Патент на изобретение №2279111
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) МНОГОКРАТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СОЕДИНИТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) И ОПТИЧЕСКАЯ КОММУТАЦИОННАЯ СИСТЕМА
(57) Реферат:
Варианты соединителя содержат К×М источников и K×N приемников оптических сигналов, между источниками и приемниками установлена одна группа из K×M×N оптических ключей, а между источниками и ключами установлен светоразветвитель изображения всех источников, содержащий N групповых светонаправляющих элементов. По первому варианту между ключами и приемниками установлен сумматор, состоящий из светоразветвителя с М групповыми светонаправляющими элементами и маски с K×N отверстиями перед приемниками. По второму варианту между ключами и приемниками, объединенными в группы по R, установлен растр из K/R сумматоров изображений М групп ключей. Оптическая коммутационная система содержит коммутационные каскады. Коммутационные каскады – это предложенные выше оптические соединители, а между несколькими внутренними и на выходе последнего установлены каскады, состоящие из светоразветвителя и маски. Технический результат – увеличение емкости оптического соединителя, уменьшение в нем потерь света и его габаритов. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 10 табл., 3 ил.
Изобретение относится к технике телефонной связи и может быть использовано для пространственной оптической коммутации телефонных и широкополосных видеотелефонных сигналов, а также больших массивов мультимедийной информации и данных. Известны многократные координатные соединители – МКС, используемые в координатных АТС [1], например МКС 20×20×3 содержит в одном корпусе 20 полнодоступных коммутационных матриц 1×20 (1 вход и 20 выходов) с общими элементами для выбора пути. МКС используются в многокаскадных (многозвенных) коммутационных системах [5]. Недостатком электромеханических МКС являются большие габариты, очень большой объем монтажных соединений и невозможность прямой коммутации оптических сигналов из оптоволоконных линий, поскольку МКС электромеханический прибор. Известна электронно-оптическая коммутационная матрица [2] с М входами и N выходами, содержащая для каждого из М входов дешифратор 1×N, к которому подключен массив из N источников оптических сигналов – светодиодов. Оптические выходы М светодиодных массивов связаны с выходным массивом из N приемников оптических сигналов – фотодиодов сумматором из М линз. Известна электронно-оптическая коммутационная матрица [3] с М входами и N выходами, содержащая М источников оптических сигналов – светодиодов по одному для каждого входа и по массиву из М приемников оптических сигналов – фотодиодов для каждого из N выходов. Оптический выход каждого светодиода связан светоразветвителем – пучком из N оптоволоконных световодов с одним фотодиодом в каждом из N массивов. Выходы фотодиодов в каждом массиве через мультиплексор N×1 подключены к своему выходу матрицы. По мнению автора, возможная емкость матриц [2, 3] до 256×256, поэтому использовать ее в АТС можно только в многокаскадной коммутационной системе. Недостатком матриц [2, 3] является невозможность прямой коммутации оптических сигналов из оптоволоконных линий, поскольку коммутацию в них выполняют электронные схемы дешифраторы или мультиплексоры. Матрицы [2, 3] содержат излишне большое число светодиодов или фотодиодов, кроме того, для объединения их в коммутационную систему потребуется большой объем монтажных соединений их друг с другом, отдельных для каждого входа/выхода. Прототип предлагаемых соединителей – многократный оптический соединитель [4], выполняющий функции К коммутационных матриц, содержащий К×М источников и K×N приемников света. В качестве источников используются оптические выходы волоконных линий либо светодиоды, а в качестве приемников – оптические входы волоконных линий либо фотодиоды. Между источниками и приемниками установлена M+N-1 группа по К×М оптических ключей. Между источниками и ключами установлен светоразветвитель изображения источников на M+N-1 направлений, а между ключами и приемниками установлен сумматор изображения M+N-1 групп ключей. В [4] светоразветвитель и сумматор состоят из групповых устройств линзовых растров или призм, содержащих по M+N-1 линз или граней призмы. Прототип предназначен для создания коммутационных систем средней и большой емкости от 5000 до 150000 и более входов/выходов для АТС и узлов исходящих и/или входящих связей. Недостатком прототипа соединителя, содержащего K×M×(M+N-1) оптических ключей, является неудачное использование ключей, из которых будет работать только K×M×N или около половины, а также потери световой энергии в M+N-1 раз, что почти вдвое больше минимально возможных М или N. Кроме того, в прототипе разветвление изображений входов и выходов каждой матрицы осуществляется по одной координате, а угол отклонения изображений в разветвителе и сумматоре больше углового размера каждой группы ключей, что требует либо существенного увеличения длины соединителя при больших М и/или N, либо усложнения проекционных систем разветвителя и сумматора. Прототипом предлагаемой коммутационной системы является оптическая пространственная коммутационная система [4], состоящая из S однозвенных коммутационных каскадов (многократных оптических соединителей), образующих в каждом каскаде i по K(i) коммутационных матриц с М(i) входами и N(i) выходами в каждой, причем оптические соединители связаны друг с другом групповыми устройствами межкаскадной связи, общими для всех оптических цепей каскада. Недостатком прототипа коммутационной системы при том же числе оптических