DE4217821A1 - Optisches Koppelnetzwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem optischen Koppelnetzwerk nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Zum Verbinden mehrerer optischer Sender mit mehreren optischen Empfängern sind bereits verschiedene Koppelnetzwerke bekannt. So ist beispielsweise ein einstufiges Netzwerk in P. Granestrand et al: Strictly Nonblocking 8×8 Integrated Optical Switch Matrix, Electronics Letters 22, S. 116 bis 118 (1986) bekannt. Dabei werden N Eingänge mit N Ausgängen blockierungsfrei verbunden. Das Netzwerk besteht aus einer zeilen- und spaltenförmigen Anordnung von Schaltern mit je zwei Eingängen und Ausgängen, beispielsweise sogenannten schaltbaren Richtkopplern. Jede Zeile ist einem Eingang und jede Spalte einem Ausgang zugeordnet. Es werden N² Schalter benötigt. Es sind ferner mehrstufige Netzwerke bekannt, beispielsweise aus V. E. Benes: Math. Theory of Connecting Netw. and Telephone Traffic, Acad. Pr., San Diego 1965.

Die oben beschriebenen optischen Koppelnetzwerke werden mit Hilfe zugeführter Signale in geeigneter Weise gesteuert. Andere optische Koppelnetzwerke arbeiten mit einer frequenzabhängigen Durchschaltung, was auch Frequenzadressierung genannt wird. Ein derartiges Netzwerk ist beispielsweise in J. Sharony et al: "Wavelength-rearrangeable and Strictly Nonblocking Networks" Electronics Letters, 12.03.92, Vol. 28, No 6, S. 536 bis 537 beschrieben. Dabei sind abstimmbare optische Sender und Empfänger vorgesehen, von denen jeweils ein Teil gemeinsam an einem Eingang bzw. Ausgang eines optischen Netzwerkes mit Frequenzadressierung angeschlossen ist. Soll von einem der Sender eine Nachricht zu einem bestimmten Empfänger übermittelt werden, so ist der Sender auf die jeweilige Frequenz abzustimmen. Mit der Vorgabe dieser Frequenz findet das vom Sender ausgehende optische Signal seinen Weg durch das Netzwerk mit Frequenzadressierung zum vorgesehenen, ebenfalls abgestimmten Empfänger.

Neben einigen Vorteilen, beispielsweise dem Entfallen von zusätzlichen Steuerungen, weisen derartige Netzwerke den Nachteil auf, daß die Sendefrequenzen sehr genau eingehalten werden müssen und daß die Empfänger und das Netzwerk sehr schmalbandige Filter enthalten müssen und trotzdem die Teilnehmeranschlußzahl relativ stark begrenzt ist.

Als Maß für die Güte von optischen Koppelnetzwerken sind unter anderem die darin entstehenden Leistungsverluste und die Blockierungsfreiheit wesentlich. Im Sinne einer möglichst geringen Dämpfung und einer wirtschaftlichen Realisierbarkeit sollte die Zahl der benötigten Schalter pro Teilnehmeranschluß möglichst gering sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Forderungen weitgehend zu erfüllen.

Das erfindungsgemäße optische Koppelnetzwerk mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß auch bei großen Teilnehmeranschlußzahlen das zur Verfügung stehende optische Frequenzband nicht in allzu viele Einzelbänder aufgeteilt werden muß. Außerdem ist empfängerseitig keine Frequenzselektion erforderlich, so daß - wie bei üblichen Fernsprechnetzen - ein Teilnehmer seine Individualisierung durch den jeweiligen Anschluß an die Vermittlungsstelle erhält.

