DE19805001A1 - Optisches Schaltnetzwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Schaltnetzwerk, zum blockierungsfreien Verbinden einer Vielzahl opti­ scher Eingänge mit einer Vielzahl optischer Ausgänge, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Optische Schaltnetzwerke sind bekannt. Diese dienen dazu, eine Verbindung zwischen wenigstens zwei Teil­ nehmern durchzuschalten. Optische Schaltnetzwerke werden üblicherweise in Netzknoten von optisch trans­ parenten Transportnetzen (optische Crossconnects) eingesetzt, um eine automatische Ersatzwegschaltung bei Störungen des Übertragungsweges zwischen zwei Netzknoten zu realisieren. Die Schaltnetzwerke sind hierbei blockierungsfrei auf zubauen, das heißt, bei Aufbau einer beliebigen neuen Verbindung zwischen einem eingangsseitigen Teilnehmer und einem ausgangs­ seitigen Teilnehmer des Schaltnetzwerkes müssen die bestehenden, bereits geschalteten Verbindungen auf­ gebaut bleiben. Um einen blockierungsfreien Aufbau der Schaltnetzwerke zu gewährleisten ist bekannt, das Schaltnetzwerk aus in Schaltstufen angeordneten, zu einer Matrix kaskadenförmig verschalteten, integrier­ ten optischen Koppelelementen aufzubauen. Aus Bene, MATMEMATICAL THEORY OF CONNECTING NETWORKS AND TELE­ PHONE TRAFFIC, ACADEMIC PRESS. INC. S. 136 bis 141, ist der Aufbau eines derartigen blockierungsfreien optischen Schaltnetzwerkes bekannt.

Das Schaltnetzwerk besitzt eine Eingangsstufe, eine Mittelstufe und eine Ausgangsstufe, in der jeweils in einer Schaltmatrix angeordnete optische Schaltelemen­ te zu den einzelnen Koppelelementen verschaltet sind. Sollen mit dem bekannten optischen Schaltnetzwerk eine Anzahl N optischer Eingänge mit einer Anzahl N optischer Ausgänge blockierungsfrei verbindbar sein, so sind eine Anzahl k Koppelelemente in der Eingangs­ stufe vorzusehen, die jeweils eine Schaltstruktur von n Eingängen (k × n = N) und 2n-1 Ausgängen aufweisen. Die Koppelelemente der Mittelstufe besitzen k Ein­ gänge und k Ausgänge, während die Koppelelemente der Ausgangsstufe 2n-1 Eingänge und n Ausgänge besitzen. Die Ausgangsstufe besitzt insgesamt k Koppelelemente (wegen k × n = N), während die Mittelstufe insgesamt 2n-1 Koppelelemente aufweisen muß. Bei einem derarti­ gen optischen Schaltnetzwerk ist nachteilig, daß eine relativ komplizierte Schaltstruktur mittels unter­ schiedlich aufgebauter integrierter optischer Koppel­ elemente notwendig ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße optische Schaltnetzwerk mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß dieses mit einem relativ einfachen Aufbau ein blockierungsfreies Verbinden einer Viel­ zahl optischer Eingänge mit einer Vielzahl optischer Ausgänge gestattet. Dadurch, daß die Koppelelemente der Eingangsstufe, der Mittelstufe und der Ausgangs­ stufe jeweils einen einheitlichen Schaltaufbau von 2n Eingängen und 2n Ausgängen aufweisen, wobei die Kop­ pelelemente der Eingangsstufe vorzugsweise eine be­ legte Schaltstruktur von n Eingängen und 2n Ausgän­ gen, die Koppelelemente der Mittelstufe eine belegte Schaltstruktur von 2n Eingängen und 2n Ausgängen so­ wie die Koppelelemente der Ausgangsstufe eine belegte Schaltstruktur von 2n Eingängen und n Ausgängen be­ sitzen, ist vorteilhaft möglich, einheitlich struk­ turierte integrierte optische Koppelelemente zu dem optischen Schaltnetzwerk zu verknüpfen und durch die vereinfachte Grundstruktur jeweils n freie Eingänge an den Koppelelementen der Eingangsstufe und jeweils n freie Ausgänge an den Koppelelementen der Ausgangs­ stufe zur Verfügung zu stellen, die für externe Er­ satzschaltwege nutzbar sind, so daß ohne Beeinträch­ tigung der Funktion des optischen Schaltnetzwerkes defekte optische Übertragungswege umgangen werden können, indem eine Umschaltung auf wenigstens einen der freien Eingänge beziehungsweise Ausgänge des Schaltnetzwerkes erfolgt.