ключей являются либо меньшая емкость системы и меньшие размеры коммутационных матриц M×N, либо большее число коммутационных каскадов S, а также большие габариты соединителей из-за неэффективного использования ключей и большого угла отклонения изображений в соединителях. Целью предлагаемых технических решений является: – увеличение почти вдвое емкости оптического соединителя либо K(i), либо M(i), либо N(i) при тех же оптических ключах, что и в прототипе, – уменьшение потерь света в оптическом соединителе до минимально возможного, – уменьшение габаритов оптических соединителей для коммутационных систем малой и средней емкости, – создание оптических коммутационных систем малой и средней емкости из S коммутационных каскадов на предлагаемых оптических соединителях с S, меньшим, чем в прототипе. В заявке предложены два варианта многократных оптических соединителей. Поставленная цель в первом варианте соединителя с пространственным разделением каналов, образующем К коммутационных матриц с М входами и N выходами в каждой, содержащем К×М источников и K×N приемников оптических сигналов, достигается тем, что между источниками и приемниками установлен один массив из K×M×N оптических ключей, кроме того, между источниками и оптическими ключами установлен светоразветвитель изображения всех источников, содержащий N групповых светонаправляющих элементов, а между ключами и приемниками установлен сумматор изображения ключей, содержащий светоразветвитель с М групповыми светонаправляющими элементами, общими для всех ключей, и маску, содержащую K×N отверстий для приемников. В соединителе из К=К1×К2 коммутационных матриц, М=М1×М2 источников и N=N1×N2 приемников соответственно K1, M1 и N1 размещены вдоль строк и К2, М2 и N2 вдоль столбцов в двумерных массивах размером K×M×N позиций, причем L=L1×L2 источников соседних матриц объединены в группы по L1 в соседних столбцах и по L2 в соседних строках с промежутками между группами по L1×(N1-1) столбцов и по L2×(N2-1) строк, a R=R1×R2 приемников соседних матриц объединены в группы по R1=L1×N1 в соседних столбцах и по R2=L2×N2 в соседних строках с промежутками между группами по R1×(N1-1) столбцов и по R2×(N2-1) строк, где L лежит в пределах от 1 до К. Светонаправляющие элементы разветвителя между источниками и ключами образованы либо составной линзой, содержащей N линзовых сегментов с отдельными для каждого сегмента оптическими центрами, либо из общей линзы и призмы с N наклонными светонаправляющими гранями и основанием или центральной плоскостью, параллельными центральной плоскости линзы, а расположение оптических центров сегментов, либо угол наклона светонаправляющих граней призмы установлены так, что пути световых лучей от центра массива источников к массиву оптических ключей идут через каждый элемент к одной из N точек, смещенных от центра массива ключей на расстояния от DI=DI1×d до DI=(DI1+L1×(N1-1))×d по горизонтали или от DI=DI2×d до DI=(DI2+L2×(N2-1))×d по вертикали, где d шаг между соседними ключами, а DI1 и DI2 начальные смещения. Светонаправляющие элементы светоразветвителя между ключами и маской образованы либо составной линзой, содержащей М линзовых сегментов с отдельными для каждого сегмента оптическими центрами, либо из общей линзы и призмы с М наклонными светонаправляющими гранями и основанием или центральной плоскостью, параллельными центральной плоскости линзы, а расположение оптических центров сегментов, либо угол наклона светонаправляющих граней призмы установлены так, что пути световых лучей от центра массива ключей к маске идут через каждый элемент к одной из М точек, смещенных от центра маски на расстояния от DR=DR1×dr до DR=(DR1+R1×(M1-1))×dr по горизонтали и от DR=DR2×dr до DR=(DR2+R2×(M2-1))×dr по вертикали, где dr шаг между соседними приемниками, a DR1 и DR2 – начальные смещения, кроме того, в маске отверстия размещаются перед приемниками с единичным шагом dr группами по R1 вдоль строк с промежутками между группами R1×(N1-1) и группами по R2 вдоль столбцов с промежутками R2×(N2-1). Поставленная цель во втором варианте соединителя с пространственным разделением каналов, образующем К коммутационных матриц с М входами и N выходами в каждой, содержащем К×М источников и K×N приемников оптических сигналов, достигается тем, что между источниками и приемниками установлен один массив из K×M×N оптических ключей, причем источники и приемники размещены в двумерных массивах размером K×M×N позиций, кроме того, между источниками и оптическими ключами размещен светоразветвитель изображения источников, который содержит N групповых светонаправляющих элементов, общих для всех источников, а между ключами и приемниками размещен растр из K×N/R сумматоров изображения групп из R×M ключей, каждый из которых содержит по М групповых светонаправляющих элементов, общих для R/M ключей группы, где R принимает значения от N до К. Растр сумматоров установлен вплотную к массиву ключей или вблизи от него. Каждый сумматор растра состоит либо из составной линзы с М сегментами с отдельными для каждого сегмента оптическими центрами, либо из призмы с М наклонными гранями и общей для всех сумматоров линзой, причем смещение оптических центров сегментов или угол наклона граней призм таковы, что пути световых лучей от центра каждой из М суммируемых групп по R ключей идут в центр ее группы из R приемников. В соединителе из К=К1×К2 коммутационных матриц, М=М1×М2 источников и N=N1×N2 приемников соответственно K1, M1 и N1 размещены вдоль строк и К2, М2 и N2 вдоль столбцов в двумерных массивах размером K×M×N позиций, причем L=L1×L2 источников соседних матриц объединены в группы по L1 в соседних столбцах и по L2 