Als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Koppelnetzwerkes ist anzusehen, daß die Zahl der Schalter kleiner als bei bekannten Netzwerken ist und daß weniger optische Verstärker benötigt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein bekanntes einstufiges Koppelnetzwerk in Form einer Schaltmatrix,

Fig. 3 ein Beispiel eines bekannten schaltbaren optischen Richtkopplers,

Fig. 4 ein bekanntes zweistufiges Koppelnetzwerk mit einer Baumstruktur,

Fig. 5 einen schaltbaren Multiplexer, der bei dem Koppelnetzwerk nach Fig. 1 verwendbar ist,

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel und

Fig. 8 schematische Darstellungen bekannter einstufiger, zweistufiger und dreistufiger Koppelnetzwerke und vergleichbarer erfindungsgemäßer Koppelnetzwerke.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Eingänge der einzelnen Funktionsblöcke befinden sich in den Figuren an der linken, die Ausgänge an der rechten Seite des jeweiligen Funktionsblocks.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt ein Koppelnetzwerk 10 über k·n Eingänge 11 bis 1kn, von denen nur zwei explizit dargestellt sind. Ferner sind nur zwei an die Ausgänge 11 und 1kn angeschlossene Sender 21 und 2kn in Fig. 1 angedeutet. Die Sender 21 und 2kn sind auf eine Frequenz f₁ bis f_k abstimmbar. Außerdem können die Sender auf einer Frequenz f₀ ein optisches Signal senden, das eine Steuerinformation für eine Schaltmatrix 31 im Koppelnetzwerk 10 enthält. Die Information darüber, welcher der Empfänger 41 bis 4kn die mit der optischen Frequenz f = f_i, i = 1 . . . k auszusendende Nachricht erhalten soll, besteht also einerseits in einer der Frequenz f₀ aufgeprägten Nachricht und andererseits in der Auswahl einer der Frequenzen f₁ bis f_k.

Zur Steuerung der Schaltmatrix 31 werden die optischen Signale mit der Frequenz f₀ von den Eingängen 11 bis 1kn einer Steuerschaltung 32 zugeführt, welche die Signale demoduliert und die Schaltmatrix 31 entsprechend schaltet. Mittel zur Auskopplung der Frequenz f₀ und zur Verhinderung von Übersprechen zwischen den einzelnen Eingängen 11 bis 1kn durch die Zusammenfassung der optischen Signale sind bei Bedarf vorzusehen und sind als solche bekannt. Deshalb wurde von einer Erläuterung im einzelnen abgesehen.

Die Schaltmatrix 31 weist k·n Eingänge und n Ausgänge auf. Die Schaltmatrix 31 ist breitbandig, das heißt, es erfolgt keine Selektion der Frequenzen f₁ bis f_k. An jedem der n Ausgänge der Schaltmatrix 31 können daher Signale der Frequenzen f₁ bis f_k anstehen. Die Ausgänge sind mit je einem Demultiplexer 51 bis 5n verbunden, der frequenzabhängig, auch frequenzadressiert genannt, die ihm zugeführten Signale auf jeweils k Ausgänge verteilt, so daß das in Fig. 1 dargestellte Koppelnetzwerk insgesamt die Ausgänge 61 bis 6kn aufweist. Die Empfänger 41 bis 4kn sind breitbandig ausgelegt, was einerseits eine technische Vereinfachung und andererseits eine logistische Erleichterung bedeutet. Das Koppelnetzwerk ist streng blockierungsfrei, und es werden k·n² Schalter und n Demultiplexer benötigt. Als frequenzabhängige Demultiplexer geeignete Anordnungen sind in L. Bersiner "Fresnellinsen in integriert optischen Wellenlängenmultiplexern", Dissertation, Paderborn 1990 beschrieben.

Die in der Schaltmatrix 31 enthaltenen Schalter haben bei dem Koppelnetzwerk gemäß Fig. 1 zusätzlich zur schaltenden Funktion auch eine Multiplexerfunktion, weil auf einen Ausgang der knxn-Schaltmatrix k optische Frequenzen geführt werden. Darum ist der Einsatz von schaltbaren Richtkopplern gemäß Fig. 3 in der Schaltmatrix 31 nicht möglich. Ein Beispiel für einen in der Schaltmatrix 31 brauchbaren Koppelpunkt wird später im Zusammenhang mit Fig. 5 genauer erläutert. Im folgenden werden jedoch zunächst einige bekannte Koppelnetzwerke anhand der Fig. 2 bis 4 erläutert.