Ein erfindungsgemäß aufgebautes optisches Schalt­ netzwerk läßt sich in einfacher Weise auch von einer streng blockierungsfreien Betriebsweise in eine ein­ geschränkt blockierungsfreie Betriebsweise umschal­ ten, indem die n freien - bei einer streng blockie­ rungsfreien Betriebsweise nicht belegbaren - Eingänge der Koppelelemente der Eingangsstufe und die n freien Ausgänge der Koppelelemente der Ausgangsstufe mitbe­ schaltet werden.

Ferner ist vorteilhaft, daß gegenüber den bekannten optischen Schaltnetzwerken pro Koppelelement jeweils ein Ausgang bei den Koppelelementen der Eingangsstufe und jeweils ein Eingang bei den Koppelelementen der Ausgangsstufe zusätzlich zur Verfügung steht. Hier­ durch wird eine Redundanz des optischen Schaltnetz­ werkes erreicht, da bei Störungen innerhalb des opti­ schen Schaltnetzwerkes diese zusätzlichen Ein- bezie­ hungsweise Ausgänge für interne Umschaltungen, zum Aufrechterhalten einer blockierungsfreien Betriebs­ weise des optischen Schaltnetzwerkes nutzbar sind.

Darüber hinaus ist vorteilhaft, daß an den zusätzli­ chen, für eine blockierungsfreie Betriebsweise des optischen Schaltnetzwerkes nicht benötigten Eingängen der Koppelelemente der Eingangsstufe und Ausgänge der Koppelelemente der Ausgangsstufe zusätzliche optische Geräte, beispielsweise zur Überwachung der Betriebs­ weise des optischen Schaltnetzwerkes, insbesondere Monitor-Geräte, anschließbar sind, ohne die laufende aktuelle Schaltfunktion des optischen Schaltnetzwer­ kes zu beeinflussen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie­ len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines blockierungsfrei­ en dreistufigen optischen Schaltnetzwerkes und

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines blockierungsfrei­ en fünfstufigen Schaltnetzwerkes.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein insgesamt mit 10 bezeichnetes op­ tisches Schaltnetzwerk in einem Blockschaltbild ge­ zeigt. Das optische Schaltnetzwerk besitzt eine Größe N × N, das heißt, N Eingänge des Schaltnetzwerkes 10 sind mit N Ausgängen des Schaltnetzwerkes 10 zu ver­ binden. Das Schaltnetzwerk besteht aus einer Ein­ gangsstufe 12, einer Mittelstufe 14 und einer Aus­ gangsstufe 16. Jede dieser Stufen besitzt eine Anzahl von integriert optischen Koppelelementen 18, wobei zur besseren Unterscheidung diese in der Eingangs­ stufe 12 mit Koppelelement 18', in der Mittelstufe 14 mit Koppelelement 18'' und in der Ausgangsstufe mit Koppelelement 18''' bezeichnet sind. Alle integriert optischen Koppelelemente 18 des optischen Schaltnetz­ werkes 10 besitzen den gleichen Grundaufbau. Die Kop­ pelelemente 18 bestehen jeweils aus mehreren opti­ schen Schaltelementen und besitzen Eingänge 20 und Ausgänge 22, die blockierungsfrei miteinander ver­ schaltet werden können. Der Aufbau und die Funktion von optisch integrierten Koppelelementen 18 sind all­ gemein bekannt, so daß hierauf im Rahmen der Be­ schreibung nicht näher eingegangen werden soll. Alle Koppelelemente 18 besitzen eine Struktur 2n × 2n.

