Некоторые элементы оптоволоконной схемотехники и их

Некоторые элементы оптоволоконной схемотехники и их применение
в компьютерных сетях
Благодаря появлению дешёвых и высокоэффективных схемотехнических элементов — волновых фильтров оригинальной конструкции и других — обозначено новое направление проектирования сетей на основе оптоволоконных линий связи. В этих сетях,
как и в известных, данные передаются одновременно по нескольким каналам с их разделением по длине волны (технология WDM — Wavelength Division Multiplexing). В статье
рассмотрены идеи построения некоторых новых схемотехнических элементов и приведены примеры возможных архитектурных решений на их основе.
Прежде чем перейти к описанию новых идей построения сетей с оптоволоконными
линиями связи, рассмотрим некоторые схемотехнические элементы, во многом повлиявшие на выбор архитектурных решений. К этим элементам относятся устройства сопряжения с линиями и частотные фильтры.
Устройства сопряжения с линиями [1]
Передатчики световых сигналов в оптоволоконную линию связи
Оптические волокна используют для передачи данных, представленных световыми
импульсами. Согласно уже упоминавшейся технологии WDM, по одному и тому же оптическому волокну одновременно в противоположных направлениях могут передаваться несколько (например, 16) пар независимых потоков данных, представленных световыми импульсами определённой длины волны. Так, например, первая пара встречных потоков может передаваться световыми импульсами с длиной волны λ1, вторая, третья, …, шестнадцатая пары — импульсами с длинами волн λ2, λ3, …, λ16.
Большинство выпускаемых в настоящее время передатчиков имеют два основных
недостатка. Во-первых, при их изготовлении необходимо тщательное совмещение по трём
координатам и фиксация излучающего элемента и линзы, чтобы сфокусированный луч от
излучающего элемента попадал точно в центр торца присоединяемого оптического волокна. Это довольно сложная и дорогостоящая технологическая операция. Во-вторых, энергия отражённой части луча может нарушить стабильность работы излучающего элемента.
В более простой конструкции передатчика (рис. 1, а) нет фокусирующей системы.
Оптическое волокно 1 вводится в паз 2 корпуса 3 передатчика и продвигается по нему по
возможности до достижения контакта с выходом световода 4, который транслирует световой поток 5 от полупроводникового лазера 6 с поверхностным излучением. Из-за неидеальности контакта оптического волокна 1 со световодом 4 между ними остаётся больший
или меньший воздушный зазор 7.
Эта конструкция не лишена второго из отмеченных недостатков — влияния отражённых лучей на стабильность формирования основного светового потока. Луч 5 распространяется вдоль световода 4, на границах воздушного зазора 2 частично отражается
(стрелки 8, 9), отражённый свет возвращается в лазер 6. При достаточно высокой мощности отражённых лучей нарушается стабильность его работы. Это связано с тем, что резонансная система лазера основана на использовании световых потоков, отражённых только
от поверхностей полупроводникового кристалла, но не от каких-либо посторонних элементов передатчика.
Варианты конструкции, показанные на рис. 1, б, в, позволяют значительно уменьшить степень попадания нежелательных отражённых лучей в лазер 10. Эти варианты, по
существу, одинаковы. Световод 11 (рис. 1, б) выполнен в виде древовидной структуры с
углами наклона φ ответвлений вторичных ветвей относительно первичных, не превышающими 45°. Поток света 12 проходит через световод 11 и под некоторым углом попадает в торец оптического волокна 13. Отражённые от краёв воздушного промежутка 14
лучи возвращаются по главной ветви световода и практически не поступают в ответвление 15 (налево вниз).
2
а)
8
6
9
е)
2
25
1
25
5
7
4
3
ж)
б)
11
16
14
13
12
10
λ1, λ2
27
26
λ1
λ2
15
28
17
з)
в)
34
33
32
30
31
29
г)
18
19
и)
38
ϕ
40
35
20
36
37
21
39
22
к)
д)
23
44
43
41
24
42
Рис. 1. Устройства сопряжения с оптическими волокнами: а — е — одноканальные
передатчики; ж — двухканальный передатчик; з — приёмопередатчик; и— пассивный
односторонний ретранслятор; к — разделитель встречных световых сигналов
Эти лучи в основном проходят в тупиковую зону 16 и гасятся в ней. Незначительная часть отражённого света всё же попадает в ответвление 15, проходит по нему и гасится в тупиковой зоне 17. Наконец, незначительная доля отражённого света из ответвления
15 возвращается в лазер 10. Таким образом, при правильном выборе конфигурации древо-
3
видного световода 11 доля отражённого света, возвращающегося в лазер 10, становится
достаточно малой.
Эту долю можно дополнительно уменьшить, применив световод 18 в виде дерева с
большим числом ветвей, как показано на рис. 1, г. В данном случае отражённый световой
поток имеет “мало шансов” миновать три тупиковые зоны 19 — 21 и достичь излучающей
поверхности лазера 22.
Для увеличения степени поглощения света тупиковыми зонами они выполняются в
виде конусов 23, 24 (рис. 1, д) или (и) заполняются веществом 25 с хорошей способностью
поглощать свет (рис. 1, е).
Сумматор (мультиплексор) световых сигналов
Передатчик, показанный на рис. 1, ж, позволяет излучать в одно оптическое волокно 26 смесь двух независимых сигналов с длинами волн λ1 и λ2, излучаемых лазерами
27 и 28. Число лазеров может быть увеличено при добавлении новых ветвей древовидной
структуры световода. Таким образом осуществляется мультиплексирование данных от
двух или более независимых источников.
Приёмопередатчик световых сигналов
Для совмещения функций передачи и приёма данных предлагается использовать
конструкцию, показанную на рис. 1, з. Лазер 29 посылает луч 30 в оптическое волокно 31,
как было показано на рис. 1, б. Луч 32 встречного направления проходит по основной ветви древовидной структуры световода на вход приёмного элемента 34 и преобразуется в
электрический сигнал.
Чтобы исключить влияние отражённого передаваемого сигнала на приёмник, длины волн передаваемого и принимаемого сигналов обычно выбирают разными, а приёмник
выполняют узкополосным. Если длины волн выбраны одинаковыми, а уровень отражений
высок, то можно вести поочерёдные приём и передачу данных, например, на уровне
приёма и передачи информационных пакетов. Правила очерёдности задаются протоколом
обмена данными.
Пассивный односторонний ретранслятор световых сигналов
Для односторонней передачи сигнала из оптического волокна 35 в оптическое волокно 36 можно использовать конструкцию, показанную на рис. 1, и. Передача сигнала 37
в обратном направлении запрещена, так как он гасится тупиковыми зонами 38 и 39 световода 40.
Разделитель встречных световых сигналов
Конструкция, представленная на рис. 1, к, позволяет разделять двунаправленный
поток данных на два однонаправленных, и наоборот — объединять два однонаправленных
потока данных в один двунаправленный. Траектории распространения лучей по световоду
44 аналогичны рассмотренным ранее.
Части устройств, показанных на рис. 1, можно комбинировать в произвольных сочетаниях.