в соседних строках с промежутками между группами по L1×(N1-1) столбцов и по L2×(N2-1) строк, a R=R1×R2 приемников соседних матриц объединены в группы по R1=L1×N1 в соседних столбцах и по R2=L2×N2 в соседних строках с промежутками между группами по R1×(N1-1) столбцов и по R2×(N2-1) строк, где L лежит в пределах от 1 до К. Светонаправляющие элементы разветвителя между источниками и ключами образованы либо составной линзой, содержащей N линзовых сегментов с отдельными для каждого сегмента оптическими центрами, либо из общей линзы и призмы с N наклонными светонаправляющими гранями и основанием или центральной плоскостью, параллельными центральной плоскости линзы, а расположение оптических центров сегментов, либо угол наклона светонаправляющих граней призмы установлены так, что пути световых лучей от центра массива источников к массиву оптических ключей идут через каждый элемент к одной из N точек, смещенных от центра массива ключей на расстояния от DI=DI1×d до DI=(DI1+L1×(N1-1))×d по горизонтали или от DI=DI2×d до DI=(DI2+L2×(N2-1))×d по вертикали, где d шаг между соседними ключами, а DI1 и DI2 начальные смещения. Первый вариант соединителя проще по конструкции, но даст потери света в M×N раз. Второй вариант даст минимально возможные потери света в N раз, но требует более сложной технологии для изготовления сумматоров. Первый вариант соединителя можно использовать в первых каскадах коммутационной системы при малых значениях L, а второй – в следующих каскадах с большими значениями L. Поставленная цель в предлагаемой оптической коммутационной системе, содержащей К×М источников и K×N приемников оптических сигналов – оптических выходов и входов оптоволоконных линий и/или электрооптических и оптоэлектрических преобразователей сигналов, размещенных в узлах двумерных массивов, между которыми установлены S коммутационных каскадов (многократных оптических соединителей), образующих в каждом каскаде i по K(i) коммутационных матриц с M(i) входами и N(i) выходами в каждой, а во входном окне первого каскада, между каскадами и в выходном окне последнего установлены групповые устройства межкаскадной связи либо пассивные пропускающие свет экраны, либо усилители яркости изображений, у которых одна сторона экрана/усилителя каскада i+1 – массив промежуточных приемников для каскада i, а другая – массив промежуточных источников для каскада i+1, достигается тем, что коммутационные каскады выполнены по п.1 и/или 5, а на выходе последнего каскада и/или между частью каскадов установлены восстанавливающие каскады, состоящие из светоразветвителя на N направлений и из маски с K×N отверстиями. В восстанавливающих каскадах, например на выходе каскада 1, с приемниками, объединенными в группы по R(i), светоразветвитель содержит N(i) групповых светонаправляющих элементов, установленных так, что изображения всех приемников смещаются от центра маски на расстояния соответственно по горизонтали от DS1 до DS1+(R1(i)-1)×(N1(i)-1) с шагом R1(i)-1 и по вертикали соответственно от DS2 до DS2+(R2(i)-1)×(N2(i)-1) с шагом R2(i)-1, где DS1 и DS2 – начальные смещения, а маска содержит K(i)×N(i) отверстий, размещенных по горизонтали с шагом N1(i) и по вертикали N2(i). На фиг.1 приведена оптическая схема первого варианта оптического соединителя. На фиг.2 приведена оптическая схема второго варианта оптического соединителя. На фиг.3 приведена блок-схема оптической коммутационной системы. В таблицах 1-9 приведен пример расположения источников, ключей и приемников для трех каскадной оптической коммутационной системы. В таблице 10 приведены параметры оптических коммутационных систем для различных конфигураций оптических ключей и емкости коммутационных матриц. На фиг.1 приведена оптическая схема фрагмента горизонтальной координаты многократного оптического соединителя с разветвителями на составных линзах с параметрами К=2×1, М=2×1 и N=2×1, где первые значения параметров – по горизонтали, а вторые – по вертикали. Во входном окне 1 оптический соединитель содержит точечные источники а1, а2 и а3, а4 входы двух независимых полнодоступных коммутационных матриц, а в выходном 9 – приемники оптических сигналов – выходы этих матриц соответственно в1, в2 и в2, в4. Между окнами 1 и 9 установлены светоразветвитель изображения источников на N1=2 направлений, панель оптических ключей 5, второй светоразветвитель на M1=2 направлений и маска 8. Первый светоразветвитель состоит из составной линзы 2, содержащей N1=2 светонаправляющих сегмента из частей двух линз 3. Каждый сегмент имеет свой оптический центр, размещенный так, чтобы его побочная оптическая ось [6] соединяла центр изображения источников a1-а4 с одной из точек, удаленных от центра ключей на расстояние от D1×d до (D1+L×(N1-1))×d, где d – расстояние между ключами. При этом на ключах изображения источников от одного сегмента смещаются в промежутки изображения другого сегмента. При этом побочные оптические оси сегментов от каждого источника, как показано на фиг.1, идут к его оптическим ключам, показывая центр пучка оптических сигналов от источника к каждому ключу, например от A1 к А10 и А11, а от А4 к А40 и А41. Второй светоразветвитель состоит из составной линзы 6, содержащей M1=2 светонаправляющих сегмента 7. Каждый сегмент имеет свой оптический центр, размещенный так, что его побочная оптическая ось соединяет центр изображения ключей с одной из точек на массиве приемников, удаленных от его центра на расстояние от DR1×d1 до (DR1+R×(M-1))×d1, где d1 пропорционально расстоянию между ключами. При этом изображения ключей по побочным осям сегментов объединяются на маске так, что часть их, используемая одним входом матрицы, накладывается