MODEL AND ALGORITHM OF A 4 × 4 OPTICAL SWITCH
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
V.A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of Sciences
(Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor; Leading Researcher of the Laboratory of Network Systems Control)
Moscow, Russian Federation
Moscow, Russian Federation
3.
V.A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of Sciences
(Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor; Leading Researcher of the Laboratory of Network Systems Control)
Russian Federation
Russian Federation
4.
Astrakhan State Technical University
(Candidate of Sciences in Technology, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Radio Communication)
Type:
Article
Pages:
from 48
to 55
Status:
Published
Received:
05.04.2019
Accepted:
25.04.2019
Published:
25.04.2019
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 621.395.74
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 621.395.74
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
Language:
Russian
Keywords:
optical switch, Bragg filter, frequency detector, buffer device, switching element, metamaterial, ferrite films
Abstract (English):
The main objective in improving optical communication systems, which are widely developed nowadays, is a solution of the problem of operation speed of the entire commutation system, which is limited by quick action of the outer elements of the management system. There have been presented the structure and algorithm of a radically new commutation system based on the 4x4 optical switch operation. The specific feature of the switch operation is the lack of external control over switching process. The operation principle of the main element of the 4×4 optical switch - an optical switching element - has been considered. The switching element is a photonic crystal consisting of a layer of metamaterial, a dielectric substance and ferrite films. The results of the numerical simulation of the switch are presented. The analysis of results allows to infer that the proposed switch can be used in modern communication systems.
The main objective in improving optical communication systems, which are widely developed nowadays, is a solution of the problem of operation speed of the entire commutation system, which is limited by quick action of the outer elements of the management system. There have been presented the structure and algorithm of a radically new commutation system based on the 4x4 optical switch operation. The specific feature of the switch operation is the lack of external control over switching process. The operation principle of the main element of the 4×4 optical switch - an optical switching element - has been considered. The switching element is a photonic crystal consisting of a layer of metamaterial, a dielectric substance and ferrite films. The results of the numerical simulation of the switch are presented. The analysis of results allows to infer that the proposed switch can be used in modern communication systems.
Keywords:
optical switch, Bragg filter, frequency detector, buffer device, switching element, metamaterial, ferrite films
optical switch, Bragg filter, frequency detector, buffer device, switching element, metamaterial, ferrite films
В связи с увеличением объема передаваемой информации и повышением требований к качеству предоставляемых телекоммуникационных услуг возникает необходимость создания перспективных устройств передачи данных, основанных на использовании оптических систем обработки информации [1]. В последнее время разработки в области оптических систем связи получили достаточно широкое развитие [2-5]. В частности, много исследований посвящено вопросам оптической коммутации [6]. Тем не менее, построение полностью оптических систем обработки информации на сегодняшний день является нерешенной задачей. Это связано с тем, что вне зависимости от быстродействия предлагаемых схемных решений управление процессом коммутации осуществляется во внешнем электронном устройстве, следовательно, быстродействие всей коммутационной системы ограничено быстродействием электронных элементов системы управления. В данной работе описаны основы построения принципиально новых оптических коммутационных систем на примере схемы оптического коммутатора 4 × 4. Важной отличительной особенностью предлагаемых систем является то, что настройка коммутатора осуществляется с использованием внутренних устройств управления, а управляющая информация заложена непосредственно в оптическом пакете данных. Таким образом, представляемый тип систем исключает обмен информацией с внешними электронными устройствами, что существенно увеличивает быстродействие. Создание коммутаторов такого типа стало возможным благодаря практическому применению физических свойств оптических структур, ранее не использовавшихся в этих целях. Схема оптического