Конструктивное выполнение передатчика
Конструктивное выполнение передатчика, показанного на рис. 1, б, поясняется
рис. 2. Передатчик (рис. 2, а) содержит склеенные между собой пластины 1 — 4. Между
ними образуется паз квадратного сечения, в который по стрелке 5 вставляется оптическое
волокно 6, защищённое оболочкой 7. При сочленении с передатчиком центр оптического
волокна 6 совпадает с центром выхода световода 8 (рис. 2, б). Световод имеет квадратное
поперечное сечение. Канал световода формируют травлением пластины 3. Полученная в
результате травления канавка заполняется стекловидным веществом. После склеивания
пластин места ввода и вывода луча из световода 8 шлифуются; к месту ввода луча приклеивается лазер 9.
4
а)
7
5
1
6
2
3
4
б)
1
9
2
8
3
4
Рис. 2. Идея конструктивного выполнения передатчика, показанного на рис. 1, б:
а — эскиз передатчика в собранном виде; б — детализация
Волновые фильтры [2, 3]
Волновой фильтр на основе сплавленных оптических волокон
Фильтр предназначен для разделения (сортировки) сигналов по длинам волн. В отличие от существующих фильтров, в которых применяется множество компонентов,
(призмы, линзы, зеркала, поляризаторы и проч.), предлагаемый фильтр построен на основе особым образом сплавленных между собой оптических волокон. Упрощённая схема
конструкции фильтра показана на рис. 3, а; более детальная будет рассмотрена далее
(рис. 4 — 6).
Фильтр F (рис. 3, а) содержит сплавленные между собой оптические волокна X —
Y и W — Z. Фильтр симметричен, в том смысле, что пары выводов X, W и Y, Z функционально равноценны.
В зависимости от параметров сплавления оптических волокон при изготовлении
фильтра, он приобретает избирательную прозрачность по отношению к световым сигналам определённых длин волн. Иными словами, фильтр может некоторым образом сортировать входной поток “разноцветных” световых сигналов инфракрасного диапазона, поступающих извне в произвольных сочетаниях на вывод Х (на любой из четырёх выводов).
Сигналы, как предполагаем, имеют длины волн λ1, λ2, …, λ16, равномерно распределённые на горизонтальной числовой оси графиков, показанных на рис. 3, л. Соседние длины
волн разделены промежутками 100 нм.
Эти графики представляют собой один из возможных вариантов диаграмм прозрачности каналов X — Y и X — Z фильтра. Так как фильтр симметричен, эти же графики
отображают диаграммы прозрачности каналов W — Z и W — Y. Уровни 0 и 100% соот-
5
ветствуют непрозрачному и полностью прозрачному состояниям канала. Графики для их
упрощения представлены двумя противофазными синусоидами, хотя в действительности
их форма более сложная и зависит от технологии изготовления фильтра.
Из графика, показанного на рис. 3, л сплошной линией, следует, что канал X — Y (а
также канал W — Z) прозрачен для света с длинами волн λ1, λ3, λ5,…, λ15 и непрозрачен
для света с длинами волн λ2, λ4, λ6,…, λ16. Если канал прозрачен, то свет соответствующих длин волн может передаваться через него в любом или одновременно в обоих направлениях. Непрозрачный канал не пропускает свет соответствующих длин волн в любом направлении.
График, представленный на рис. 3, л пунктирной линией, показывает, что канал
X — Z (а также канал W — Y) прозрачен для света с длинами волн λ2, λ4, λ6,…, λ16 и непрозрачен для света с длинами волн λ1, λ3, λ5,…, λ15.
Сказанное поясняется схемами на рис. 3, б — ж, на которых показано распространение группы световых сигналов через фильтр F слева направо, справа налево и одновременно в обоих направлениях. В этих схемах один из выводов фильтра не используется.
В схемах, приведенных на рис. 3, з — к, использованы все выводы фильтра.
Область сплавления
оптических волокон
а)
е)
Фильтр (F)
Х
λ1, λ3, λ5, ..., λ15 Y(X)
Х(Y) λ1 – λ16
λ2, λ4, λ
6
W(Z)
Y
F
, ..., λ16
Z(W)
Z
W
Х(Y)
Оптические волокна
ж)
б)
Х(Y) λ1 – λ16
W(Z)
F
W(Z) λ1 – λ16
λ1, λ3, λ5, ..., λ15 Y(X)
λ2, λ4, λ
6
, ..., λ16
W(Z) λ1 – λ16
F
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
Z(W)
λ2, λ4, λ6, ..., λ16
W(Z) λ*1 – λ*16
λ1, λ3, λ5, ..., λ15 Y(X)
W(Z)
λ2, λ4, λ
6
Z(W)
λ*1, λ*3, λ*5, ..., λ*15
F
Х(Y) λ1 – λ16
Y(X)
λ*2, λ*4, λ*6, ..., λ*16
Y(X)
г)
F
Z(W)
з)
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
, ..., λ16
Y(X)
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
F
Х(Y) λ1 – λ16
6, ..., λ16
λ2, λ4, λ
..., λ16
Z(W)
в)
Х(Y)
6,
λ2, λ4, λ
и)
Z(W)
Х(Y)
λ1 – λ16
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
Y(X)
λ*2, λ*4, λ*6, ..., λ*16
д)
Х(Y)
W(Z) λ1 – λ16
F
6
λ2, λ4, λ
, ..., λ16
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
Y(X)
Z(W)
λ2, λ4, λ6, ..., λ16
W(Z) λ*1 – λ*16
F
λ*1, λ*3, λ*5, ..., λ*15
Рис. 3 (начало; продолжение на след. с.)
Z(W)
6
к)
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
λ1 – λ16
Х(Y)
λ*1, λ*3, λ*5, ..., λ*15
λ*1 – λ*16
λ'2, λ'4, λ'6, ..., λ'16 Y(X)
λ"2, λ"4, λ"6, ..., λ"16
F
λ2, λ4, λ6, ..., λ16
λ'1 – λ'16
W(Z)
λ*2, λ*4, λ*6, ..., λ*16
λ"1 – λ"16
л)
100%
Q
λ'1, λ'3, λ'5, ..., λ'15 Z(W)
λ"1, λ"3, λ"5, ..., λ"15
Канал X – Y (W – Z)
Канал X – Z (W – Y)
0
λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ6 λ7 λ8 λ9 λ10 λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
Q – прозрачность двунаправленного канала:
100% – канал прозрачен; 0 – канал непрозрачен
λi
м)
Устройство Q
λ13
λ13
Х
λ*8
W
Фильтр F
(рис. 3, к)
Y
Z
λ*8
Рис. 3 (окончание). Волновой фильтр на основе сплавленных оптических волокон:
а — упрощённая схема конструкции; б — к — траектории распространения
оптических сигналов; л — вариант диаграммы прозрачности каналов;
м — передача сигналов между входами — выходами Z и Y
Варианты использования фильтра F для сопряжения однонаправленных линий передачи оптических сигналов с двунаправленными представлены на рис. 3, з, и.