Fig. 2 zeigt ein bekanntes Koppelnetzwerk, das als Schaltmatrix ausgebildet ist. Vier Eingänge, die jeweils durch Pfeile gekennzeichnet sind, können wahlweise mit vier Ausgängen, die ebenfalls durch Pfeile verdeutlicht sind, verbunden werden. Die einzelnen Koppelpunkte 33 werden z. B. von schaltbaren Richtkopplern gemäß Fig. 3 gebildet, bei welchen zwei Wellenleiter 34, 35 nebeneinander geführt werden, so daß in dem durch einen Punkt gekennzeichneten Bereich mit Hilfe eines elektrischen Feldes eine Führung der Lichtwellen von einem der Leiter 34, 35 in den anderen Leiter 35, 44 bewirkt wird. Eine Steuerschaltung 36 steuert bei der Anordnung nach Fig. 2 die einzelnen Koppelpunkte 33.

Fig. 4 zeigt ein zweistufiges Koppelnetzwerk in einer Baumstruktur, wobei vier Eingangsstufen 37 aus jeweils drei schaltbaren Richtkopplern 33 gebildet sind. Die Ausgänge der Eingangsstufen 37 sind über ein Permutationsnetzwerk an Eingänge von 4×1-Verbindern 38 angeschlossen, welche über Verstärker 39 mit den Ausgängen des Koppelnetzwerkes nach Fig. 4 verbunden sind. Eine Steuerschaltung 36′ steuert bei der Anordnung nach Fig. 4 die einzelnen Koppelpunkte 33.

Der Durchschalteweg durch das Koppelnetzwerk wird von der Stellung der schaltbaren Richtkoppler in der ersten Stufe bestimmt. Das Netzwerk ist blockierungsfrei. Weitere Eigenschaften werden bei dem Vergleich der bekannten und der erfindungsgemäßen Koppelnetzwerke anhand von Fig. 8 erläutert.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Koppelpunkt einer Schaltmatrix, der sowohl einen Multiplexer für optische Signale verschiedener Frequenzen als auch einen Schalter darstellt und deshalb im folgenden schaltbarer Multiplexer genannt wird. In der Darstellung nach Fig. 5a ist der schaltbare Multiplexer eingeschaltet, während er sich in Fig. 5b im ausgeschalteten Zustand befindet. Der dargestellte schaltbare Multiplexer kann ein beliebiger Koppelpunkt der Schaltmatrix 31 (Fig. 1) sein. Von einem der Eingänge 11 bis 1kn wird einer Zeile 71 ein optisches Signal mit der Frequenz f_k zugeführt.

Im eingeschalteten Zustand des Multiplexers soll dieses Signal in die Spalte 72 geführt werden und dort mit gegebenenfalls bereits vorhandenen Signalen der Frequenzen f₁ bis f_k-1 gemultiplext werden. Im Auszustand soll das Signal in der gleichen Zeile 71 weitergeleitet werden. Dazu ist ein schaltbarer Verstärker 73 vorgesehen, der die durch einen 3dB-Koppler 74 verursachten Verluste ausgleicht. Ausgeschaltet wirkt der Verstärker 73 als Sperre (Fig. 5a). In diesem Fall wird ein die Zeile 71 mit der Spalte 72 verbindender weiterer Verstärker 75 aktiviert, so daß die Signale von der Zeile 71 über den 3dB-Koppler 74, den Verstärker 75 und einen weiteren 3dB-Koppler 76 zur Spalte 72 geführt werden und nochmals mit Hilfe eines Verstärkers 77 verstärkt werden. Ausgeschaltet wirkt der Verstärker 75 als Sperre, die den Signalfluß von Zeile 71 auf Spalte 72 verhindert (Fig. 5b). Mit der Einfügung der Verstärker ist sichergestellt, daß die durch die 3dB-Koppler 74, 76 jeweils verursachte Dämpfung kompensiert wird.

Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei welchem jeder der Eingänge 11 bis 1kn mit dem Eingang eines 1×n-Schalters verbunden ist. Jeder der n Ausgänge der 1×n-Schalter 81 bis 8kn ist mit einem Eingang von n Multiplexern 91 bis 9n verbunden, deren Ausgänge über je einen optischen Verstärker 101 bis 10n an je einen Eingang eines frequenzabhängigen Demultiplexers 111 bis 11n angeschlossen sind. Jeder der Demultiplexer 111 bis 11n verfügt über k Ausgänge, die jeweils einer der Frequenzen f₁ bis f_k zugeordnet sind. Insgesamt weist das Koppelnetzwerk 20 gemäß Fig. 6 - wie das Koppelnetzwerk gemäß Fig. 1 - k·n Ausgänge 61 bis 6kn auf, an welche breitbandige Empfänger 41 bis 4kn anschließbar sind. Die 1xn-Schalter 81 bis 8kn werden mit Hilfe einer Steuerschaltung 32′ nach den über die Frequenz f₀ erhaltenen Informationen gesteuert.

Das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ein Koppelnetzwerk 30, das wie die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 und 6 k·n Eingänge und k·n Ausgänge umfaßt, jedoch dreistufig aufgebaut ist. Dabei wird eine Eingangsstufe aus k Schaltmatrizen 121 bis 12k gebildet, die jeweils die Größe nxm aufweisen.

Eine mittlere Stufe wird von je m Multiplexern 131 bis 13m, Verstärkern 141 bis 14m und frequenzabhängigen Demultiplexern 151 bis 15m gebildet.

Eine Ausgangsstufe besteht aus k Schaltmatrizen 161 bis 16k. Diese sind mit den Ausgängen der Demultiplexer 151 bis 15m derart verbunden, daß Eingänge jeweils einer der Schaltmatrizen 161 bis 16k optische Signale gleicher Frequenz erhalten. Die Schaltmatrizen 161 bis 16k weisen die Größe mxn auf. An die Ausgänge 61 bis 6kn sind Empfänger 41 bis 4kn anschließbar. Eine Steuerschaltung 32" steuert die Eingangs- und Ausgangsstufen 121 bis 12k und 161 bis 16k, während die Durchschaltung der optischen Signale in der mittleren Stufe entsprechend der jeweiligen Frequenz f erfolgt.

In Fig. 8 stellen die Diagramme A1 bis A3 an sich bekannte Koppelnetzwerke der Größe NxN dar, die einstufig (A1), zweistufig (A2) und dreistufig (A3) ausgeführt sind. Die Diagramme B1 bis B3 zeigen erfindungsgemäße Koppelnetzwerke gleicher Größe, die bezüglich ihrer Struktur mit den in den Diagrammen A1 bis A3 dargestellten bekannten Koppelnetzwerken vergleichbar sind. Unter den Diagrammen ist jeweils die Anzahl S der erforderlichen Schalter und die Anzahl V der Verstärker angegeben.

Vergleicht man ein erfindungsgemäßes Koppelnetzwerk nach dem Diagramm B1 mit einer bekannten Schaltmatrix nach Diagramm A1, ergibt sich, daß die Zahl der Schalter S bei dem erfindungsgemäßen Koppelnetzwerk um den Faktor k kleiner ist. Es werden allerdings bei dem erfindungsgemäßen Koppelnetzwerk mehr Verstärker benötigt. Es bleibt daher dem Fachmann im einzelnen überlassen, bei welchen Erfordernissen im einzelnen das Koppelnetzwerk gemäß Diagramm B1 vorteilhaft verwendet werden kann.

Das erfindungsgemäße Koppelnetzwerk nach Diagramm B2 wird mit einem zweistufigen bekannten Koppelnetzwerk gemäß Diagramm A2 verglichen. Dabei zeigt sich, daß sowohl die Zahl der Verstärker als auch die Zahl der Schalter bei dem erfindungsgemäßen Koppelnetzwerk kleiner ist. Entsprechendes zeigt ein Vergleich der Koppelnetzwerke nach den Diagrammen B3 und A3.

Claims (10)

1. Optisches Koppelnetzwerk mit mehreren Stufen zur Verbindung mehrerer optischer Sender mit mehreren optischen Empfängern dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Stufe von mindestens einem steuerbaren breitbandigen Netzwerk (31; 81 bis 8N; 121 bis 12k) gebildet ist und daß mindestens eine weitere Stufe aus mindestens einem Netzwerk (51 bis 5n; 91, 101, 111 bis 9n, 10n, 11n; 131, 141, 151 bis 13m, 14m, 15m) mit frequenzabhängiger Durchschaltung besteht.

