專利名稱：自由空間光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)與輸入接口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)和構(gòu)成該網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)系統(tǒng)，可用于光互連并行處理計(jì)算機(jī)和光通訊領(lǐng)域。
自由空間光學(xué)多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)是發(fā)展運(yùn)算速度為百、千億次乃至萬(wàn)億次光互連并行處理高性能計(jì)算機(jī)和寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通訊網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)之一，是各國(guó)極為關(guān)注的問(wèn)題。美國(guó)AT&TBELL實(shí)驗(yàn)室于1991年11月提出了采用全交叉互連網(wǎng)絡(luò)的自由空間光學(xué)交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，見(jiàn)美國(guó)專利U.Spatent5，00077，483，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由偏光棱鏡、棱鏡光柵、透鏡組成，系統(tǒng)復(fù)雜，難于調(diào)整，體積大，互連數(shù)和互連密度低。1993年Ap-plied Oprics，Vol.32，No.26，PP5153報(bào)導(dǎo)了第一代自由空間光學(xué)交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，1994年Applied 0ptics，Vol.33，No.8，PP1601報(bào)導(dǎo)了第二代自由空間光學(xué)交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第一、二代自由空間光學(xué)交換網(wǎng)絡(luò)都是采用榕樹(shù)(Banyan)網(wǎng)絡(luò)，由節(jié)點(diǎn)級(jí)和互連級(jí)組成，實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)級(jí)以對(duì)稱自電光效應(yīng)S-SEED靈巧象元FET-SEED作為光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件，互連級(jí)包括半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直、糾形、輸入泵浦光系統(tǒng)，對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)，光軸糾正和時(shí)鐘偏置光束列陣泵浦系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)是在4F光學(xué)成像系統(tǒng)中用一片1×3二元位相光柵實(shí)現(xiàn)其互連函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，互連數(shù)和互連密度大，但該互連網(wǎng)絡(luò)具有以下三個(gè)缺點(diǎn)(1)1×3二元位相光柵將傳輸信息的輸入光學(xué)載波通道中每一條分為三條光學(xué)載波信道，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)級(jí)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的扇入為2，因此，僅有2/3的光學(xué)載波信道構(gòu)成榕樹(shù)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信息，1/3的光學(xué)載波信道完全無(wú)用，浪費(fèi)了1/3的光功率，導(dǎo)致系統(tǒng)的傳輸率降低。(2)為了使1/3完全無(wú)用的光學(xué)信道不引起串活，在光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件上要多設(shè)置1/3的窗口，吸收這些完全無(wú)用的光學(xué)載波信道的光功率，故光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件的窗口多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響傳輸率提高。(3)自由空間榕樹(shù)多級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于每級(jí)互連函數(shù)不同，故每一級(jí)光學(xué)硬件也不相同，光學(xué)調(diào)整相對(duì)復(fù)雜。
本發(fā)明的目的在于提高光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中光學(xué)載波信道的利用率，降低光功率損耗，提高傳輸效率、簡(jiǎn)化光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)器件的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出一種新穎的自由空間光學(xué)多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提供了在4F成像系統(tǒng)中用一片1×2二元位相計(jì)算光柵實(shí)現(xiàn)互連函數(shù)的技術(shù)手段。為了減少互連級(jí)數(shù)，本發(fā)明在輸入端口和光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)之間提出了扇出為4的輸入接口及其光學(xué)實(shí)現(xiàn)手段。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，由節(jié)點(diǎn)級(jí)和互連級(jí)組成的自由空間光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)級(jí)上節(jié)點(diǎn)扇入和扇出為2，節(jié)點(diǎn)級(jí)之間的互連關(guān)系為 其中K為網(wǎng)絡(luò)輸入端口序號(hào)，K′為網(wǎng)絡(luò)輸出端口序號(hào)，取值為0，1，2，…，N－1；輸入端口光束點(diǎn)陣數(shù)目N為2～1000。
構(gòu)成所述自由空間光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)系統(tǒng)，其節(jié)點(diǎn)級(jí)以靈巧象元FET-SEED或CMOS-SEED作為光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件，互連級(jí)包括半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直、糾形、輸入泵浦光系統(tǒng)，對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)、級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，光軸糾正光楔和時(shí)鐘偏置光束列陣泵浦系統(tǒng)，其特征在于(1)所述級(jí)聯(lián)系統(tǒng)包括置于對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)光闌平面上的1×2二元位相計(jì)算全息光柵以及對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)光闌平面和輸出透鏡之間的光學(xué)組合件，(2)所述級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的1×2二元位相計(jì)算全息光柵為條紋狀光柵，其光柵周期常數(shù)為P，光柵位相深度為D，P=2FλNd0,D=λ2(n-1)]]>其中N為輸入端口光束點(diǎn)陣數(shù)，輸入端口相鄰兩光點(diǎn)間距d0為5um-2000um，對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)透鏡焦距F為5mm-50mm，入射光波長(zhǎng)λ為0.2um-20um，n為光柵材料折射率。
(3)所述級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的光學(xué)組合件由兩塊柱面透鏡組成，也可由兩塊光楔或四塊光楔組成，將光束列陣在x方向的衍射角壓縮一倍。由于加入上述級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)可以不是嚴(yán)格的4F系統(tǒng)，其輸出透鏡和光闌平面之間距離可為透鏡焦距F的1.2-2.0倍。
為了將載波光斑、偏置光束和信號(hào)光束嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件的象元窗口，本光學(xué)系統(tǒng)可以配備由照明光源和CCD攝像裝置組成的照明及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，照明光源可以是自熾燈或發(fā)光二極管，照射在成像平面上，用CCD攝像裝置對(duì)成像平面的光斑點(diǎn)陣和光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件的窗口進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)試。