В схеме, приведенной на рис. 3, з, оптический сигнал, поступающий на вход Х с
левой стороны, содержит 16 составляющих с длинами волн λ1 — λ16. Сигнал, снимаемый
с выхода W фильтра, также содержит 16 составляющих с теми же длинами волн λ*1 —
λ*16. Знаки “*” показывают, что сигналы поступили на входы фильтра F с правой стороны. На входе — выходе Y сигналы с длинами волн λ1, λ3, λ5,…, λ15 распространяются
вправо, а сигналы с длинами волн λ*2, λ*4, λ*6,…, λ*16 — влево. На входе — выходе Z
7
сигналы с длинами волн λ2, λ4, λ6,…, λ16 распространяются вправо, а сигналы с длинами
волн λ*1, λ*3, λ*5,…, λ*15 — влево.
Схема, приведенная на рис. 3, и, отличается от только что рассмотренной (рис. 3, з)
направлениями передачи сигналов.
В схеме, приведенной на рис. 3, к, все подключенные к фильтру линии двунаправленные. По каждой линии передаются 16 пар противоположно направленных оптических
сигналов, каждая пара имеет одинаковую длину волны. По существу, эта схема представляет собой не полносвязный коммутатор, способный транслировать данные в направлениях: Х → Y, Х → Z, W → Y, W → Z, Y → X, Y → W, Z → X, Z → W. Для выбора направления источник данных использует длины волн с чётными или нечётными номерами. Например, внешний источник сигнала, подаваемого на вход — выход Z фильтра F, желая передать сообщение в линию связи, подключенную к входам — выходам X или W, может
использовать для этого световые импульсы с соответствующими длинами волн λ*6 или
λ”15.
Непосредственная передача данных в смежных направлениях Х → W, W → X,
Y → Z, Z → Y невозможна. При наличии устройства — посредника такие передачи осуществимы. Например, внешний источник сигнала, подаваемого на вход — выход Z
фильтра F, желая передать сообщение в линию связи, подключенную к входам — выходам Y, может использовать для этого световые импульсы с длиной волны λ*8 (рис. 3, м).
Эти импульсы проходят на вход — выход Х и принимаются неким устройством Q. (Далее
в качестве такого устройства будет использован сервер компьютерной сети.) По предварительной “договорённости” с этим устройством, оно незамедлительно выдаёт полученные импульсы обратно на вход — выход Х, но использует для этого свет с длиной волны
λ13. Фильтр F передаёт эти импульсы на вход — выход Y, что и требуется.
Конструкция волнового фильтра [3]
После начального ознакомления с функциональными возможностями фильтра рассмотрим его конструкцию более подробно.
На рис. 4, а показана логическая схема мультиплексора — демультиплексора и
приведен вариант его конструктивного исполнения. Фильтр F1 имеет диаграмму прозрачности, показанную на рис. 3, л. Он, как и в предыдущих примерах, разделяет (объединяет)
сигналы по длинам волн: сигналы с нечётными и чётными номерами длин волн передаются соответственно по двунаправленным каналам X — Y и X — Z. Фильтры F2 и F3 осуществляют дальнейшее разделение (объединение) сигналов. Их диаграммы прозрачности будут рассмотрены позже (рис. 9, б) при более подробном изучении древовидных структур
на основе фильтров.
Фильтр (рис. 4, б) вмонтирован в миниатюрный корпус с оптоволоконными выводами. При изготовлении мультиплексора — демультиплексора три таких корпуса и оптоволоконные связи между ними размещаются в коробке с пятью внешними оптоволоконными выводами. Корпус закрывается крышкой (на рисунке не показана).
Более детальная конструкция фильтра показана на рис. 5. Первое 1 и второе 2 оптические волокна введены в корпус через его левый и правый торцы. Корпус состоит из
двух деталей — кварцевого держателя 3 и крышки 4. Световоды 5, 6 (центральные жилы
оптических волокон 1, 2) объединены скруткой (обычно 2 — 3 витка) с последующим её
частичным сплавлением и растяжением расплава (область 7 — результат растяжения).
При изготовлении фильтра выдерживаются несколько угловых параметров, в частности,
угол β0 сближения не сплавленных между собой световодов вблизи области сплавления и
угол α утончения (в результате растяжения при нагреве) сплавленных световодов. Отверстия для ввода оптических волокон в корпус заполняются герметиком 8.
Область сплавления оптических волокон более подробно показана на рис. 6. Она
состоит из первого 22 и второго 24 сужения конической формы общей длиной L и узкой
части 23 длиной J и диаметром r. Помимо ранее рассмотренных угловых параметров (β0 и
8
α), на рисунке указан параметр β, соответствующий углу сближения оптических осей 21 и
30 (26 и 28) оптических волокон 20 — 25 и 29 — 27 на границе области сплавления. Для
получения многооконной прозрачности фильтра все указанные параметры имеют принципиальное значение и выдерживаются с высокой точностью.
λ1
Х
F2
λ1, λ3
а)
Y
Х
F1
λ1 – λ4
Z
λ1 – λ4
Z
λ3
λ2
Х
F3
λ2, λ4
б)
Y
F1
Х
F2
Y
Z
λ4
F3
Y
Z
λ1, λ3
λ4
λ2
λ3
λ1
λ2, λ4
Рис. 4. Мультиплексор — демультиплексор: а — логическая схема;
б — вариант конструкции
Рис. 5. Вариант конструкции волнового фильтра на основе
сплавленных оптических волокон
9
20
21
22
24
23
25
26
X
Y
W
Z
28
30
27
29
J
Рис. 6. Тонкая структура области сплавленных оптических волокон
Длина J области 23 сужения составляет 5 — 30 мм; диаметр r этой области лежит в
диапазоне (3 — 20) ⋅10–6 м; угол α — в пределах 0,05 — 5°; отношение L/J — в пределах
0,3 — 1,5. Эти параметры определяются размерами нагреваемой области, временем и температурой нагрева, скоростью растягивания области сплавления и длительностью процесса.
Рис. 7. Процесс сплавления оптических волокон
При изготовлении фильтра (рис. 7) с оптических волокон 31 — 35 и 42 — 34 удаляется защитное покрытие 32, 33, 37, 40, затем они свиваются. Далее сплавляемая область
помещается а активную зону 39 нагревателя 38. Через некоторое время после начала образования расплава держатели 36 и 41 начинают его растягивать (по стрелкам на рисунке) со
скоростью от 1 до 50 сантиметров в минуту. Степень растяжения расплавленной области
составляет от 0,3 до 1,5 её первоначальной длины. В процессе изготовления фильтра непрерывно контролируются его диаграмма прозрачности. Изготовленный фильтр закрепляется в кварцевом держателе, закрывается крышкой и герметизируется.
Мультиплексоры — демультиплексоры на основе волновых фильтров
Основная схема [3]
Рассмотренные фильтры удобны для построения древовидных структур, которые
можно использовать как мультиплексоры — демультиплексоры (сумматоры — разделители) световых сигналов, различающихся длинами волн и направлениями передачи.