на изображение другого входа той же матрицы, например к В1 нижний от А11 и верхний А20, а в другой части либо накладываются изображения ключей от входов разных матриц, например нижние пути от А20 и A30, либо не совпадают с другими, как верхние пути от А10 и А11. Маска 8 пропускает к приемникам первую часть суммарного изображения и удаляет вторую. Для этого отверстия в маске размещаются группами по R1=2 с шагом dr и промежутками между группами по R1×(N1-1)×dr. Перед оптическими ключами и после них для уменьшения потерь света в фокальных плоскостях сегментов могут устанавливаться линзы 4, которые направляют лучи света от светоразветвителя на ключи 5 перпендикулярно к их поверхности, а от выходов ключей отклоняют ко второму разветвителю. Кроме того, линзы 4, не показанные для упрощения схемы, могут устанавливаться и перед маской 8. На фиг.2 приведена оптическая схема горизонтальной координаты второго варианта многократного оптического соединителя с линзопризменным разветвителем и растром призменных сумматоров с параметрами К=2×1, М=2×1 и N=2×1, где первые значения параметров – по горизонтали, а вторые – по вертикали. Во входном окне 1 оптический соединитель содержит точечные источники а1, а2 и а3, а4 входы двух независимых полнодоступных коммутационных матриц, а в выходном окне 9 приемники оптических сигналов в1, в2 и в3, в4 выходы этих матриц. Между окнами 1 и 9 установлены светоразветвитель изображения всех источников на N1=2 направлений, панель оптических ключей 5, растр из K1/L1 сумматоров на M1=2 направлений 6 и общая линза 7. Кроме того, для уменьшения потерь света перед ключами может быть установлена линза 4, которая обеспечивает перпендикулярное падение лучей света на ключи. За растром сумматоров и перед выходным окном могут устанавливаться дополнительные линзы 4, отклоняющие свет к общей линзе и от нее, не показанные на фиг.2 для упрощения. Светоразветвитель состоит из линзы 2 и призмы 3 с основанием, параллельным центральной плоскости линзы, и N1=2 светонаправляющими гранями, которые установлены под таким углом к основанию, что пути света от центра изображений источников а1-а4 к панели ключей идут в N1=2 точек на панели ключей, удаленных от центра ключей на расстояния от D1×d до (D1+L×(N1-1))×d, где d расстояние между ключами. На фиг.2 для источника А1 показаны пути двух лучей к ключам А10 и А11, которые при отсутствии призмы идут, как показано пунктиром, в точку между ключами. Призма отклоняет лучи, идущие от каждого источника через разные грани к N=2 ключам. При этом на ключах изображения источников от одной грани смещаются в промежутки изображения от другой грани. Растр сумматоров состоит из K1/L1=2 призм 6 с M1=2 светонаправляющими гранями 7, установленных вплотную к панели ключей или вблизи от нее. На фиг.2 пунктиром показаны продолжения путей света от ключей А31-А40 через призмы верхнего сумматора к общей линзе. При продолжении этих путей в сторону панели ключей, как бы при отсутствии призмы, пути от А30/40 и A31/41 пересекаются в точках мнимого суммарного изображения, близких к ключам А41 и А30. Лучи света верхних призм линза 8 фокусирует на окне 9 так же, как от точек мнимого суммарного изображения каждого сумматора при отсутствии призм по побочным оптическим осям линзы 8 к выходному окну 9. На фиг.2 для растра сумматоров показаны вогнутые призмы, поскольку с ними легче показать ход лучей, но можно использовать и выпуклые призмы или составные линзы с оптическими центрами, близкими к центру своего сумматора. В качестве оптических ключей (“разговорных контактов”) могут использоваться матричные индикаторные панели, работающие на просвет, например на жидких кристаллах или электрооптической керамике. В реальных конструкциях оптических соединителей источники оптических сигналов во входном окне 1 размещены по двум координатам группами по L=L1×L2 в узлах квадратного или прямоугольного массива размером K×M×N с промежутками между группами по L1×(N1-1) по горизонтали и L2×(N2-1) по вертикали. Геометрически подобно этому массиву размещены K×M×N оптических ключей на панели 5. Между окном 1 и ключами установлен светоразветвитель на N=N1×N2 направлений, а между ключами и окном 9 установлен либо общий сумматор на М=М1×М2 направлений из разветвителя и маски с K×N отверстиями, либо растр из K/L сумматоров на М=М1×М2 направлений в каждом. Светоразветвитель изображения источников, например, на составной линзе с N=N1×N2 сегментами, настроен так, что его оптические оси соединяют центр окна 1 с N=N1×N2 точками на панели оптических ключей 5, смещенными от центра панели на расстояния от D=D1×d до D=(D1+L1×(N1-1))×d вправо и влево и/или от D=D2×d до D=(D2+L2×(N2-1))×d вверх и вниз. Общий сумматор настроен так, что его оптические оси соединяют центр панели ключей с точками окна 9, удаленными от его центра на расстояние от DO=DO1×dr до DO=(DO1+R1×(M1-1))×dr вправо и влево и/или от DO=DO2×dr до DO=(DO2+R2×(M2-1))×dr вверх и вниз, а фокусные расстояния линз разветвителя и сумматора выбираются так, чтобы окна и ключи находились в их фокальных плоскостях. Сумматоры растра настроены так, что оптические оси от центров суммируемых групп ключей идут к центру их группы приемников. Работу соединителя можно проследить по оптической схеме на фиг.1. В исходном состоянии устройство управления, не показанное на фиг.1, закрывает все ключи, и они не пропускают свет. Для установления соединений, например а1-в2, а2-в1 и а4-в3, устройство управления отпирает ключи А10, А20 и А31, а все остальные ключи заперты. Через эти ключи образуются соответственно пути для оптических сигналов а1-А10-в2, а2-А20-в1 и а4-А31-в3. В течение всего времени