и 12.

Для плавного перехода от шага dd к DD в петле с оптической длиной L и KW витками достаточно повернуть по горизонтали на малый угол αd одно из зеркал 17-19(37-39) или 52 относительно зеркал 11, 31 или 51.

Каждому отверстию 13 соответствует площадь KW×DD×NW, занимаемая на зеркале 12. Для площади рабочей области призмы SP число линий NL, уплотненных NW каналами определяется выражением

В первом варианте устройства уплотнения (фиг.1-3) размещение отверстий линейного растра с постоянным шагом приводит к размещению отверстий станционного растра по вертикальным или горизонтальным линиям с большими промежутками.

Использование такого размещения в оптических АТС потребует сложных дополнительных устройств - преобразователей изображения устройств уплотнения. Преобразователи изображения будут проще или не потребуются вообще при размещении отверстий в линейных растрах двумерными группами.

Из NL=NLH×NLV отверстий на зеркале 11 можно образовать растры из двумерных групп отверстий 13 по G=GH×GV отверстий в группе. Где MLH число отверстий, например, по горизонтали и NLV по вертикали, a GH число отверстий в группе по горизонтали и GV по вертикали, а в каждой группе отверстия 13 размещены с шагом dd между отверстиями по обеим координатам. На зеркале 12 каждой группе отверстий 13 соответствует группа из G×NW отверстий 14, содержащая GH отверстий по горизонтали и GV×NW по вертикали с шагом DD между отверстиями в группе по обеим координатам.

В двумерных растрах из NL/G двумерных групп на зеркале 11 центры каждой группы из GH отверстий 13 размещены, например, по горизонтали с шагом GH×dd×KW и по вертикали с шагом GV×dd×NW. Группа отверстий 14 сдвинута по горизонтали на GH×DD×KW от соответствующих им отверстий 23 и размещена с шагом, не меньшим GHxDDxKW, а по другой координате с шагом GV×DD×NW.

При таком размещении в устройстве с Р призмами число витков KW можно найти из неравенства (5), а угол α из выражения (6).

Для оптического тракта с кольцевой петлей расстояния между призмами Δl можно выбирать произвольно, а для витой петли расстояния между центрами зеркал 11, 12 и 17, 18 должны быть больше высоты зеркал LV=GV×DD×NW. Это достигается при расстоянии между призмами Δl не меньше выражения

Выражения (2) и (5) для KW совпадают при GV=1, а при GH=KW дадут наиболее оптимальное размещение отверстий 14 квадратными группами. Для городских ОАТС с линиями без волоконных усилителей диапазон 1.5-1.6 мкм можно использовать на половину или полностью при полосе излучения светодиодных выходов 50-100 нм.

Возможности первого варианта приведены таблице 1, содержащей число витков KW, число волн NW, высоту призм LV и шаг DD, близкий к 100 мкм в зависимости от числа призм Р и без учета (7).

KW и DD получены из выражения (2) для β=0.5 и β=1 радиан, Δl=0.1 метра, при Δλ=1, Δλ=0.1 и Δλ=0.01 нм, для стекла из плавленого кварца, у которого в диапазоне 1.5-1.6 мкм коэффициент преломления n=1.444179 и Δn=0.00001195 на 1 нм [7].

При входных отверстиях dd=50 мкм шаг DD, близкий к 100 мкм, необходим для уменьшения влияний соседних частотных каналов.

Из таблицы видно, что теоретически можно получить разрешение с Δλ=0.01 нм и возможно более.

В реальных конструкциях придется учитывать дополнительные параметры, например, при Δλ=1, Δλ=0.1 и Δλ=0.01 нм в диапазоне шириной 50 мкм число волн NW составит 50, 500 и 5000, а при шаге DD=100 мкм высота призм будет больше 5, 50 и 500 мм. Кроме того, расстояние между призмами Δ1 должно быть по выражению (7) в 5 раз больше высоты призм для β=0.5 и в 2.5 раз больше для β=1.

Для Δλ≥0.1 нм, NW≤500 и Δl<5×50 мм первый вариант устройства даже при двух-четырех призмах может уплотнять большое число линий в ОАТС с емкостью от малой до большой.

Для Δλ=0.01 нм высота призм 500 мм и Δl=2500 мм слишком велики, но получить разрешение до NW=5000 и более волн при значительно меньших размерах призм даст второй вариант многолинейного устройства уплотнения.

Второй вариант - многокаскадное устройство уплотнения состоит из 2 или более последовательно соединенных каскадов - многолинейных устройств фиг.1-4.

В первом каскаде, аналогичном устройству уплотнения на фиг.1-3, размещение петли призм произвольно, во втором и следующих каскадах либо центральная плоскость петли перпендикулярна петле предыдущего каскада, либо направление угла α в петле должно быть противоположным петле предыдущего каскада.

В двухкаскадном устройстве для каждой линии уплотненной NW волнами первый каскад с числом витков KW(1) из выражения (2) с критерием DD×NW(1)/NW разделяет спектр сигналов в непрерывную, например, горизонтальную полосу длиной DD×NW(1)/NW. Поскольку NW(1)<NW сигналы соседних волн со сдвигом, меньшим DD наложены на соседние.

