DE3873082T2 - Stromaddierender elektro-optischer kreuzverbindungsschalter. - Google Patents

Description

• Der Gegenstand dieses Patentes bezieht sich auf das am 13. Februar 1990 ausgegebene US-Patent Nr. 4,901,305 mit dem Titel "Distributed Crossbar Switch" von Tangonan, welches für denselben Inhaber wie bei dem vorliegenden Patent erteilt wurde.
• Die Erfindung bezieht sich auf Schaltvorrichtungen und bezieht sich insbesondere auf eine Technik zum Schalten einer Mehrzahl von Datensignalen in Kommunikationsnetzwerken.
• Ein optoelektronischer Kreuzverbindungsschalter gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 6 ist beispielsweise aus der EP-A-0 130 529 bekannt geworden, welcher eine adressierbare Fotodetektormatrix aufweist mit Zeilenadreßleitungen, Spaltenadreßleitungen, einer Ausgangsleitung, sowie einer sämtlichen Fotodetektoren gemeinsamen Vorspannungsleitung. Die Matrix weist ferner eine jeweils mit jedem Fotodetektor zugehörige Adressierschaltung auf. Die Adressierschaltung besitzt einen ersten Transistor, einen zweiten Transistor, eine erste Serienschaltung zur Steuerung des zweiten Transistors und eine zweite Serienschaltung zur Steuerung des ersten Transistors und der ersten Schaltung entsprechend einem Signal auf einer Zeilenadreßleitung und einem Signal auf einer Spaltenadreßleitung.
• Aus den Proceedings of the 7th International Conference on Digital Satellite Communications, 12-16 May 1986, München, VDE- Verlag GmbH (Berlin, DE), R. A. Peters: "Optical Switch Matrices for SS-TDMA Applications", Seiten 579-585 ist es bekannt geworden, mehrere Detektoren über optische Faserleitungen auf dem Gebiet der optoelektronischen Schaltvorrichtungen zu beleuchten. Es ist hier lediglich der Detektor auf dem gewünschten Ausgangsanschluß vorgespannt, so daß sich lediglich von diesem Detektor ein Ausgang ergibt.
• Die nunmehr bestehenden Computerarchitekturen enthalten eine große Anzahl von Prozessoren, welche Programme nebeneinander ausführen. Diese sogenannten parallel-Rechnerarchitekturen benötigen typischerweise ein Kommunikationsnetzwerk, welches eine effiziente Datenübertragung zwischen den Prozessoren, sowie zwischen einem einzelnen Prozessor und seinen dazugehörigen Speichern erlaubt. In vielen Parallelverarbeitungssystemen ist es erwünscht, daß viele Prozessoren Information gleichzeitig übertragen können. Hier ist insbesondere die Verwendung von optischen Einrichtungen zur Bewerkstelligung dieser Aufgabe besonders wirksam, da optische Systeme eine geeignete inhärente Parallelität, geeignete Bandbreiten und geringes Übersprechen zwischen den getrennten Strahlen in einem linearen Medium aufweisen. Eines der am wichtigsten optischen Systemen ist als Kreuzverbindungs-Netzwerk bekannt geworden. Ein Kreuzverbindungs-Netzwerk erlaubt, daß eine Vielzahl von Prozessoren oder Speichern dynamisch zu einer beliebig ausgewählten Konfiguration verbunden werden, ohne irgendwelche bestehenden Zwischenverbindungen zu bewegen.