каждого соединения устройство управления удерживает ключ, используемый им открытым, а по окончании соединения закрывает его ключ. Серийно выпускающиеся сегодня индикаторные панели на жидких кристаллах содержат от 240×160 до 640×480 точек – оптических ключей. Такие панели с драйверами, контролером и оперативной памятью имеют габариты от 100×90 до 200×150 мм. При разработке панелей специально для коммутационных систем их габариты будут меньше, а число ключей больше. Но даже для таких панелей, как будет показано ниже, один соединитель сможет выполнять функции нескольких тысяч коммутационных матриц. На фиг.3 приведена в качестве примера блок-схема оптической коммутационной системы на многократных оптических соединителях, которая содержит S=3 коммутационных каскада 17а-17с со следующими параметрами для каждого К=16, М=4 и N=4, что дает 64 входа/выхода и восстанавливающий каскад 18. Каждый коммутационный каскад – это многократный оптический соединитель, построенный по схеме, показанной на фиг.1 или 2, с линзами или призмами из четырех сегментов. Источниками/приемниками оптических сигналов для коммутационной системы могут быть оптические входы/выходы оптоволоконных линий и/или электрооптические преобразователи, например светодиоды и фотодиоды. На фиг.3 для упрощения чертежа в качестве источников и приемников показаны светодиоды 15 и фотодиоды 16. Массивы из 64 источников и приемников располагаются в узлах двухкоординатной сетки 16×16 на параллельных плоскостях с постоянным шагом 2, а между ними установлены оптические коммутационные каскады 17а-17с и восстанавливающий каскад 18. На входе первого каскада, между каскадами и на выходе последнего каскада установлены групповые устройства межкаскадной связи либо пассивные экраны 20, например матовые стекла или световодные пластины, либо активные экраны-усилители яркости изображений 21, установленные перед окнами 1 и после окон 9 соединителей, показанных на фиг.1 и/или 2. В качестве световодных пластин с К×М световодами могут использоваться, например, либо непрозрачные пластины с отверстиями, прожженными лазером, либо оптоволоконные шайбы из многомодовых волокон. Изображение на левой стороне экрана 20/21, установленного за каскадом с номером i, – массив межкаскадных приемников каскада i, а на правой – массив межкаскадных источников каскада i+1. При этом каждый экран 20/21 выполняет функции массива всех межкаскадных соединительных линий. Изображение источников входной объектив 19 направляет на экран первого каскада, а с выходного экрана/усилителя 21 последнего каскада 18 оптические сигналы объектив 22 направляет на матрицу приемников 16. Управляет работой всех коммутационных каскадов центральное устройство управления 23. Для усиления яркости изображений в коммутационной системе можно использовать либо полупроводниковые матрицы со структурой фототранзистор – светодиод, либо электронно-оптические преобразователи с малым временем послесвечения люминофора. Перед полупроводниковыми усилителями внутри коммутационной системы могут устанавливаться восстанавливающие каскады, которые обеспечат однотипность и полное использование полупроводниковых матриц. В оптической коммутационной системе параметры либо каждого оптического соединителя, либо большей их части различны. Основные параметры – это направление разветвления изображений источников, направление суммирования изображения ключей, размещение источников и приемников каждой коммутационной матрицы. Для каждого каскада возможно несколько способов установки этих параметров: либо разветвление и суммирование по одной координате, либо разветвление и суммирование по разным координатам, либо разветвление и суммирование в двух направлениях. В разных каскадах коммутационной системы могут использоваться все эти способы. Размещение источников и приемников коммутационной матрицы возможно либо по одной координате, либо по двум. Настройка для разных каскадов осуществляется либо выбором светонаправляющих элементов с различными параметрами, либо установкой одинаковых элементов на различных расстояниях от источников и/или приемников. Коммутационные каскады 17а-17с различаются настройкой разветвителей и сумматоров. Показать настройку на чертеже довольно сложно, поэтому пример размещения источников, приемников и размещение изображений источников на ключах, поясняющий реализацию группообразования для каскадов 17а-17в и для восстанавливающего каскада 18, приведен в таблицах 1-9. В этом примере матрицы К=4×4, а размещение источников М=2×2, приемников N=2×2 каждой матрицы и разветвление/суммирование осуществляется по двум координатам. В таблице 1 показано размещение источников А00-А63 на входе каскада 17а с группами по L=1 и промежутками L1×(N1-1)=1 по строкам и L2×(N2-1)=1. В таблице 2 показано размещение изображений источников на панели ключей каскада 17а. Изображение каждого источника размножено на N1=2 позиций по горизонтали и N2=2 позиций по вертикали. Ключи в таблицах 2, 4 и 6 пронумерованы без буквенного символа. Первые две цифры – номер источника, а последняя цифра – номер ключа, коммутирующего данный источник. В таблице 3 показано размещение приемников каскада 17а и источников В00-В63 каскада 17в либо выделенное маской (соединитель вариант 1), либо выходное изображение матрицы сумматоров (соединитель вариант 2). Все источники каскада 17в объединены в 16 групп по L1=2 в строке и по L1=2 в столбце с промежутками L1×(N1-1)=2 по строкам и L2×(N2-1)=2 по столбцам. Ниже показаны связи выходов и входов для всех коммутационных матриц каскада 17а, причем каждый выход с одной стороны знака равенства связан со всеми входами, указанными с другой стороны.