Второй каскад с KW(2) из выражения (2) с критерием DD разделяет по вертикали линейчатый спектр в прямоугольный с шириной DD×NW(l) и высотой DD×NWNW(1). При этом каждая группа из NW/NW(1) волн разворачивается по вертикали и по горизонтали с шагом DD.

Выходные отверстия предыдущего каскада по размеру и форме должны совпадать с входными для следующего, а между каскадами для создания углов α должны устанавливаться чередующиеся призмы 211 и 212, показанные на фиг.2.

Оптический тракт второго и/или следующих каскадов должен содержать хотя бы в одной петле показанное на фиг.4 зеркало 49 с плавно или ступенчато изменяющимся углом наклона.

Призмы по-разному отклоняют каждую из NW(1) вертикальных групп волн. Группа с наименьшей длиной волны - нижняя на зеркале 49 - отклоняется больше, а группа с наибольшей длиной - верхняя на зеркале - отклоняется меньше, но зеркало 49 выравнивает их на зеркале 42 (12, 32).

В двухкаскадном втором варианте для каждой линии высота рабочей площади призмы уменьшается в NW(1) раз, а ширина равна DD×NW(1)×KW(2)

KW(2) можно уменьшить в √N раз подключением N-1 дополнительных каскадов с KW=KW(2)/√N для второго и следующих. При этом направление петли для них, как во втором каскаде, а направление бокового смещения противоположно для каждого следующего каскада.

В таблице 2 приведены размеры призм, Δl, KW, NLh, NLv, β и число каналов NC с DD=100 мкм для первого варианта при Δλ=1 и Δλ=0.1 нм и для второго двухкаскадного варианта - при Δλ=0.1 и Δλ=0.01 нм.

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

Описанные выше два варианта многолинейных устройств уплотнения предназначены для станционного оборудования, а для систем абонентского доступа и абонентских терминалов более удобны модификации первого варианта устройства уплотнения на одной и двух призмах.

На фиг.5 показаны вертикальный и горизонтальный разрезы устройства на двух зеркалах и одной или нескольких призмах. Устройство состоит из двух зеркал 51 и 52 с отверстиями для линейных 53 и абонентских окончаний 54 и призмы 55, аналогичных 11-15. Линейные 513 и станционные 514 окончания размещаются у отверстий 53 и 54 на зеркалах.

На фиг.5 показан ход лучей света справа по горизонтали и слева по вертикали, в котором петля вырождается в ломанную прямую. Для смещения света по горизонтали линейное окончание 513 установлено под углом α, например, с помощью призмы 515.

Путь лучей на фиг.5 показан для окончаний, формирующих тонкий нерасходящийся луч. Устройство для окончаний с значительной угловой апертурой, должно содержать встроенную оптическую систему, например подобную, показанной на фиг.3 из линзы 39 и призмы 310.

Зеркала 51 и 52 установлены на расстоянии с оптической длиной L, а кроме того, под небольшим углом ϕ друг к другу, на который призма 55 отклоняет свет с одной из длин волн в рабочем диапазоне устройства. Для одной призмы с преломляющим углом β=π/6=30° и стекла из плавленого кварца в середине диапазоне 1.5-1.6 мкм коэффициент преломления n=1.444179 [7], а для краев диапазона n=1.444179±0.000975. При этом угол ϕ можно получить из описанного выше выражения (0)

Устройства на фиг.5 могут использоваться для разделения оптических сигналов с NW волнами либо на N групп по NW/N волн, либо на NW волн. В первом случае отверстия на абонентском растре должны быть прямоугольными или овальными с высотой DD и шириной dd, при этом устройство разделяет соседние волны на DD/N, а во втором случае отверстия могут быть круглыми или прямоугольными.

В таблице 3, рассчитанной по неравенству (2), приведено число витков KW в тракте с оптической длиной L=10 сантиметров и одной (фиг.5) или двумя (фиг.1, 3) призмами, для прямоугольных отверстий с DD=1.0-2.5 мм и dd=0.1 мм, при шаге по длине волны Δλ=1 и Δλ=0.1 нм.

Для мультиплексоров абонентского доступа, разделяющих входной поток на N направлений, существенными параметрами являются толщина и площадь устройства S по наибольшим размерам.

Толщина устройства с одним линейным окончанием и без увеличения либо T=KW×dd для прямоугольных отверстий, либо TK=KW×DD для круглых.

В устройстве с увеличения в K раз для одного линейного окончания толщина T=KW×DD, где KW необходимое для шага DD/K, а высота для обоих случаев N×DD.

Челночный тракт с почти прямоугольной формой витка и оптической длиной петли между центрами зеркал 11, 12 L, свет проходит между зеркалами почти 3 раза, поэтому ширину примерно L/3, но высоту примерно 2×N×DD, а площадь тракта составит

Для устройства с одной призмой и