• In Fig. 1 ist ein an sich bekanntes "Star"-Kreuzverbindungsnetzwerk 10 veranschaulicht, welches in größeren Einzelheiten bei MacDonald et al., in Electron Sett. 14 (1978) Seite 502, mit dem Titel "Optoelectronic Broadband Switch Array" offenbart ist. Zusammenfassend enthält das Netzwerk 10 vier Übertrager 12, 14, 16 und 18, welche zu einem oder mehreren Prozessoren verbunden werden können. Die Übertrager liefern Eingangssignale, welche mit optischen Fasern 20, 22, 24 und 26 gekoppelt sind. Die Fasern sind wiederum aufgespleißt und bilden die Eingangsseite einer Vielzahl von Detektoren 28. Jeder der Detektoren weist einen in Reihe mit einem Vorverstärker 31 verbundenen Fotodetektor 29 auf. Jeder der Detektoren bewirkt die selektive Umwandlung von Licht, welches auf den zugehörigen Fotodetektor einfällt, in ein geeignetes elektrisches Signal. Die Detektoren sind in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet. Jeder der Detektoren in einer Zeile ist mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung 33 verbunden. Die Ausgänge der Leitungen 33 sind für einen Rebroadcast mit geeigneten Ausgangsempfängern verbunden, welche gemäß Fig. 1 mit 30-36 bezeichnet sind. Typischerweise werden optische Fasern zur Übertragung der Signale von dem Kreuzverbindungs- Netzwerk 10 zu diesen Empfängen verwendet. Dementsprechend wird eine zusätzliche Rekonversion der elektrischen Signale auf den Leitungen 33 in optische Signale durch optische Repeater 38-44 durchgeführt.
• Typischerweise geschieht die Auswahl des Detektors, der sein Ausgangssignal auf die Leitung 33 liefern soll, durch einen (nicht näher dargestellten) Vorspannungs-Steuerschaltkreis. In vielen der bekannten Kreuzverbindungs-Netzwerken ist es notwendig, eine Deaktivierungs-Vorspannung an sämtliche Detektoren zu liefern, welche nicht ausgewählt sind. Als Ergebnis hiervon ist die Schaltungssteuerung etwas kompliziert, wobei auch unerwünschtes Übersprechen von Rauschen zwischen den Detektoren beobachtet wurde. Zusätzlich benötigt jeder Detektor seinen eigenen Vorverstärkungsschaltkreis. Somit wird durch die Notwendigkeit dieser zusätzlichen Komponenten die Fähigkeit zur Herstellung großer und kompakter Kreuzverbindungs-Netzwerke begrenzt.
• Erfindungsgemäß ist ein optoelektronischer Kreuzverbindungsschalter gemäß den Ansprüchen 1 und 6 vorgesehen. Demgemäß ist lediglich ein Verstärker für jede Zeile der Fasern notwendig, wodurch die Anzahl der für den Kreuzverbindungsschalter benötigten Komponenten minimiert ist.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
• Es zeigt:
• Fig. eine perspektivische Ansicht eines Kreuzverbindungsschalters gemäß dem Stand der Technik;
• Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Kreuzverbindungsschalters gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist ein Kreuzverbindungsschalter 50 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dieser enthält eine 8·8-Matrix von Detektoren zum Empfangen von Ausgängen aus einer ähnlichen Anzahl von optischen Fasern, welche aus acht optischen Kanälen aufgespleißt sind. In Fig. 2 ist zum Zwecke der Einfachheit der Darstellung ein einzelner optischer Kanal 52 dargestellt, der mittels einer geeigneten Aufspleißvorrichtung 54 in acht getrennte optische Fasern 56a-56h aufgespleißt ist. Die weiteren sieben optischen Kanäle sind auf ähnliche Art und Weise aufgespleißt, und die Ausgänge der einzelnen Fasern sind in einer Matrix mit einer Vielzahl von Zeilen und Spalten angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind acht Zeilen und acht Spalten vorhanden. Jede Zeile weist ein im wesentlichen identisches Summationsnetzwerk 58a-58h auf. Da jedes der Summationsnetzwerke im wesentlichen identisch im Aufbau ist, reicht für das weitere Verständnis die genaue Beschreibung von lediglich einem Netzwerk aus.