В таблице 4 приведено размещение источников на ключах каскада 17в. В таблице 5 показано размещение приемников каскада 17в и источников каскада 17с С00-С63. Все источники каскада 17с объединены в 4 группы по L1=4 в строке и по L1=4 в столбце с промежутками L1×(N1-1)=4 по строкам и L2×(N2-1)=4 по столбцам. Ниже показаны связи С00-С63 с входами каскадов 17в и 17а:
В таблице 6 приведено размещение источников на ключах каскада 17с. В таблице 7 показано размещение приемников каскада 17с и источников каскада 18 D00-D63, объединенных в одну группу с L=64. Ниже показаны связи D00-D63 с входами каскада 17с, 17в и 17а:
В каскадах 17а-17с все выходы каждой коммутационной матрицы, как показано в таблицах 1-8 и в списках связей, связаны с входами разных матриц следующего каскада. Для коммутационных матриц с N выходами при такой настройке каскад 17а может создать только один путь от каждого входа к N=4 выходам, в 17в один путь к N×N=16 выходам и в 17с один путь к N×N×N=64 выходам. Каскады 17 дают возможность выбрать путь к любому выходу, поэтому такие каскады называют выбирающими. Размещение приемников на выходах каскадов 17а-17с различно и отличается от размещения источников на входе коммутационной системы. Каскад 18, восстанавливающий исходное размещение, состоит из разветвителя и маски. В этом каскаде изображение группы из L=L1×L2=64 источников размножается в N=2×2 раз со сдвигом всех копий изображения кроме исходной на L1-1 позицию влево и L2-1 позиций вниз (таблица 8). Из суммарного изображения маска с отверстиями Е00-Е63 выделяет пути оптических сигналов, показанные в таблице 9, от входов каскада D00-D63, пронумерованные так, что номера отверстий совпадают с соответствующими им номерами входов каскада. При этом, как показано в таблице 8, в не используемых, обозначенных как zzz, в столбце и строке происходит наложение изображений, а строка и столбец, обозначенные как ххх, остаются пустыми. При использовании восстанавливающего каскада между каскадами 17а-17с светоразветвитель размножает изображение каждой группы из L=L1×L2 источников со сдвигом от DS1 до DS1+(L1-1)×(N1-1) позиций по горизонтали и от DS2 до DS2+(L2-1)×(N2-1) позиций по вертикали, где DS1=DS2=0 – начальное смещение. Маска выделяет для каждого выхода изображения ключей с шагом N1 по строкам и N2 по столбцам. В коммутационных системах АТС для обслуживания вызовов с малыми потерями кроме выбирающих каскадов используются один или несколько смешивающих каскадов. Смешивающие каскады – это соединители с K×N выходами, в которых настройка разветвителя определяется предыдущим каскадом, а настройка сумматора повторяет один из других каскадов. Такой каскад от любого входа коммутационной системы дает N путей к каждому ее выходу. В АТС к каждому выходу с помощью смешивающих каскадов создают от 4 до 64 путей. Работу оптической коммутационной системы по фиг.3 при установлении соединений в каскадах 17а-17с и 18 рассмотрим по таблицам 1-9 и приведенным выше связям входов и выходов этих каскадов. В исходном состоянии, пока не установлены соединения, по команде устройства управления 23 во всех соединителях 17 все оптические ключи заперты. Для соединения, например, входа А00 с выходом Е63 устройство управления 23 ищет свободный путь от А00 к Е63 и определяет, что для этого соединения путь проходит через ключи 003, 033, 153, 633 и выходы В03, С15 и D63 каскадов 17а-17с. Устройство управления открывает в 17а-17с выбранные ключи. По этому пути оптические сигналы источника А00 проходят к приемнику Е63. Аналогично для соединения А13-Е56 через В14, С28, D56 отпираются ключи 132, 142, 282 и 562. Для соединения А04-Е58 через В06, С14, D58 отпираются ключи 042, 063, 142 и 582. После открытия этих ключей образуются пути, отмеченные в таблицах подчеркиванием: простым для А00-Е63, точечным для А13-Е56 и пунктирным для А04-Е58. Все время “разговора” устройство управления 23 хранит в своей памяти информацию об этих путях, а по окончании любого “разговора” выдает в каскады 17 команды закрыть ключи для его пути. Предлагаемая коммутационная система является симплексной. Для установления двухстороннего соединения между входами/выходами А и В в ней необходимо установить одновременно два соединения от А к В и от В к А. Емкость M×N коммутационных матриц в оптическом соединителе зависит от потерь света в соединителе и от усиления, которое дают усилители яркости изображений. Например, малогабаритные электронно-оптические преобразователи дают усиление до 50 раз, а с микроканальной пластиной до 500 раз. Потери света, если все экраны являются усилителями, можно оценить как