Одна из таких структур показана на рис. 8. Она содержит 15 фильтров F1 — F15,
различающихся диаграммами прозрачности (рис. 9). Сначала предположим, что структура
однонаправленная, поток сигналов распространяется в ней слева направо, от ствола дере-
10
ва к его ветвям. Это соответствует демультиплексированию сигналов, содержащихся во
входном потоке.
Диаграмма прозрачности фильтра F1 (рис. 9, а) совпадает с ранее рассмотренной
(рис. 3, л). Оптический сигнал, поступающий на вход Х фильтра F1 с левой стороны, содержит 16 составляющих с длинами волн λ1 — λ16. На выходы Y и Z этого фильтра проходят соответственно сигналы с нечётными и чётными номерами длин волн.
Второй каскад структуры (фильтры F2 и F3) разделяет группы сигналов с нечётными и чётными номерами длин на четыре подгруппы, в каждой из которых присутствуют
четыре сигнала. Это подтверждается диаграммами прозрачности, представленными на
рис. 9, б. Например, из диаграммы, изображённой на рис. 9, б сплошной линией следует,
что канал X — Y фильтра F2 прозрачен для сигналов с длинами волн λ1, λ5, λ9, λ13 и непрозрачен для сигналов с длинами волн λ3, λ7, λ11, λ15, что и требуется.
λ1
λ1, λ9
Х
λ1, λ5, λ9, λ13
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
Х
Z
Первый
каскад
Z
Y
F4
λ3, λ11
F9
Z
Х
Х F3
Y
λ2, λ10
F6
Y
Y
λ6, λ14
Z
λ4, λ12
Х
λ4, λ8, λ12, λ16
Y
Z
Третий
каскад
λ2, λ6, λ10, λ14
F10
Z
λ7, λ15
Второй
каскад
Х
Y
Z
λ2, λ4, λ6, ..., λ16
Х
F5
λ3, λ7, λ11, λ15
F1
Z
F2
Х
Х
λ1 – λ16
Y
λ5, λ13
Y
Z
Y
Х F8
Y
Х
F11
Z
Четвёртый
каскад
Y
Х
F12
Z
λ5
λ13
λ3
λ11
λ7
λ15
λ2
λ10
λ6
Х
Y
F13
Z
Х
Y
F14
Y
Z
Z
Y
F7
λ8, λ16
λ9
Х
F15
Z
Рис. 8. Структура мультиплексора — демультиплексора;
использованы 15 типов фильтров
λ14
λ4
λ12
λ8
λ16
11
а)
100%
Q
Канал X – Y фильтра F1
Канал X – Z фильтра F1
0
λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ6 λ7 λ8 λ9 λ10 λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
Q – прозрачность двунаправленного канала:
100% – канал прозрачен; 0 – канал непрозрачен
Канал X – Y фильтра F2
б)
100%
0
λ1
Канал X – Y фильтра F3
Канал X – Z фильтра F2
Q
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
Канал X – Z фильтра F3
λ9
Канал X – Y фильтра F4
Канал X – Y фильтра F6
Канал X – Y фильтра F5
в)
Канал X – Y фильтра F7
Q
100%
λ10 λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
г)
100%
0
Q
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λi
Канал X – Z фильтра F7
Канал X – Z фильтра F5
Канал X – Z фильтра F6
Канал X – Z фильтра F4
0
λ1
λi
λ8
λ9
λ10 λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
λi
Канал X – Y фильтра F8
Канал X – Y фильтра F12
Канал X – Y фильтра F10
Канал X – Y фильтра F14
Канал X – Y фильтра F9
Канал X – Y фильтра F13
Канал X – Y фильтра F11
Канал X – Y фильтра F15
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6 λ7 λ8 λ9 λ10 λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
Канал X – Z фильтра F10
Канал X – Z фильтра F12
Канал X – Z фильтра F8
λi
Рис. 9. Диаграммы прозрачности каналов Х — Y и X — Z (рис. 3, а) фильтров: а — F1;
б — F2, F3; в — F4 — F7; г — F8 — F15
Отметим, что фильтр F2 не годится для обработки сигналов с чётными номерами
длин волн, так как его прозрачность по отношению к этим сигналам неопределённа. Но
эти сигналы и не поступают на фильтр F2, поэтому неоднозначности их обработки не возникает.
12
Как следует из соответствующей диаграммы на рис. 9, б, канал X — Z фильтра F2
функционирует в противоположном режиме — пропускает сигналы с длинами волн λ3,
λ7, λ11, λ15 и не пропускает сигналы с длинами волн λ1, λ5, λ9, λ13.
Аналогичное разделение осуществляется третьим и четвёртым каскадами. Соответствующие диаграммы прозрачности приведены на рис. 9, в, г. В итоге каждый входной
сигнал проходит сквозь структуру только на один из её выходов.
Предположим теперь, что структура (рис. 8) однонаправленная, но поток сигналов
распространяется в ней справа налево, от ветвей дерева к его стволу. Это соответствует
мультиплексированию сигналов, содержащихся во входном потоке.
В данном случае четвёртый каскад (группа фильтров F8 — F15) попарно объединяет (мультиплексирует) сигналы, поступающие на входы Y и Z, с длинами волн λ1, λ9; λ2,
λ10; λ3, λ11; …; λ8, λ16. В этом можно убедиться, воспользовавшись диаграммами прозрачности фильтров фильтры F8 — F15 (рис. 9, г).
В частности, из этих диаграмм следует, что канал Х — Y фильтра F8 прозрачен для
сигнала с длиной волны λ1 и непрозрачен для сигнала с длиной волны λ9, канал Х — Y
фильтра F12 прозрачен для сигнала с длиной волны λ2 и непрозрачен для сигнала с длиной волны λ10 и т. д. Прозрачность каналов Х — Z противоположна прозрачности соответствующих каналов Х — Y; это подтверждается диаграммами, приведенными на рис. 9.
Последующие каскады структуры (рис. 8) объединяют сигналы, сформированные
предыдущими каскадами; в результате на выходе Х фильтра F1 образуется сумма всех
входных сигналов с длинами волн λ1 — λ16. Операция мультиплексирования выполнена.
Структура, показанная на рис. 8, может оперировать двунаправленными сигналами,
если выполняются некоторые дополнительные условия (рис. 10).
Ранее отмечалось, что фильтр (рис. 3, а) симметричен. Это, в частности, означает,
что канал, прозрачный для передачи света слева направо, прозрачен и для передачи света
той же длины волны справа налево. Таким образом, структуру, показанную на рис. 8 и 10,
можно рассматривать как дерево с двунаправленными ветвями, выполняющее одновременно функции мультиплексирования и демультиплексирования световых сигналов.
Данная структура (рис. 10), подобно стеклянной призме, раскладывает приходящий
слева луч света на 16 спектральных компонентов. Одновременно с этим она выполняет и
противоположную операцию — суммирует 16 лучей с разными длинами волн и отправляет суммарный луч налево. Таким образом, в работе одновременно участвуют 32 независимых канала передачи данных.
Недостаток такого решения состоит в том, что каждый приёмопередатчик одновременно передаёт и принимает сигналы с одной и той же длиной волны (λ7 на рис. 10).