• Das Netzwerk 58a weist acht unterschiedliche Fotodetektoren 60-74 auf. Jeder der Fotodetektoren empfängt Licht von einer Faser, welche einem unterschiedlichen optischen Kanal gehört. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt jeder Fotodetektor 60-74 eine Metall-Halbleiter-Metall-(MSM)-Vorrichtung dar, welche aus Gallium-Arsenid (GaAs) hergestellt ist. MSM- Vorrichtungen sind deshalb bevorzugt, da sie effiziente Detektoren mit exzellenten Ein/Aus-Schalteigenschaften darstellen. Das ausgezeichnete Ein/Aus-Verhältnis ergibt sich aus dem Fehlen irgendwelcher Fotovoltaik-Wirkungen bei dem Nullstrom bzw. bei der Nullspannung. Vorzugsweise sind die MSM-Vorrichtungen aus zwei integrierten, Rücken-an-Rücken liegenden Schottky-Dioden hergestellt, welche durch Abscheiden einer interdigitalisierten Wolfram-Kathode und einer Anode gebildet sind, die auf der Oberfläche eines < 100> -Halbleiter-Gallium- Arsenidsubstrates abgeschieden sind. Die weiteren Eigenschaften von geeigneten MSM-Detektoren sind etwa in D.J. Jackson et al, "Monolithically Intregrable High Speed Photodetectors", Proc. SPIE 716 (1987) 104; und Wei et al, "Symmetric MOTT Barrier As A Fast Photodetector", Electron Lett 17, 688 (1981) beschrieben.
• Sämtliche Ausgänge der Detektoren 60-74 sind mit einer gemeinsamen Leitung oder einem Knoten 76 verbunden. Es ist vorgesehen, daß die ausgewählten Detektoren adressiert werden können, so daß diese zum Schalten eines Signales von einem oder mehreren der acht optischen Eingangskanäle an den mit den Kreuzverbindungs-Zeilenausgängen 78(a-h) verbundenen Ausgangsempfänger arbeiten können. Es wurde gefunden, daß vorteilhafte Ergebnisse dann erzielt werden können, wenn die nicht adressierten Detektoren 60-74 in einen im wesentlichen offenen Schaltungszustand gesetzt werden, während eine Vorspannung lediglich an diejenigen Detektoren angelegt wird, die auf das einfallende Licht reagieren sollen. Normalerweise ist zu einem bestimmten Zeitpunkt lediglich ein Detektor adressiert bzw. aktiviert. Diese sogenannte "Nullstrom"-Betriebsweise vereinfacht wesentlich das benötigte Adressierungsschema, während gleichzeitig das Übersprechen zwischen den Detektoren minimiert wird. Dabei wird ein komplementärer Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Multiplexer 80 zum gezielten Verbinden einer geeigneten Vorspannungsquelle VB mit einem oder mehreren der Detektoren 60-74 verwendet. CMOS-Vorrichtungen für den Multiplexer 80 werden wegen ihrer außerordentlich großen Eingangsimpedanz im nichtleitenden Zustand bevorzugt. Wenn sich jeder Detektor im "Aus" oder nichtadressierten Zustand befindet, ist das Gate-Source-Potential der zugehörigen CMOS-Vorrichtung 82- 96 wesentlich größer als die