2. Optisches Koppelnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Eingängen (11 bis 1N; 11 bis 1kn) des breitbandigen Netzwerkes (31; 81 bis 8N; 121 bis 12k) schmalbandige optische Signale abstimmbarer Frequenz zuführbar sind, denen weitere Signale zur Steuerung des breitbandigen Netzwerkes zugeordnet sind.

3. Optisches Koppelnetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Signale optische Signale mit einer festen Frequenz sind und mit Steuerungsinformationen für das breitbandige Netzwerk (31; 81 bis 8N; 121 bis 12k) moduliert sind.

4. Optisches Koppelnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Netzwerke mit frequenzabhängiger Durchschaltung von je einem frequenzabhängigen Demultiplexer (51 bis 5n) gebildet sind, dessen Eingang mit einem Ausgang des breitbandigen Netzwerkes (31) verbunden ist.

5. Optisches Koppelnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das breitbandige Netzwerk (81 bis 8kn) über eine Anzahl kn·n Ausgänge verfügt, die ein Vielfaches (n) der Anzahl (k·n) der Eingänge ist, daß die Ausgänge des breitbandigen Netzwerkes über ein Permutationsnetzwerk mit Eingängen der weiteren Stufe verbunden sind, und daß die weitere Stufe aus einer Anzahl (n) Netzwerke mit frequenzabhängiger Durchschaltung gebildet ist, die jeweils einen Multiplexer (91 bis 9n) mit einer Anzahl (k·n) Eingänge und einen frequenzabhängigen Demultiplexer (111 bis 11n) mit einer Anzahl (k) Ausgänge umfassen, wobei die Anzahl der Ausgänge (k) der Demultiplexer der Anzahl der Frequenzen entspricht, auf welche dem breitbandigen Netzwerk zugeführte schmalbandige optische Signale abstimmbar sind (Fig. 6).

6. Optisches Koppelnetzwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen einem Multiplexer (91 bis 9n) und einem Demultiplexer (111 bis 11n) ein optischer Verstärker (101 bis 10n) angeordnet ist.

7. Optisches Koppelnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Stufe von einem ersten steuerbaren breitbandigen Netzwerk gebildet ist, daß eine zweite Stufe von mehreren Netzwerken mit frequenzabhängiger Durchschaltung gebildet ist, daß eine dritte Stufe aus einem weiteren breitbandigen Netzwerk besteht und daß das erste breitbandige Netzwerk mit den Netzwerken mit frequenzabhängiger Durchschaltung und die Netzwerke mit der frequenzabhängigen Durchschaltung mit dem zweiten breitbandigen Netzwerk mit Hilfe jeweils eines Permutationsnetzwerkes verbunden sind.

8. Optisches Koppelnetzwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen einem Multiplexer (131 bis 13m) und einem Demultiplexer (151 bis 15m) ein optischer Verstärker (141 bis 14m) angeordnet ist.

9. Optisches Koppelnetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das breitbandige Netzwerk (31) über eine Anzahl (k·n) von Eingängen (11 bis 1kn) verfügt, welche sich aus dem Produkt der Anzahl (k) der abstimmbaren Frequenzen und der Anzahl von Ausgängen des breitbandigen Netzwerkes (31) ergibt.

10. Optisches Koppelnetzwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das breitbandige Netzwerk (31) aus einer Matrixanordnung besteht, deren Koppelpunkte je eine schaltbare Verbindung zwischen den die Spalten (72) und Zeilen (71) bildenden optischen Leitern umfaßt, wobei die Verbindung aus einem Koppler (74), aus einem schaltbaren Verstärker (75) und einem weiteren Koppler (76) besteht, und daß sich in Signalflußrichtung gesehen nach dem mit dem jeweiligen Leiter verbundenen optischen Koppler je ein optischer Verstärker (73, 77) befindet, von denen einer (73) schaltbar ist.