Как отмечалось, в результате отражений передаваемого сигнала в приёмник может попадать часть светового потока с той же длиной волны, на которую он настроен. Конечно,
если мощность принимаемого полезного сигнала заметно превышает мощность отражённого (помехи), то приёмник сможет их различать и будет работать без ошибок. Но такие
условия выполнимы только при передаче данных по относительно коротким линиям, в
которых затухание полезного сигнала не слишком велико.
Для нейтрализации отражённого сигнала можно использовать “эхо-компенсацию”,
давно применяемую в проводной связи. Идея такова: из общего принимаемого сигнала
вычитается некоторая доля передаваемого, так что в идеальном случае вычитается именно
отражённый сигнал.
Ещё один способ нейтрализации отражённого сигнала — переход от дуплексного к
полудуплексному режиму обмена данными между двумя взаимодействующими приёмопередатчиками, расположенными справа и слева от мультиплексора — демультиплексора.
Данные помещаются в пакеты (кадры), которые передаются поочерёдно в одну и другую
стороны. При выдаче очередного пакета приёмная часть приёмопередатчика (рис. 10) выключена, и наоборот — во время ожидания и приёма пакета от удалённого устройства передающая часть приёмопередатчика выключена. Конечно, пропускная способность систе-
13
мы при полудуплексном режиме обмена снижается более чем в два раза.
Мультиплексор – демультиплексор
(рис. 8)
λ1
λ9
λ5
λ13
λ3
Приёмопередатчик
(рис. 1, з)
λ11
Слева
16 источников и
16 приёмников
данных
λ1 – λ16
λ7
λ7
λ15
λ7
λ2
λ10
λ6
λ14
λ4
λ12
Справа
16 источников и
16 приёмников
данных
λ8
λ16
Рис. 10. Двунаправленная передача данных через мультиплексор — демультиплексор
Чтобы исключить необходимость подавления отражённого сигнала, можно вернуться к однонаправленным структурам, но, в отличие от рассмотренных, одну группу
сигналов использовать как входную, а другую — как выходную (рис. 11).
В данном случае приёмники развязаны с передатчиками. Но при этом каждый однонаправленный канал использует свет определённой длины волны, так что общее число
каналов равно 16, а не 32, как в схеме на рис. 10. Число каналов того и иного направления
может быть произвольным, в частности, все 16 каналов могут быть ориентированы слева
направо или справа налево (см. рис. 16). Часть каналов могут быть двунаправленными,
т. е. такими как, например, канал передачи сигнала с длиной волны λ7 на рис. 10.
В схеме, показанной на рис. 11, фильтры F8 и F11 обрабатывают пары сигналов
противоположных направлений (один входной — с длиной волны λ1 (λ15), другой выходной — с длиной волны λ9 (λ7)). Эти фильтры можно исключить из схемы и вместо них
ввести рассмотренные ранее приёмопередатчики (рис. 1, з). На рис. 11 показано, как вместо фильтра F11 ввести такой приёмопередатчик; при этом оптическая связь Z между
фильтрами F5 и F11 устраняется, а вместо неё прокладывается оптическая связь L, соединяющая правый нижний вход-выход фильтра F5 с входом-выходом приёмопередатчика.
Усовершенствованный мультиплексор — демультиплексор, первый вариант
Схема, приведенная на рис. 8, содержит 4 каскада из 24 – 1 = 15 фильтров F1 —
F15. В общем случае при N каскадах число фильтров составляет 2N – 1. Все фильтры различаются диаграммами прозрачности. Нельзя ли уменьшить число типов фильтров?
Решение этой задачи приведено на рис. 12, 13 [3].
Схема, показанная на рис. 12, по структуре не отличается от рассмотренной ранее
(рис. 8), но в ней использованы только семь (в общем случае 2N – 1) различных типов
фильтров. В первом и втором каскадах фильтры те же, что и ранее: F1, F2 и F3. В третьем
каскаде применены четыре фильтра двух типов: G4 и G5. В четвёртом каскаде применены
восемь фильтров двух типов: G6 и G7.
14
Рассмотрим диаграмму прозрачности канала X — Y фильтра G4 (сплошная линия
на рис. 13, в). Этот канал, согласно рис. 12, должен быть прозрачным для сигналов с длинами волн λ1, λ9 (верхний фильтр G4 третьего каскада) и для сигналов с длинами волн λ2,
λ10 (нижний фильтр G4 третьего каскада). Этот же канал должен быть непрозрачным для
сигналов с длинами волн λ5, λ13 (верхний фильтр G4 третьего каскада) и для сигналов с
длинами волн λ6, λ14 (нижний фильтр G4 третьего каскада).
Мультиплексор – демультиплексор
(рис. 8)
F8
λ1
λ9
λ5
λ13
λ3
F5
8 источников и
8 приёмников
данных
λ11
Z
L
λ7
λ7
λ15
F11
λ15
Приёмопередатчик
(рис. 1, з)
λ2
λ10
λ6
λ14
8 источников и
8 приёмников
данных
λ4
λ12
λ8
λ16
λ1, λ4, λ5, λ8, λ12, λ13, λ15, λ16
λ2, λ3, λ6, λ7, λ9, λ10, λ11, λ14
Рис. 11. Способ развязки передатчиков с приёмниками
Диаграмма прозрачности канала X — Y фильтра G4 (рис. 13, в) в допустимой степени удовлетворяет указанным условиям. Из неё следует, что прозрачность канала по отношению к сигналам с длинами волн λ1, λ2, λ9, λ10 превышает минимально допустимый
уровень, обозначенный верхней горизонтальной линией. Максимальная прозрачность канала недостижима, так как она соответствует промежуточным (не предусмотренным при
передаче данных) длинам волн (λ1 + λ2)/2 и (λ9 + λ10)/2. Непрозрачность этого канала для
сигналов с длинами волн λ5, λ13 и λ6, λ14 также не абсолютна, но находится в допустимой области, ниже некоторого уровня, отмеченного нижней горизонтальной линией.
Диаграмма прозрачности канала X — Z канала G4 (рис. 13, в) представлена противофазной синусоидой, поэтому приведенные рассуждения применимы и к этому каналу “с
точностью до наоборот”.
Диаграммы прозрачности каналов X — Y и X — Z фильтра G5 (рис. 13, в) соответствуют диаграммам прозрачности каналов X — Y и X — Z фильтра G4, смещённым вправо на четверть периода синусоиды.
Диаграммы прозрачности фильтров G6, G7, показанные на рис. 13, г, построены по
такому же принципу, что и диаграммы фильтров G4 и G5, но соответствующие синусоиды
15
имеют удвоенный период.
Рассмотрим, например, функционирование фильтра G7. В область допустимой прозрачности канала X — Y этого фильтра попадают сигналы с длинами волн λ5 — λ8; в область допустимой непрозрачности — сигналы с длинами волн λ13 — λ16, что и требуется
(см. схему на рис. 12). Сигналы с длинами волн λ1 — λ4 и λ9 — λ12 могли бы вызвать неопределённое состояние фильтров G7, но, как видно из схемы, они не поступают на эти
фильтры и обрабатываются фильтрами G6.