Die gesamte Struktur des optischen Schaltnetzwerkes 10 ist zum Beispiel so aufgebaut, daß die Anzahl der Eingänge und der Ausgänge des Schaltnetzwerkes 10 jeweils N = n² ist. Weitere mögliche Anordnungen wer­ den nachfolgend noch genannt. Im gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel besitzen die Koppelelemente 18 jeweils acht Eingänge 20 und acht Ausgänge 22, so daß gemäß der Struktur der Koppelelemente 2n × 2n, n = 4 ist. Nach der Beziehung N = n² ist die Anzahl der Eingänge beziehungsweise der Ausgänge des optischen Schalt­ netzwerkes 10 sechzehn. Zum Realisieren eines blockierungsfreien Verbindens jeder der Eingänge N mit jedem der Ausgänge N sind in der Eingangsstufe 12 n Koppelelemente 18', das heißt im Ausführungs­ beispiel vier Koppelelemente 18', in der Mittelstufe 14 ebenfalls n Koppelelemente 18'', das heißt im ge­ zeigten Ausführungsbeispiel vier Koppelelemente 18'', und in der Ausgangsstufe 16 n Koppelelemente 18''', das heißt im gezeigten Ausführungsbeispiel vier Kop­ pelelemente 18''', geschaltet. Die Anzahl der Koppel­ elemente 18', 18'' und 18''' in der Eingangsstufe 12, in der Mittelstufe 14 sowie in der Ausgangsstufe 16 sind demnach gleich groß. Die Darstellung in Fig. 1 erfolgt nur ausschnittsweise, wobei klar ist, daß das optische Schaltnetzwerk 10 für n = 4 insgesamt aus zwölf integriert optischen Koppelelementen 18 jeweils der Bauart 2n × 2n besteht.

Insgesamt stehen somit eingangsseitig des Schaltnetz­ werkes 10 zweiunddreißig Eingänge (vier Koppelelemen­ te 18' × acht Eingänge 20) zur Verfügung. Da das Schaltnetzwerk 10 jedoch nur eine Größe N = 16 be­ sitzt, werden pro Koppelelement 18' nur vier Eingänge 20 benötigt, so daß je Koppelelement 18' vier weitere Eingänge 20 für die Funktion des optischen Schalt­ netzwerkes 10 nicht benötigt werden, und frei sind. Die belegte Schaltstruktur der Koppelelemente 18' ist somit n × 2n.

Entsprechend der Größe N × N des Schaltnetzwerkes 10 sind sechzehn Ausgänge vorhanden, so daß von den an den Koppelelementen 18''' der Ausgangsstufe 16 vorhan­ denen zweiunddreißig Ausgängen 22 (vier Koppelele­ mente 18''' × acht Ausgänge 22) jeweils auch nur pro Koppelelement 18''' vier Ausgänge 22 belegt sind und vier Ausgänge 22 ungenutzt, das heißt frei sind. Die belegte Schaltstruktur der Koppelelemente 18''' ist somit 2n × n.

Die Koppelelemente 18' der Eingangsstufe 12 sind über hier angedeutete feste Verbindungen 24 mit den Ein­ gängen 20 der Koppelelemente 18'' der Mittelstufe 14 verbunden. Über weitere feste Verbindungen 26 sind die Ausgänge 22 der Koppelelemente 18'' der Mittel­ stufe 14 mit den Eingängen 20 der Koppelelemente 18''' der Ausgangsstufe 16 verbunden. Die festen Verbin­ dungen 24 und 26 sind hierbei so geschaltet, daß je­ der der N Eingänge des optischen Schaltnetzwerkes 10 auf jeden der N Ausgänge des optischen Schaltnetzwer­ kes 10 schaltbar ist. Hierzu werden die Koppelelemen­ te 18'' mit Hilfe von sogenannten perfect-shuffle- Netzwerken so beschaltet, daß diese wie 2n Koppelele­ mente 18'' einer Größe n × n arbeiten. Für blockie­ rungsfreies Schalten sind jedoch nur 2n-1 derartige Koppelelemente 18 erforderlich. Also wird in der Mit­ telstufe 14 ein gedachtes Koppelelement der Struktur n × n zum Betrieb des Schaltnetzwerkes 10 nicht benö­ tigt. Somit bleiben insgesamt n Eingänge 20 und n Ausgänge 22 der Koppelelemente 18'' der Mittelstufe 14 unbelegt, das heißt frei.

Das optische Schaltnetzwerk 10 besteht somit insge­ samt aus 3 × n (im Beispiel n = 4) Koppelelementen 18, die alle einen identischen blockierungsfreien Aufbau der Größe 2n × 2n haben. Entsprechend der An­ zahl N an Eingängen und Ausgängen des Schaltnetzwer­ kes 10 stehen pro Koppelelement 18' der Eingangsstufe 12 n × n Eingänge 20 und analog n × n Ausgänge 22 der Koppelelemente 18''' der Ausgangsstufe 16 als freie Ein- beziehungsweise Ausgänge für externe Ersatzwege zur Verfügung. Die ungenutzten Eingänge 20 der Kop­ pelelemente 18' beziehungsweise die ungenutzten Aus­ gänge 22 der Koppelelemente 18''' können zum Anschluß von Ersatzwegen zwischen zwei Netzknoten, zum Aufbau einer Ersatzwegschaltung bei Störung eines Übertra­ gungsweges zwischen Netzknoten in optisch transparen­ ten Transportnetzen genutzt werden. Durch die dann erfolgte Nutzung der an sich freien Eingänge 20 be­ ziehungsweise Ausgänge 22 ist zwar die strenge Blockierfreiheit des Schaltnetzwerkes 10 nicht mehr gegeben, diese ist jedoch im Falle einer Ersatzweg­ schaltung auch nicht erforderlich, da bei Aktivierung eines Ersatzweges automatisch immer ein anderer, ge­ störter Weg deaktiviert wird. Beim Betrieb als opti­ scher Crossconnect wirken sich deshalb keine Blockie­ rungen aus.