коммутатора 4 × 4 Структурная схема описываемого коммутатора представлена на рис. 1. Рис. 1. Структурная схема коммутатора 4 × 4: ЛЗ - линия задержки; ОИУ - оптическое интегральное устройство; ФБ - фильтр Брэгга; ЧД - частотный детектор; ОС - отклоняющая система; ФУС - формирователь оптического сигнала Оптический коммутатор 4 × 4 включает в себя буферное устройство и элемент коммутации. Входной оптический пакет данных, состоящий из управляющего сигнала, передаваемого на длине волны lс, и информационного сигнала, передаваемого на длине волны li, через буферное устройство поступает на вход элемента коммутации, а именно в фильтр Брэгга (ФБ), где происходит разделение направления оптических сигналов: управляющий сигнал поступает на частотный детектор (ЧД), а информационный сигнал поступает на отклоняющую систему (ОС). Отклоняющая система представляет собой фотонный кристалл. Частотный детектор преобразует частоту управляющего сигнала в его амплитуду. Амплитудно-модулированный оптический сигнал с частотного детектора поступает на формирователь оптического сигнала (ФУС), где происходит преобразование амплитуды оптической волны в управляющий сигнал. Управление может осуществляться посредством электрического, магнитного или светового сигнала. Четыре значения управляющего сигнала определяют четыре режима работы ОС, а значит, информационный сигнал может быть направлен на один из четырех выходов. Так, первому выходу соответствует комбинация длин волн l1l1, второму выходу соответствует комбинация l1l2, третьему выходу соответствует комбинация l2l1, четвертому выходу соответствует комбинация l2l2. Буферное устройство состоит из четырех линий задержки (ЛЗ), управляемых оптическим интегральным устройством (ОИУ), которое выполняет функцию мультиплексора сигналов. Каждая из 4-х линий задержки подключена ко входу ОИУ. Если на один из входов оптической ячейки поступил оптический сигнал, то сигналы на трех других входах задерживаются в ЛЗ и на вход ОИУ не поступают. Таким образом обеспечивается временное разделение сигналов. Далее сигнал поступает на вход элемента коммутации, где в зависимости от значения управляющего сигнала он будет передан на один из 4-х выходов коммутатора. Алгоритм работы коммутатора 4 × 4 Коммутатор 4 × 4 функционирует согласно следующему алгоритму. В момент времени t1 начинается процесс настройки коммутатора. Для этого по набору значений управляющих сигналов li и lj, выбираемых из заголовка пакета, происходит определение номера выхода коммутатора yk. Переменная k может принимать значения от 1 до 4, и ее значение зависит от комбинации значений переменных i и j. Так, например, k = 1 при i = 1 и j = 1, а k = 3 при i = 2 и j = 1. Номер входа задается в начале работы системы в момент поступления управляющего сигнала (Н. п. - начало передачи пакета) на заданный вход коммутатора. Алгоритм работы коммутатора 4 × 4 представлен на рис. 2. Рис. 2. Алгоритм работы коммутатора 4 × 4 На рис. 3 представлена временная диаграмма передачи сигналов в коммутаторе 4 × 4. Рис. 3. Временная диаграмма передачи сигналов в коммутаторе 4 × 4: ТИ - тактовые импульсы; Н. п. - начало передачи пакета; К. п. - конец передачи пакета После установления канала связи между заданным входом и заданным выходом в момент времени t2 происходит передача полезной информации («Нагрузка»). Чтобы избежать наложения одних управляющих сигналов на другие, а также информационных сигналов на управляющие, сигналы разделены во времени защитными временными интервалами tз.и 1, tз.и 2, tз.и 3, tз.и 4. Окончание передачи оптического пакета фиксируется импульсом К. п. (конец передачи пакета). Принцип работы переключающего элемента 1 × 4 Основным элементом оптического коммутатора 4 × 4 является переключающий элемент (отклоняющая система ОС), имеющий 1 вход и 4 выхода. Ранее авторами были предложены переключающие элементы, работающие на отражение [7] и прохождение сигнала [8]. Основными недостатками переключающей системы, работающей на отражение, являются небольшое пространственное разнесение информационных сигналов, малое быстродействие и необходимость использования четырех различных по величине управляющих сигналов. В основе переключающей системы, работающей на прохождение, лежит свойство метаматериалов преломлять оптический луч под отрицательным углом, благодаря чему достигается большое пространственное разнесение информационных сигналов [9]. Ранее метаматериалы уже применялись для разработки переключающих элементов [8, 10, 11]. Однако в данной работе предлагается принципиально новый оптический переключатель, выполненный на основе оптического метаматериала и оптически прозрачных ферритовых пленок [12], который содержит меньшее число слоев за счет использования свойства феррита отклонять луч под отрицательным углом [13]. Структура данного переключающего элемента показана на рис. 4. Рис. 4. Структура переключающего элемента 1 × 4 