λ1
Y
λ1, λ9
Х G6
λ9
Z
Y
Х
λ1, λ5, λ9, λ13
G4
λ5
Y
Z
Х
G7
λ13
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
λ5, λ13
Y
Z
Х
F2
λ3
Z
Y
λ3, λ11
Х
G6
λ11
Z
Y
Х
G5
λ7
Z
Y
λ3, λ7, λ11, λ15
Х
G7
λ7, λ15
λ15
Z
Y
Второй
Третий
Х
Четвёртый
F1
каскад
каскад
λ2
каскад
λ1 – λ16
Z
Y
Х
λ2, λ10
G6
Первый
λ2, λ6, λ10, λ14
λ10
каскад
Z
Y
Х
G4
λ6
Z
Y
Х
G7
λ14
λ6,
λ14
Z
Y
Х F3
λ4
Z
Y
λ4, λ12
λ2, λ4, λ6, ..., λ16
Х
G6
λ12
Z
Y
Х
G5
λ8
Z
Y
λ4, λ8, λ12, λ16
Х
G7
λ8, λ16
λ16
Z
Рис. 12. Улучшенная структура мультиплексора — демультиплексора,
первый вариант — использованы семь типов фильтров
Усовершенствованный мультиплексор — демультиплексор, второй вариант
Предыдущее усовершенствование позволило уменьшить число типов фильтров
мультиплексора — демультиплексора от 15 до 7 (сравните структуры, показанные на рис.
8 и 12). Предлагаемое здесь усовершенствование (рис. 14, 15) позволяет уменьшить число
типов фильтров мультиплексора — демультиплексора до 6 и разделить двунаправленные
каналы на однонаправленные.
16
В первом каскаде структуры (рис. 14), как и в предыдущих решениях, применён
фильтр F1, но в данном случае дополнительно использован его вывод W. Во внешней
линии связи, подключенной к фильтру F1 и содержащей два оптических волокна, присутствуют 32 однонаправленных сигнала: 16 входных (по отношению к фильтру) с длинами
а)
100%
Q
Канал X – Y фильтра F1
Канал X – Z фильтра F1
0
λi
λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ6 λ7 λ8 λ9 λ10 λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
Q – прозрачность двунаправленного канала:
100% – канал прозрачен; 0 – канал непрозрачен
Канал X – Y фильтра F3
Канал X – Y фильтра F2
б)
100%
0
λ1
Канал X – Z фильтра F3
Канал X – Z фильтра F2
Q
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
λi
λ10 λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
Канал X – Y фильтра G4
Допустимый уровень прозрачности
Канал X – Y фильтра G5
в)
Канал X – Z фильтра G4
Канал X – Z фильтра G5
Q
100%
0
λ1
λ2
λ3
λ4
(λ1 + λ2)/2
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
Уровень непрозрачности
(λ5 + λ6)/2
(λ3 + λ4)/2
(λ7 + λ8)/2
Канал X – Y фильтра G6
г)
100%
0
Канал X – Y фильтра G7
Q
λ1
λ2
λ3
λ4
λi
λ10 λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
λ5
λ6
λ7
λ8
(λ1 + λ2 +λ3 +λ4)/4
λ9
λ10
Канал X – Z фильтра G6
Канал X – Z фильтра G7
λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
λi
(λ9 + λ10 +λ11 +λ12)/4
(λ5 + λ6 +λ7 +λ8)/4
(λ13 + λ14 +λ15 +λ16)/4
Рис. 13. Диаграммы прозрачности каналов Х — Y и X — Z (рис. 12) фильтров F1 (а);
F2, F3 (б); G4, G5 (в); G6, G7 (г)
17
λ1, λ9
Х
λ1, λ5, λ9, λ13
Х
Y
Y
Х
Y
F1
λ*2, λ*10
Y
Х
G4
Z
λ*2, λ*6, λ*10, λ*14
λ3, λ7, λ11, λ15
Второй
каскад
Y
F1
Z
λ*4, λ*8, λ*12, λ*16
λ1 – λ16
Х
Y
F1
Z
λ*1 – λ*16 W
Первый
каскад
λ2, λ4, λ6, ..., λ16
λ*1, λ*3, λ*5, ..., λ*15
λ3, λ11
Х
Y
G7
Z
Х
Y
G6
Z
Х
Y
G7
Z
G5
Х
Y
Z
Х
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
Х
λ*6, λ*14
Н2
Z
Z
λ5, λ13
Z
λ*2, λ*4, λ*6, ..., λ*16
G6
G4
Z
Х
Y
G6
Z
Х
λ7, λ15
λ*4, λ*12
Y
Х
G5
Z
Y
Х
λ9
λ5
λ13
λ*2
λ*10
λ*6
λ*14
λ3
λ11
λ7
Y
G7
Z
Y
G6
Z
Х
λ1
G7
Y
λ15
λ*4
λ*12
λ*8
λ*16
Z
Пятый
Третий
каскад
каскад
Y λ*1
Х
G6
λ*9
Y
Z
λ*1, λ*5, λ*9, λ*13
Х
λ*1, λ*9
G4
Y λ*5
Х
Z
G7
λ*13
Y
Z
λ
*
5
,
λ
*
13
Х
F1
λ2
Y
Х
Z
λ2, λ10
G6
λ10
Y
Х
Z
G4
λ6
Y
Х
Z
λ2, λ6, λ10, λ14
G7
λ14
λ6, λ14
Y
Z
Х
Н2
λ*3, λ*11
Y λ*3
Х
Z
λ*3, λ*7, λ*11, λ*15
G6
λ*11
Y
Z
Х
G5
Y λ*7
Х
Z
G7
λ*15
Y
Z
λ
*
7
,
λ
*
15
Х
F1
λ4
Y
Х
Z
λ4, λ12
G6
λ12
Y
Х
Z
G5
λ8
Y
Z
Х
G7
λ16
λ4, λ8, λ12, λ16
λ8, λ16
Z
λ*8, λ*16
Четвёртый
каскад
Рис. 14. Улучшенная структура мультиплексора — демультиплексора,
второй вариант — использованы шесть типов фильтров
λ*7
S
18
а)
100%
Q
Канал X – Y (W – Z) фильтра F1
Канал X – Z (W – Y) фильтра F1
0
λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ6 λ7 λ8 λ9 λ10 λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
Q – прозрачность двунаправленного канала:
100% – канал прозрачен; 0 – канал непрозрачен
λi
Канал X – Y фильтра Н2 (оценочный вариант)
б)
100%
0
λ1
Допустимый уровень прозрачности
Канал X – Z фильтра Н2
Q
λ2
λ3
λ4
(λ1 + λ2)/2
λ5 λ6
λ7
λ8
λ9
λ10 λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
Канал X – Y фильтра Н2
(идеальный вариант)
λi
Уровень непрозрачности
Канал X – Y фильтра G4
Канал X – Y фильтра G5
в)
Канал X – Z фильтра G4
Канал X – Z фильтра G5
Q
100%
0
λ1
λ2
λ3
λ4
(λ1 + λ2)/2
λ5
λ6
100%
0
Q
λ1
λ8
λ9
λ10 λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
(λ7 + λ8)/2
Канал X – Y фильтра G6
Канал X – Y фильтра G7
λ2
λi
(λ5 + λ6)/2
(λ3 + λ4)/2
г)
λ7
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
(λ1 + λ2 +λ3 +λ4)/4
λ9
λ10
Канал X – Z фильтра G6
Канал X – Z фильтра G7
λ11 λ12 λ13 λ14 λ15 λ16
λi
(λ9 + λ10 +λ11 +λ12)/4
(λ5 + λ6 +λ7 +λ8)/4
(λ13 + λ14 +λ15 +λ16)/4
Рис. 15. Диаграммы прозрачности каналов Х — Y и X — Z (рис. 14) фильтров F1 (а);
Н2 (б); G4, G5 (в); G6, G7 (г)
19
Мультиплексор – демультиплексор
(рис. 12)
λ1
λ9
λ5
λ13
λ3
λ11
λ1 – λ16
λ7
λ7
S
λ15
λ2
λ10
λ6
λ7
λ14
λ4
λ12
λ8
λ16
Мультиплексор – демультиплексор
(рис. 12)
λ1
λ9
λ5
λ13
λ3
λ11
λ1 – λ16
λ7
λ15
λ2
λ10
λ6
λ14
λ4
λ12
λ8
λ16
Рис. 16. Улучшенная структура мультиплексора — демультиплексора,
третий вариант
20
волн λ1 — λ16 и 16 выходных с теми же длинами волн λ*1 — λ*16. Всего обслуживаются
32 источника и 32 приёмника данных.