Die freien Ein- beziehungsweise Ausgänge des Schalt­ netzwerkes 10 können darüber hinaus beispielsweise zum zusätzlichen Anschluß von Meß- beziehungsweise Überwachungsgeräten, wie beispielsweise Rückstreumeß­ geräte, Testsender, Spektrumanalysatoren und so wei­ ter eingesetzt werden. Darüber hinaus stehen durch die erläuterte perfect-shuffle-Schaltung der Koppel­ elemente 18'' der Mittelstufe 14 insgesamt n (im Bei­ spiel 4) Eingänge 20 und Ausgänge 22 der Koppelele­ mente 18'' für zusätzliche interne Alternativwege zur Verfügung. Hierdurch sind innerhalb des Schalt­ netzwerkes 10 Umschaltungen bei Störungen an einzel­ nen Schaltelementen der Koppelelemente 18 möglich.

Nach weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann das optische Schaltnetzwerk 10 auch in anderen Größen, die durch die Anzahl N der Eingänge bezie­ hungsweise der Ausgänge des Schaltnetzwerkes 10 be­ stimmt werden, aus identischen blockierungsfreien Koppelelementen 18 der Struktur 2n × 2n aufgebaut werden. Es können beispielsweise optische Schalt­ netzwerke 10 mit der Anzahl der Ein- beziehungsweise Ausgänge von N = 2n², N = n³, N = 2n³ aufgebaut wer­ den. Insgesamt ergibt sich hierbei ein beispielhaft aus der nachfolgend aufgeführten Tabelle ergebender Bedarf an Koppelelementen 18:

Bei einem angenommenen Wert n = 4 ergeben sich somit Schaltnetzwerke der Größen N × N von 16 × 16 bis 128 × 128.

Bei Ausführungsbeispielen, bei denen eine strenge Blockierungsfreiheit nicht erforderlich ist, kann die Anzahl der Koppelelemente 18'' in der Mittelstufe 14 soweit verringert werden, daß die zulässige Blockie­ rungswahrscheinlichkeit erreicht ist.

In Fig. 2 ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Blockschaltbild eines Schaltnetzwerkes 10' ge­ zeigt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Das Schaltnetzwerk 10' gemäß Fig. 2 besitzt eine Größe N × N von 2n³ × 2n³, bei angenommenen n = 4, also 128 × 128. Es sind somit 128 Eingänge des Schaltnetzwerkes 10' blockierungsfrei auf 128 Ausgän­ ge des Schaltnetzwerkes 10' schaltbar. Gemäß des er­ findungsgemäßen grundsätzlichen Aufbaus des Schalt­ netzwerkes 10' sind in der Eingangsstufe 12 2n² Kop­ pelelemente 18' (gemäß Beispiel 2 × 4² = 32 Koppel­ elemente 18') angeordnet. Die Ausgangsstufe 16 umfaßt ebenfalls 2n² Koppelelemente 18''' (gemäß Beispiel 2 × 4² = 32 Koppelelemente 18'''). Die Mittelstufe 14 umfaßt 2n × 3stufige Schaltnetzwerke 10 gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, jedoch mit N = 2n². Hier werden die Koppelelemente 18'' der Mittelstufe 14 jeweils von einem Schaltnetzwerk 10 gemäß Ausführungsbeispiel in Fig. 1 gebildet. Dies wiederum besitzt den dort erläuterten Aufbau beziehungsweise die dort erläuterte Funktion. Das Schaltnetzwerk 10' besitzt somit insgesamt einen fünfstufigen Aufbau, nämlich die Koppelelemente 18' der Eingangsstufe 12, die Koppelelemente 18''' der Ausgangsstufe 16 sowie die, das dreistufige Schalt­ netzwerk 10 gemäß Fig. 1 bildenden drei Stufen, die die Koppelelemente 18'' im Schaltnetzwerk 10' bilden.