где В1 – светосила линз светоразветвителя, В2 – светосила линз сумматора. При светосиле линз светоразветвителя и сумматора порядка 1.5-2,5 и усилении 50 для первого варианта соединителей возможно создать в соединителе матрицы только 4×4, а при усилении 500 размер матрицы можно увеличить до величин от 8×8 до 16×16. Для второго варианта соединителя при усилении 50 возможны матрицы до 8×8, а при усилении 500 – матрицы до 64×64. В таблице 10 в зависимости от емкости матриц M×N для панелей, содержащих 160×240 и 640×480 оптических ключей, приведены значения числа входов/выходов K×M/K×N, общего числа коммутационных каскадов S, числа выбирающих каскадов В, числа смешивающих каскадов С и доступность – число путей от каждого входа к каждому выходу D. Кроме того, коммутационная система может содержать один каскад и выбирающий и смешивающий – В/С, для которого указано число выбираемых направлений и даваемая им доступность, а также восстанавливающий каскад, не учтенный в S. Из таблицы 10 видно, что один оптический соединитель с панелью 160×240 сможет выполнить функции каскада коммутационной системы для АТС малой и средней емкости, а с панелью 480×640 – для АТС средней и большой емкости. Источники информации 1. Автоматическая коммутация. Под редакцией О.Н.Ивановой. Москва, “Радио и связь”. 1988, Стр.64-67, рис.2.9, 2.10. 2. Патент США N4074142, 14.02.1978, фиг.1, фиг.2. 3. Патент США N4074142, 14.02.1978, фиг.6, фиг.7. 4. Заявка РФ N2002124501. Опубликовано в бюллетене “Изобретения, полезные модели”, Москва, 2004, N9, Стр.518. 5. Автоматическая коммутация. Под редакцией О.Н.Ивановой. Москва, “Радио и связь”. 1988, Стр.225-234, рис.6.3-6.5. 6. Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Москва, “Наука”. 1965. Стр.575. Рис.V..6.6.
Формула изобретения
1. Многократный оптический соединитель с пространственным разделением каналов, образующий К коммутационных матриц с М входами и N выходами в каждой, содержащий К×М источников и K×N приемников оптических сигналов, отличающийся тем, что между источниками и приемниками установлен один массив из K×M×N оптических ключей, кроме того, между источниками и оптическими ключами установлен светоразветвитель изображения всех источников, содержащий N групповых светонаправляющих элементов, а между ключами и приемниками установлен сумматор изображения ключей, содержащий светоразветвитель с М групповыми светонаправляющими элементами, общими для всех ключей, и маску, содержащую K×N отверстий для приемников. 2. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что из К=К1×К2 коммутационных матриц, М=М1×М2 источников и N=N1×N2 приемников соответственно K1, M1 и N1 размещены вдоль строк и К2, М2 и N2 вдоль столбцов в двумерных массивах размером K×M×N позиций, причем L=L1×L2 источников соседних матриц объединены в группы по L1 в соседних столбцах и по L2 в соседних строках с промежутками между группами по L1×(N1-1) столбцов и по L2×(N2-1) строк, а R=R1×R2 приемников соседних матриц объединены в группы по R1=L1×N1 в соседних столбцах и по R2=L2×N2 в соседних строках с промежутками между группами по R1×(M1-1) столбцов и по R2×(M2-1) строк, где L лежит в пределах от 1 до К. 3. Соединитель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что светонаправляющие элементы разветвителя между источниками и ключами образованы либо составной линзой, содержащей N линзовых сегментов с отдельными для каждого сегмента оптическими центрами, либо из общей линзы и призмы с N наклонными светонаправляющими гранями и основанием или центральной плоскостью, параллельными центральной плоскости линзы, а расположение оптических центров сегментов либо угол наклона светонаправляющих граней призмы установлены так, что пути световых лучей от центра массива источников к массиву оптических ключей идут через каждый элемент к одной из N точек, смещенных от центра массива ключей на расстояния от DI=DI1×d до DI=(DI1+L1×(N1-1))×d по горизонтали или от DI=DI2×d до DI=(DI2+L2×(N2-1))×d по вертикали, где d – шаг между соседними ключами, a DI1 и DI2 – начальные смещения. 4. Соединитель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что светонаправляющие элементы светоразветвителя между ключами и маской образованы либо составной линзой, содержащей М линзовых сегментов с отдельными для каждого сегмента оптическими центрами, либо из общей линзы и призмы с М наклонными светонаправляющими гранями и основанием или центральной плоскостью параллельными центральной плоскости линзы, а расположение оптических центров сегментов, либо угол наклона светонаправляющих граней призмы установлены так, что пути световых лучей от центра массива ключей к маске идут через каждый элемент к одной из М точек смещенных от центра маски на расстояния от DR=DR1×dr до DR=(DR1+R1×(M1-1))×dr по горизонтали и от DR=DR2×dr до DR=(DR2+R2×(M2-1))×dr по вертикали, где dr – шаг между соседними приемниками, a DR1 и DR2 – начальные смещения, кроме того, в маске отверстия размещаются перед приемниками с единичным шагом dr группами по R1 вдоль строк с промежутками между группами R1×(M1-1) и группами по R2 вдоль столбцов с промежутками R2×(M2-1). 