В точках Х и W фильтра F1 первого каскада сигналы однонаправленные, в то время
как в точках Y и Z этого же фильтра они двунаправленные. Группы двунаправленных сигналы присутствуют также в точках X, Y и Z фильтров Н2 второго каскада; распределение
сигналов по направлениям приведено на рис. 14.
Диаграмма прозрачности канала Х — Y фильтра Н2 (рис. 15, б) разрешает прохождение сигналов с длинами волн λ1, λ2; λ5, λ6; λ9, λ10; λ13, λ14 и запрещает прохождение
сигналов с длинами волн λ3, λ4; λ7, λ8; λ11, λ12; λ15, λ16. В данном случае, однако, может
возникнуть опасение, что снижение прозрачности в открытом состоянии и неполная непрозрачность в закрытом могут оказаться существенными, что приведёт к ослаблению полезных сигналов и частичному прохождению ложных.
Здесь уместно напомнить, что синусоидальная форма диаграмм прозрачности принята для упрощения графики. В действительности форма диаграмм более сложная и зависит от технологии изготовления фильтра. В идеальном случае диаграмма должна иметь
вид симметричных прямоугольных импульсов, показанных на рисунке. Если реальная
диаграмма приближается к идеальной, то прозрачность и непрозрачность канала по отношению к сигналам с соответствующими длинами волн также близки к идеальным. Подтверждение возможности изготовления такого фильтра, по-видимому, может дать только
технологический эксперимент.
В третьем каскаде структуры (рис. 14) вновь использованы фильтры типа F1. Это
позволило разделить каждый двунаправленный поток сигналов на выводе Х на два
встречных однонаправленных потока на выводах Y и Z. Эти однонаправленные потоки
обрабатываются четвёртым и пятым каскадами фильтров G4 — G7, аналогичных рассмотренным ранее (рис. 12).
В результате получаем две группы по 16 однонаправленных сигналов в каждой.
Некоторое внешнее устройство S (см. правую часть рис. 14) может принимать и передавать данные на одной и той же длине волны (λ7, λ*7) без каких-либо ограничений. Напомним, что при разделении двунаправленного сигнала интегрированным приёмопередатчиком необходима нейтрализация отражённого сигнала (рис. 1, з, рис. 10). В данном
случае сигнал уже разделен, а его отражениями от фильтра можно пренебречь, так как они
практически отсутствуют благодаря его сравнительно высокой однородности.
Ещё одну схему (рис. 16) этого же класса можно получить из двух, рассмотренных
ранее (рис. 12). Сравнивая схемы на рис. 14 и рис. 16, можно видеть, что в последней число фильтров равно 30, а не 31, но число типов фильтров равно 7, а не 6. Если на рис. 16
вместо схемы, приведенной на рис. 12, использовать схему, показанную на рис. 8, то число типов фильтров возрастает до 15, но при этом увеличивается оптическая прозрачность
устройства в целом. Как видим, среди рассмотренных вариантов нет лучшего.
Фильтры и новая архитектура разомкнутых кольцевых
компьютерных сетей [4]
Фильтры рассмотренного типа позволяют разрабатывать новые архитектурные решения разомкнутых кольцевых компьютерных сетей.
Сеть, показанная на рис. 17, имеет вид разомкнутого кольца с ответвлениями для
подключения пяти узлов. В каждом из двух кабелей, соединяющих узел 1 с ближайшими
соседями (узлами 2 и 5) содержатся два оптических волокна; в остальных кабелях — четыре оптических волокна. Узел 1 главный, он содержит два связанных между собой сервера А и В, распределяющие потоки данных.
Сеть по структуре напоминает два дерева со сплетёнными кронами. Корнями деревьев служат серверы А и В, стволам соответствуют кабели, соединяющие эти серверы с
узлами 2 и 5, остальные элементы относятся к общей кроне.
21
λ1 – λ16
2 оптических
волокна
λ1, λ9
А
Фильтры
Узел 2
2 оптических
волокна
В
16
8
8
2
2
16
8
8
16
F1
λ2, λ4, λ6, ..., λ16
2 F4
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
F2
8 4
8 F2 4
4
4 оптических
волокна
4
2 4
F4
4
4
4
4
42
Узел 3
16
16
F1
8
λ3, λ7, λ11, λ15
λ1 – λ16
Узел 1
F1 16 F1
8
8
8
8
8
4
λ1, λ5, λ9, λ13
8
8
Узел 5
2
2
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
F2 8
4 4F2
4 оптических
волокна
λ1, λ9
F4
4
F4
2
λ5, λ13
λ2, λ4, λ6, ..., λ16
2
4
λ3, λ7, λ11, λ15
Узел 4
4 оптических
волокна
λ5, λ13
Рис. 17. Разомкнутая кольцевая компьютерная сеть, первый вариант
Непосредственный обмен данными между узлами сети, исключая узел 1, не предусмотрен. Передача данных между этими узлами осуществляется в три этапа. На первом
этапе узел — инициатор обмена сообщает одному из серверов А или В о своём намерении
передать сообщение в узел — приёмник. На втором этапе сервер выделяет свободный
двунаправленный канал связи между сервером и узлом — приёмником. На третьем этапе
этот канал используется для переадресации потока данных от узла — инициатора обмена
к узлу — приёмнику и передачи ответных сигналов в обратном направлении. По окончании передачи сообщения канал расформировывается.