Структура переключающего элемента состоит из 4-х слоев: I и IV - слои оптически прозрачной ферритовой пленки, II - слой метаматериала, III - обычный диэлектрический слой. При воздействии на слой феррита различных по величине управляющих магнитных полей оптический информационный луч будет отклоняться как в положительном, так и в отрицательном направлении [13]. Таким образом, луч может распространяться вдоль направлений 1 или 2 при подборе подходящих параметров феррита и величины управляющего магнитного поля. Следует отметить, что волновой фронт будет направлен под положительным углом как для случая 1, так и для случая 2, в то время как направление вектора Пойнтинга (направление распространения мощности оптического сигнала) может быть как положительным (случай 2), так и отрицательным (случай 1). Это позволяет получить достаточно большое пространственное разделение информационных сигналов уже в первом слое феррита-граната. Дополнительное пространственное разделение информационных сигналов происходит в слое метаматериала II и диэлектрика III. Далее информационные лучи дополнительно разделяются в слое оптически прозрачного феррита IV в зависимости от величины приложенного управляющего магнитного поля. Таким образом, если поле Н1 приложить к слою I, а поле Н2 приложить к слою IV, информационный сигнал будет распространяться по пути 2 - 4 - 7 и появляться на 3-м выходе. Аналогично, если поле Н2 приложить к слою I, а поле Н1 приложить к слою IV, информационный сигнал будет распространяться по пути 1 - 3 - 6 и появляться на 2-м выходе. Численное моделирование оптической ячейки В этом разделе представлены результаты численного моделирования оптической ячейки. Прежде всего, анализируется пространственное разнесение информационного пучка при толщине ферритовой пленки (YBiCa)3(FeGe)5O12, равной 2 мкм [14]. На рис. 5 представлена зависимость величины угла наклона вектора Пойнтинга от величины магнитного поля и угла падения. Рис. 5. Зависимость величины угла наклона вектора Пойнтинга αS от величины магнитного поля H и угла падения αпад Из представленной зависимости следует, что этот угол может быть как положительным, так и отрицательным. Для расчета представляемого коммутационного элемента выбран угол падения 40°. Для этого случая зависимость угла наклона вектора Пойнтинга от внешнего магнитного поля приведена на рис. 6. Рис. 6. Зависимость угла прохождения вектора Пойнтинга от магнитного поля смещения Из рис. 6 видно, что угол прохождения вектора Пойнтинга равен 10° для Н = 10,25 × 105 А/м, а угол наклона вектора Пойнтинга равен -10° для Н = 9,8 × 105 А/м. Пространственное смещение каждого луча aферр = d × tg = 0,353 мкм, и тогда результирующее пространственное разнесение между лучами 1 и 2 равно 0,706 мкм. Дополнительное разнесение в слое метаматериала толщиной 1 мм составляет 123 мкм, а в обычном диэлектрике - 117 мкм. Поэтому результирующее отклонение между лучами 3 и 4 составляет 243,706 мкм. Это значение является минимальным разнесением информационных лучей на выходах коммутационной структуры. Так как диаметр сердцевины оптического волокна составляет около 100 мкм, полученное значение пространственного разнесения сигналов может исключить взаимное влияние каналов. Важным моментом для любой оптической системы являются потери в ее элементах. Зависимость коэффициентов отражения структуры первого и второго каналов от величины поля смещения представлена на рис. 7. Рис. 7. Зависимость коэффициентов отражения структуры первого и второго каналов от величины поля смещения Из графика зависимости коэффициентов отражения первого и второго каналов от величины поля смещения следует, что коэффициент отражения меньше 0,4, что позволяет сделать вывод о прохождении информационных оптических сигналов через структуру переключающего элемента. Для уменьшения мощности отраженного сигнала в дальнейшем целесообразно использовать многослойные структуры гранат-диэлектрик вместо однородных слоев и согласующие пленки. Аналогичные зависимости могут быть получены для третьего и четвертого каналов. Заключение Проведено численное моделирование и разработан алгоритм работы оптического коммутатора 4 × 4. Особенностью принципа работы оптического коммутатора 4 × 4 является его самонастройка и отсутствие внешнего управления процессом коммутации. Переключающий элемент 1 × 4, лежащий в основе коммутатора 4 × 4, выполнен на основе метаматериала и оптически прозрачных ферритовых пленок и осуществляет пространственное разнесение информационных сигналов под действием управляющего магнитного поля. Из результатов подбора материалов и толщин слоев переключающей структуры, а также проведенных численных расчетов пространственного отклонения информационных сигналов и коэффициентов отражения следует, что пространственного отклонения, равного 203 мкм, будет достаточно для дальнейшей передачи информационных сигналов на выходы оптических волокон.