5. Многократный оптический соединитель с пространственным разделением каналов, образующий К коммутационных матриц с М входами и N выходами в каждой, содержащий К×М источников и K×N приемников оптических сигналов, отличающийся тем, что между источниками и приемниками установлен один массив из K×M×N оптических ключей, причем источники и приемники размещены в двумерных массивах размером K×M×N позиций, кроме того, между источниками и оптическими ключами размещен светоразветвитель изображения источников, который содержит N групповых светонаправляющих элементов, общих для всех источников, а между ключами и приемниками размещен растр из K×N/R сумматоров изображения групп из R×M ключей, каждый из которых содержит по М групповых светонаправляющих элементов, общих для R×M ключей группы, где R принимает значения от N до К. 6. Соединитель по п.5, отличающийся тем, что растр сумматоров установлен вплотную к массиву ключей или вблизи от него, а каждый сумматор растра состоит либо из составной линзы с М сегментами, с отдельными для каждого сегмента оптическими центрами, либо из призмы с М наклонными гранями и общей для всех сумматоров линзой, причем смещение оптических центров сегментов или угол наклона граней призм таковы, что пути световых лучей от центра каждой из М суммируемых групп по R ключей идут в центр ее группы из R приемников, где R – любые целочисленные делители К. 7. Соединитель по п.5, отличающийся тем, что из К=К1×К2 коммутационных матриц, М=М1×М2 источников и N=N1×N2 приемников соответственно K1, M1 и N1 размещены вдоль строк и К2, М2 и N2 вдоль столбцов в двумерных массивах размером K×M×N позиций, причем L=L1×L2 источников соседних матриц объединены в группы по L1 в соседних столбцах и по L2 в соседних строках, с промежутками между группами по L1×(N1-1) столбцов и по L2×(N2-1) строк, а R=R1×R2 приемников соседних матриц объединены в группы по R1=L1×N1 в соседних столбцах и по R2=L2×N2 в соседних строках, с промежутками между группами по R1×(M1-1) столбцов и по R2×(M2-1) строк, где L лежит в пределах от 1 до К. 8. Соединитель по пп.5 и 7, отличающийся тем, что светонаправляющие элементы разветвителя между источниками и ключами образованы либо составной линзой, содержащей N линзовых сегментов с отдельными для каждого сегмента оптическими центрами, либо из общей линзы и призмы с N наклонными светонаправляющими гранями и основанием или центральной плоскостью, параллельными центральной плоскости линзы, а расположение оптических центров сегментов либо угол наклона светонаправляющих граней призмы установлены так, что пути световых лучей от центра массива источников к массиву оптических ключей идут через каждый элемент к одной из N точек, смещенных от центра массива ключей на расстояния от DI=DI1×d до DI=(DI1+L1×(N1-1))×d по горизонтали или от DI=DI2×d до DI=(DI2+L2×(N2-1))×d по вертикали, где d – шаг между соседними ключами, a DI1 и DI2 – начальные смещения. 9. Оптическая коммутационная система, содержащая К×М источников и K×N приемников оптических сигналов – оптических выходов и входов оптоволоконных линий и/или электрооптических и оптоэлектрических преобразователей сигналов, размещенных в узлах двумерных массивов, между которыми установлены S коммутационных каскадов, каждый из которых состоит из многократного оптического соединителя, образующего в каждом каскаде i по K(i) коммутационных матриц с M(i) входами и N(i) выходами в каждой, а во входном окне первого каскада, между каскадами и в выходном окне последнего установлены групповые устройства межкаскадной связи, либо пассивные пропускающие свет экраны, либо усилители яркости изображений, у которых одна сторона экрана/усилителя каскада i+1 – массив промежуточных приемников для каскада i, а другая – массив промежуточных источников для каскада i+1, отличающаяся тем, что многократные оптические соединители коммутационных каскадов выполнены по п.1 и/или 5, а на выходе последнего каскада и/или между частью каскадов установлены восстанавливающие каскады, состоящие из светоразветвителя на N направлений и из маски с K×N отверстиями. 10. Коммутационная система по п.9, отличающаяся тем, что в восстанавливающих каскадах, например на выходе каскада I, с приемниками, объединенными в группы по R(i), светоразветвитель содержит N(i) групповых светонаправляющих элементов, установленных так, что изображения всех приемников смещаются от центра маски на расстояния по горизонтали от DS1 до DS1+(R1(i)-1)×(N1(i)-1) с шагом R1(i)-1 и по вертикали от DS2 до DS2+(R2(i)-1)×(N2(i)-1) с шагом R2(i)-1, где DS1 и DS2 начальные смещения, а маска содержит K(i)×N(i) отверстий, размещенных с шагом по горизонтали N1(i) и по вертикали N2(i).
РИСУНКИ
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 для первого и 