Auch hier wiederum ist das gesamte optische Schalt­ netzwerk 10' aus Koppelelementen 18 mit dem identi­ schen Aufbau der Größe 2n × 2n realisiert.

Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele, wobei der Wert von n, je nach technischer Realisierbarkeit der Kop­ pelelemente 18, beliebig sein kann, lassen sich Schaltnetzwerke 10 beziehungsweise 10' mit entspre­ chender Größe N × N, wie beispielsweise in der oben genannten Tabelle aufgeführt, realisieren. Die Größe der Schaltnetzwerke 10 ist hierbei durch die Anzahl und die Beschaltung der eingesetzten Koppelelemente 18 an die jeweiligen Erfordernisse anpaßbar. Je nach Anforderung läßt dich das Schaltnetzwerk 10 so dimen­ sionieren, daß entweder eine strenge, das heißt un­ eingeschränkte, oder eingeschränkte Blockierungsfrei­ heit erreichbar ist. Über die erläuterten externen beziehungsweise internen Ersatzschaltwege lassen sich bei Störungen die Verbindungswege umschalten bezie­ hungsweise Meß- und Überwachungsgeräte anschließen.

Claims (7)

1. Optisches Schaltnetzwerk (10), zum blockierungs­ freien Verbinden einer Vielzahl (N) optischer Eingän­ ge mit einer Vielzahl (N) optischer Ausgänge, mit zu einer Matrix kaskadenförmig verschalteten, in Schalt­ stufen angeordneten integrierten optischen Koppelele­ menten (18), wobei die Eingänge (20) von Koppelele­ menten (18') einer Eingangsstufe (12) mit den Eingän­ gen (N) des Schaltnetzwerkes (10) verbindbar sind, die Ausgänge (22) der Koppelelemente (18') der Ein­ gangsstufe (12) mit Eingängen (20) von Koppelelemen­ ten (18'') einer Mittelstufe (14) verbindbar sind, die Ausgänge (22) der Koppelelemente (18'') der Mit­ telstufe (14) mit Eingängen (20) von Koppelelementen (18''') einer Ausgangsstufe (16) verbindbar sind und Ausgänge (22) der Koppelelemente (18''') der Ausgangs­ stufe (16) mit den Ausgängen (N) des Schaltnetzwerkes (10) verbindbar sind und die Koppelelemente (18) je­ weils in einer Schaltmatrix angeordnete integrierte optische Schaltelemente aufweisen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Koppelelemente (18', 18'', 18''') der Eingangsstufe (12), der Mittelstufe (14) und der Aus­ gangsstufe (16) eine identische Schaltmatrix der in­ tegrierten optischen Schaltelemente der Struktur 2n Eingänge (20) × 2n Ausgänge (22) besitzen, wobei 2n die Anzahl von blockierungsfrei miteinander verbind­ baren Eingängen (20) und Ausgängen (22) der Koppel­ elemente (18) ist.

2. Optisches Schaltnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente (18') der Ein­ gangsstufe (12) eine belegte Schaltstruktur von n Eingängen (20) und 2n Ausgängen (22) besitzen.

3. Optisches Schaltnetzwerk nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente (18'') der Mittelstufe (14) eine be­ legte Schaltstruktur von 2n Eingängen (20) und 2n Ausgängen (22) besitzen.

4. Optisches Schaltnetzwerk nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente (18''') der Ausgangsstufe (16) eine be­ legte Schaltstruktur von 2n Eingängen (20) und n Aus­ gängen (22) besitzen.

5. Optisches Schaltnetzwerk nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltnetzwerk (10) eine Größe von n² × n² oder 2n² × 2n² oder n³ × n³ oder 2n³ × 2n³ besitzt.

6. Optisches Schaltnetzwerk nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente (18'') der Mittelstufe (14) in perfect- shuffle-Technik geschaltet sind, so daß die Koppel­ elemente (18'') der Struktur 2n × 2n wie 2n Koppelele­ mente (18'') der Struktur n × n arbeiten.

7. Optisches Schaltnetzwerk nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelstufe (14) zum Aufbau eines fünfstufigen Schaltnetzwerkes (10') Koppelelemente (18'') aufweist, die jeweils die Schaltstruktur eines Schaltnetzwerkes (10) besitzen.