1. Maier M. Optical Switching Networks. Cambridge University Press, 2008. 244 p.
2. Hwang H. Y., Lee J. S., Seok T. J., Forencich A., Grant H. R., Knutson D., Quack N., Han S., Muller R. S., Papen G. C., Wu M. C., O’Brien P. Flip Chip Packaging of Digital Silicon Photonics MEMS Switch for Cloud Computing and Data Centre // IEEE Photonics Journal. 2017. V. 9. N. 3. P. 1-10.
3. How Yuan Hwang, Morrissey P., Su Lee J., Henriksson J., Tae Joon Seok, Ming C. Wu, O’Brien P.x 128 Silicon Photonic MEMS Switch Package using Glass Interposer and Pitch Reducing Fibre Array // IEEE 19th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC) (Singapore, 6-9 December, 2017). P. 1-4.
4. Chai Z., Hu X., Wang F., Niu X., Xie J., Gong Q. Ultrafast all-optical switching // Advanced Optical Materials. 2016. N. 5. P. 21.
5. Barabanova E. A. Opticheskaya dvuhkaskadnaya kommutacionnaya sistema dlya obrabotki bol'shih ob'emov dannyh // Nauch. vestn. Novosib. gos. tehn. un-ta. 2018. № 1 (70). S. 7-18.
6. Bawab E. Optical switching. Boston: Springer, Science and Business inc., 2006. 451 p.
7. Pat. RF № 179015. Fotonnaya kommutacionnaya yacheyka / Barabanova E. A., Vytovtov K. A., Barabanov I. O., Mal'ceva N. S.; opubl. 25.04.2018.
8. Pat. RF № 186690. Fotonnaya kommutacionnaya yacheyka na osnove metamateriala / Barabanova E. A., Vytovtov K. A.; opubl. 29.01.2019.
9. Veselago V. G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ // Sov. Phys. Usp. 1968. N. 10 (4). P. 509-514.
10. Gholipour B., Zhang J., MacDonald K. F., Hewak D. W., Zheludev N. An All-Optical, Non-Volatile, Birectional, Phase-Change Meta Switch // Adv. Mater. 2013. V. 25. P. 3050-3054.
11. Barabanova E. A., Vytovtov K. A., Maltseva N. S., Kravchenko O. V., Kravchenko V. F. Models and algorithms of optical switching systems with decentralized control // 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2019 ElConRus) (St. Petersburg, January 28-31, 2019). St. Petersburg, 2019. P. 64-68.
12. Krinchik G. S., Chetkin M. V. Transparent ferromagnetic // Usp. Fis. Nauk. 1969. V. 98. N. 1. P. 3-25.
13. Silin R. A. Neobychnye zakony prelomleniya i otrazheniya. M.: FAZIS, 1999. 80 c.
14. Kalanadzde L. Magneto-Optical Properties in Transparent Region of Implanted Garnet Film // International Science Index, Physical and Mathematical Sciences. 2017. V. 11. N. 8. P. 339-342.