Благодаря тому, что каждый узел 2 — 5 связан как с первым (А), так и со вторым
(В) серверами узла 1, а эти серверы могут обмениваться данными между собой, сеть устойчива по отношению к отказу любого кабеля. Предположим например, что в отсутствие
неисправностей сообщение из узла 4 в узел 3 передаётся по маршруту: узел 4 — сервер В
— узел 3. Если повреждён кабель между узлами 3 и 4, то сообщение между этими узлами
передаётся в обход повреждения по маршруту: узел 4 — сервер В — сервер А — узел 3.
В сети, показанной на рис. 17, все сигналы однонаправленные. Каждому узлу для
связи с серверами А и В выделены определённые длины волн. Серверы А и В передают и
принимают сигналы с длинами волн λ1 — λ16.
Узел 2 параллельно передаёт в сервер А восемь независимых сигналов с длинами
волн λ2, λ4, λ6, …, λ16 и одновременно с передачей принимает из этого сервера восемь
сигналов с теми же длинами волн. Иными словами, для связи с сервером А имеется восемь каналов одного направления и восемь каналов противоположного направления.
Связь узла 2 с сервером В в каждом направлении осуществляется по двум каналам с использованием в том и другом сигналов с длинами волн λ1 и λ9.
Узел 3 имеет восемь однонаправленных каналов (четыре канала в одну и четыре в
другую сторону) для двусторонней связи с сервером А и по два противоположно направ-
22
ленных канала для связи с сервером В. Для связи с серверами А и В используются соответственно сигналы с длинами волн λ3, λ7, λ11, λ15 и λ5, λ13.
Узлы 4 и 5 по структуре связей симметричны узлам 3 и 2 в том смысле, что только
что приведенное описание справедливо и для них, если серверы А и В поменять местами.
Отметим, что сеть не обязательно должна быть симметричной; в данном случае симметрия принята для упрощения её описания.
Ответвления связей от сети к узлам 2 — 5 выполнены с помощью рассмотренных
ранее фильтров F1 — F4; их диаграммы прозрачности были показаны на рис. 9. Распределение фильтров по сети может отличаться от приведенного на рис. 17.
Одно
оптическое
волокно
Узел 1
λ1 – λ16
16
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
8
Узел 2
F1
В
λ1, λ3, λ5, ..., λ15
λ2, λ4, λ6, ..., λ16
16
λ8, λ16
λ4, λ8, λ12, λ16
2 оптических
волокна
8
F3
λ2, λ6, λ10, λ14
4
Одно
оптическое
волокно
16
16
8
2
А
λ1 – λ16
λ4, λ12
F7
4
F1
8
8
8
Узел 5
2
4
8
F3
4
2 оптических
волокна
4
Узел 3
λ4, λ8, λ12, λ16
F7 2
4
λ4, λ12
λ8, λ16
λ2, λ6, λ10, λ14
4
2
Узел 4
2 оптических волокна
Рис. 18. Разомкнутая кольцевая компьютерная сеть, второй вариант
В схеме, показанной на рис. 18, использованы двунаправленные связи. Узлы 2 и 10
обмениваются данными с ближайшими и удалёнными серверами соответственно по восьми и двум двунаправленным каналам и используют сигналы с длинами волн λ1, λ3, λ5, …,
15, а также λ8 и λ16. Узлы 3 и 4 обмениваются данными с ближайшими и удалёнными
серверами соответственно по четырём и двум двунаправленным каналам и используют
сигналы с длинами волн λ2, λ6, λ10, λ14, а также λ4 и λ12. В отличие от предыдущей схемы, для формирования ответвлений от кольца использованы выходы Y (а не Z) фильтров.
Кроме того, вместо фильтров F2 и F4 применены фильтры F3 и F7; их диаграммы прозрачности были показаны на рис. 9.
Напомним, что группу двунаправленных связей можно разделить на подгруппы из
однонаправленных (рис. 11). Применительно к схеме, показанной на рис. 18, это означает,
что, например, узел 5 может использовать сигнал с длиной волны λ8 только для передачи
данных в сервер А, а сигнал с длиной волны λ16 — только для приёма данных из этого
сервера. В данном случае можно применить приёмопередатчик, показанный на рис. 1, з.
23
λ1 – λ16
а)
16
2 оптических
волокна
Узел 2
4
4
λ1 – λ16
Узел 1
А
16
В
16
16
4
4
2 оптических
волокна
8
8
8
4 Узел 5
4
4
8
8
8
4
8
8
6 оптических
волокон
6 оптических
волокон
4
4
4
4
4
Узел 3
4
4
4
Узел 4
4 оптических волокна
Узел 1
б)
Одно
оптическое
волокно
16
А
В
16
Одно
оптическое
волокно
λ1 – λ16
4
Узел 2
8
4
4
16
8
8
4
4
8
3 оптических
волокна
4
Узел 3
4
4
8
8
4
4
8
Узел 5
3 оптических
волокна
4
4
4
Узел 4
2 оптических волокна
Рис. 19. Разомкнутая кольцевая компьютерная сеть:
а — третий вариант; б — четвёртый вариант
24
Благодаря тому, что передаваемый и принимаемый сигналы разнесены по длинам волн,
отражения передаваемого сигнала от элементов приёмопередатчика и торца оптического
волокна не воспринимаются приёмником.
В рассмотренных схемах (рис. 17, 18) узлы 2 — 5 находятся в неравных условиях
по числу каналов связи с серверами А и В. Чтобы выровнять эти условия, можно применить схемы, показанные на рис. 19.
В схеме, показанной на рис. 19, а, все связи однонаправленные. Кабели содержат 2,
4 и 6 оптических волокон. Для передачи и приёма данных используются сигналы с длинами волн из диапазона λ1 — λ16. Каждый узел 2 — 5 имеет равные возможности связи с
серверами А и В.
Схема, показанная на рис. 19, б, отличается от предыдущей тем, что все связи двунаправленные, поэтому число оптических волокон в кабелях уменьшено вдвое.
Заключение
Мы рассмотрели примечательные изобретения — устройства сопряжения с оптоволоконными линиями связи и частотные фильтры. Те и другие, в отличие от известных, обладают удивительно простой конструкцией. Особого внимания достойна конструкция
фильтра — функционально сложного устройства для разделения оптических сигналов по
длинам волн. Представляется почти невероятным, как можно было предугадать, что
фильтр с заданными свойствами получается в результате скрутки двух оптических волокон с последующим плавлением и растяжением расплава!
Рассмотренные элементарные устройства оказались настолько удачными, что повлияли на архитектуру компьютерных сетей на основе оптоволоконных линий связи.
Приведенные примеры построения сетей показывают простоту, высокую эффективность и
отказоустойчивость разомкнутых кольцевых структур, построенных по принципу “двух
деревьев с сомкнутыми кронами”.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Пат. США № 7.212.711 В2 http://www.uspto.gov.
2. Пат. США № 5.809.190 http://www.uspto.gov.
3. Пат. США № 6.400.861 В1 http://www.uspto.gov.
4. Пат. США № 6.978.090 В1 http://www.uspto.gov.
Б. Шевкопляс