Pinch-off-Spannung für den FET. Somit ergibt sich ein Potential über dem MSM-Detektor 60-74 von Null. Somit ist aufgrund des Fehlens von Fotovoltaikeffekt-Eigenschaften des MSM-Detektors sein Fotostrom ebenfalls Null. Wenn sich somit die CMOS-Vorrichtung 82-96 im "Aus"-Zustand befindet, ist die Reaktion des Detektors 60-74 Null, unabhängig davon, ob ein einfallendes optisches Signal vorhanden ist oder nicht. Dadurch ergibt sich ein hoher Isolationsgrad zwischen den Detektoren, welche sich in dem "Aus"-Zustand und den "Ein"-Zuständen befinden. Ein Fotodetektor kann in den "Ein"-Zustand durch geeignetes Anlegen von Steuersignalen an die Steuereingangsleitungen 98-102 an den Multiplexer 80 geschalten werden. Die Kombination der Signale auf diesen Leitungen wird dekodiert und von dem Multiplexer 80 verwendet zur Lieferung der geeigneten Gate-Spannung auf eine der CMOS-Vorrichtungen 82-96, so daß diese leitend wird und dadurch die Vorspannung VB mit dem ausgewählten Detektor verbunden wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der gewünschte Fotodetektor durch Einstellen der Gate-Spannung auf Null adressiert (bzw. "ein"-geschaltet).
• Es ist zu beachten, daß diese Schaltung eine wesentlich verbesserte geringe Rauscheigenschaft zeigt als die vorher bekannten Architekturen, bei denen das Detektionselement im "Aus"-Zustand auf Massepotential geschaltet wird. Bei dieser zuletzt genannten Situation kann ein kleiner Fotostrom durch den Fotodetektor erzeugt werden, da ein Strom eine kleine Spannung erzeugt. Dementsprechend kann bei dem Ausgang des Empfängers ein kleines Signal erscheinen, welches mit dem Fotostrom zusammenwirkt, welcher durch die Fotodetektoren im "Ein"-Zustand erzeugt wird. Bei dieser Konfiguration sind weitere Rauschquellen minimalisiert. Die Wirkungen des thermischen Widerstandsrauschens sind durch die hohen Widerstände in jedem der "Aus"-Zustandsdetektoren minimalisiert. Die Gesamtkapazität der Detektormatrix wird durch die Serienkombination des Detektors und der CMOS-Schalterkapazitäten verringert. Schließlich wird die Wirkung der lichtmodulierten Konduktanzen auf den Dioden eine minimale Wirkung auf das Eingangsrauschen wegen der Serienkonduktanz des CMOS-Schalters haben.
• Der sich ergebende Fotostrom aus dem adressierten Detektor wird mit dem Knoten 76 verbunden und in den Eingang eines Vorverstärkers 104 eingegeben, welcher als ein Strom-Spannungs- Wandler zur Erzeugung eines Spannungsausgangssignales als Funktion des elektrischen Stromes von einem der Stromdetektoren dient. Dieser Ausgang ist mit einer Verstärkerschaltung 106 verbunden, welche zur Verstärkung der vorverstärkten Spannung auf ein Niveau dient, welches für die Verwendung durch die optischen Repeater geeignet ist, die mit den Ausgangsleitungen 78(a-h) auf an sich bekannte Weise verbunden sind. Hier ist wichtig, daß lediglich ein Verstärkungsnetzwerk 108 für jede Zeile in dem Kreuzverbindungsnetzwerk 50 benötigt wird. Dementsprechend wird die Anzahl von Komponenten auf ein Minimum gehalten, insbesondere im Vergleich zu der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik, bei der ein Vorstärker für jeden Detektor benötigt wird.

Claims (8)

1. Optoelektronischer Kreuzverbindungsschalter zum selektiven Verbinden von Signalen aus M optischen Faserkanälen (52) mit N Ausgangsempfängern (78), wobei der Schalter aufweist:

eine Aufsplittvorrichtung (54) zum Aufsplitten jedes optischen Kanals (52) in N optische Fasern (56a-56h), wobei N größer ist als eins;

wobei die Fasern in einer Matrix mit einer Vielzahl von Zeilen und Spalten angeordnet sind, und jede Zeile Fasern aus jedem Kanal (52) aufweist;

ein Summationsnetzwerk (58a-58h) für jede Zeile von Fasern, wobei jedes Netzwerk aufweist:

M selektiv aktivierbare Detektoren (60-74), von denen jeder optische Signale von einer vorgegebenen Faser (56a-56h) empfängt, und jeder Detektor (60-74) an seinem Ausgang ein elektrisches Ausgangssignal liefert, falls er durch ein vorgegebenes Bias-Signal bei der Beleuchtung mit einem einfallenden optischen Signal von der zugehörigen Faser (56a-56h) aktiviert wird, eine zwischen einer Quelle der vorgegebenen Bias-Spannung und den Detektoren (60-74) verbundene Adressiervorrichtung (82-96) zum selektiven Aktivieren eines vorgegebenen Detektors durch Anlegen der Bias-Spannungsquelle hieran, wobei sämtliche der Detektorausgänge zu einem Knoten (76) verbunden sind, und jedes Netzwerk eine gemeinsame Verstärkungseinrichtung (104, 106) zum Verstärken des an den Knoten von dem ausgewählten Detektor gelieferten Stromes aufweist;

dadurch gekennzeichnet, daß die Adressiervorrichtung aufweist:

eine Multiplexervorrichtung (80) mit einer Vielzahl von komplementären Metall-Oxid-Halbleiter - (CMOS) - Feldeffekttransistoren (82-96), wobei jeder Transistor einen mit einem Eingang eines vorgegebenen Detektors (60-74) verbundenen Ausgang aufweist, und die Transistoren gemeinsam mit der Bias-Spannungsquelle verbunden sind, und der Multiplexer (80) Selektionseingänge zum selektiven Aktivieren eines vorgegebenen Transistors zum hierbei Verbinden der Bias-Spannung mit dem Detektor zum hierbei Aktivieren desselben aufweist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor (60-74) eine Metall-Halbleiter-Metall - (MSM) - Vorrichtung aufweist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung (108) einen Vorverstärker (104) zum Umwandeln des an den Knoten gelieferten Stromes in einen Spannungspegel, und einen Spannungsverstärker (106) zum Verstärken des Spannungspegels auf eine Amplitude, welche für die Übertragung an die Ausgangsempfänger (78) geeignet ist, aufweist.

4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß N ·M Detektoren (60-74) vorhanden sind.

5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß N und M gleich 8 ist.

6. Optoelektronischer Kreuzverbindungsschalter, welcher aufweist:

zumindest zwei Schaltdetektoren (60-74), die in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jeder der Detektoren ein optisches Eingangssignal akzeptiert und unter geeigneten Bedingungen ein elektrisches Stromausgangssignal liefert;

gekennzeichnet durch eine in Reihe vor jedem der Schaltdetektoren (60-74) verbundene Adressiervorrichtung (82-96), wobei die Adressiervorrichtung zwischen einer Quelle einer vorgegebenen Bias-Spannung und den Detektoren zum selektiven Liefern eines Aktivierungsbias-Eingangs an einen ausgewählten Schaltdetektor (60-74) verbunden ist, wobei sämtliche der anderen Schaltdetektoren in eine offene Schaltungskonfiguration versetzbar sind, und die Adressiervorrichtung eine Multiplexervorrichtung (80) mit einer Vielzahl von komplementären Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Feldeffekttranistoren (82-96) aufweist, wobei je der Transistor einen mit einem Eingang eines vorgegebenen Detektors (60-74) verbundenen Ausgang aufweist, und die Transistoren gemeinsam mit der Bias-Spannungsquelle verbunden sind, wobei der Multiplexer (80) Selektoreingänge zum selektiven Aktivieren eines vorgegebenen Transistors zum hierdurch Verbinden der Bias-Spannung mit dem Detektor zum hierbei Aktivieren desselben aufweist;

eine gemeinsam mit sämtlichen Ausgängen der Schaltdetektoren (60-74) verbundene Strom-Spannungs-Wandlervorrichtung (104) zum Erzeugen eines Spannungsausgangssignales als Funktion des elektrischen Stromes von einem der Detektoren (60-74);

eine für jede Zeile gemeinsame Verstärkungsvorrichtung (106) zum Vorsehen einer Verstärkung der Spannungssignale.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Detektoren (60-74) einen Metall- Halbleiter-Metall-Detektor aufweist.

8. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Adressiervorrichtung einen aus komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (82-96) hergestellten programmierbaren Multiplexer (80) aufweist.