為保證本光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，其體系結(jié)構(gòu)采用封閉埋入式磁導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，各部分分別封閉在鋼管內(nèi)，再埋入磁導(dǎo)軌中形成模塊式結(jié)構(gòu)，各部分之間采用一對(duì)光楔準(zhǔn)確調(diào)整光軸。
為不增加互連級(jí)數(shù)，減少網(wǎng)絡(luò)的滯后時(shí)間，本發(fā)明還提出一種用于光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)的輸入接口，由靈巧象元FET-SEED或CMOS-SEED作為光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件，半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直、糾形、輸入泵浦光系統(tǒng)，對(duì)稱離軸4F成像系統(tǒng)，光軸糾正光楔和時(shí)鐘偏置光束列陣泵浦系統(tǒng)構(gòu)成，其特征在于(1)在所述對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)的透鏡之間光闌平面上放置一片1×4二元位相光柵，序號(hào)0-N-2光學(xué)載波信道在成像面上相鄰兩光點(diǎn)間距d0，序號(hào)N-1與序號(hào)N-2光學(xué)載波信道在成像面上的光點(diǎn)間距d1，所述1×4二元位相光柵衍射角使得d0≠d1(2)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件接收窗口與所述成像面上扇入為2非均勻排列的2N個(gè)光點(diǎn)嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，而其輸出窗口保持均勻間距排列。
如同所述光學(xué)系統(tǒng)一樣，本輸入接可以配備由照明光源和CCD攝像裝置組成的照明及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，照明光源可以是白熾燈或發(fā)光二極管，照射在成像平面上，用CCD攝像裝置對(duì)成像平面的光斑點(diǎn)陣和光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件的窗口進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)試。
本輸入接口體系結(jié)構(gòu)也宜采用封閉埋入式磁導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，各部分分別封閉在鋼管內(nèi)，再埋入磁導(dǎo)軌巾形成模塊式結(jié)構(gòu)，各部分之間采用一對(duì)光楔準(zhǔn)確調(diào)整光軸。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)光學(xué)系統(tǒng)中從1×2二元位相計(jì)算全息光柵出來(lái)的所有光學(xué)載波通道，全部都被用于構(gòu)成光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)，其利用率為100％，光學(xué)系統(tǒng)的傳輸效率比起現(xiàn)有技術(shù)提高了34％，導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸率增加。
(2)由于光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)載波信道完全被利用，故開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件上不需要設(shè)置1/3的吸收窗口，故該器件結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單。
(3)本發(fā)明光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)，用于多級(jí)互連時(shí)，每一級(jí)互連函數(shù)完全相同，每一級(jí)光學(xué)硬件結(jié)構(gòu)也就完全相同，故該光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便。
(4)本發(fā)明提出扇出為4的輸入接口，在4F成像系統(tǒng)，僅用一片1×4二元位相光柵即能實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本發(fā)明可以廣泛用于運(yùn)算速度為千億次到萬(wàn)億次的光學(xué)互連并行處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和大容量寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)中大容量光學(xué)交叉連接及大容量光學(xué)交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
圖1a為本發(fā)明光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D。
圖1b為用二進(jìn)制數(shù)表示網(wǎng)絡(luò)輸入輸出端口序號(hào)時(shí)的互連拓?fù)?為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)系統(tǒng)。
圖3a為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的1×2二元光柵光學(xué)原理圖。
圖3b為級(jí)聯(lián)系統(tǒng)1×2二元光柵周期位相跳變結(jié)構(gòu)圖。
圖4a為N束輸入光經(jīng)過(guò)1×2二元光柵后物面和象面的點(diǎn)陣序列。
圖4b為N束輸入光經(jīng)過(guò)1×2二元光柵和光學(xué)組合件后輸入輸出端口排列。
圖5為本發(fā)明光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)光學(xué)原理圖。
圖6為一維自由空間光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
圖7a為二維自由空間光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
圖7b為7a相應(yīng)的分段式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。
圖8為本發(fā)明的光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在Y方向互連的光學(xué)原理圖。
圖9為實(shí)際的二維自由空間光學(xué)系統(tǒng)互連。
圖10為本發(fā)明的輸入接口。
圖11為輸入接口輸入輸出點(diǎn)陣。
圖12為輸入接口光學(xué)原理圖。
圖13為輸入輸出端口數(shù)N為8的實(shí)用輸入接口和一維自由空間光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的通訊網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)結(jié)合


本發(fā)明的實(shí)施狀況。為方便說(shuō)明，將本發(fā)明的光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)命名為comega互連網(wǎng)絡(luò)。
圖1a表示光束點(diǎn)陣數(shù)目N＝16時(shí)，由本發(fā)明光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)的互連關(guān)系所確定的拓?fù)鋱D，圖中0，1，2…N－1為輸入端口和輸出端口序號(hào)，若用一組二進(jìn)制數(shù)Xn－1Xn－2X1X0(n＝log2N)，則輸入輸出端口序號(hào)可用下列關(guān)系式表示 相應(yīng)的互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1b所示。
圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明光學(xué)互連圖絡(luò)的光學(xué)系統(tǒng)，以靈巧象元FET-SEED或CMOS-SEED作為光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件，置于本光學(xué)系統(tǒng)成像平面上，本系統(tǒng)的半導(dǎo)體激光束提供光載波通道的傳輸功率，由于半導(dǎo)體激光器發(fā)射出激光束的縱向和橫向發(fā)射角之比一般為4∶1的發(fā)散光束，而光學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行需要口徑直徑為4-5mm的準(zhǔn)直圓形激光光束，為此，半導(dǎo)體激光束必須經(jīng)過(guò)由準(zhǔn)直透鏡和糾形棱鏡組成的準(zhǔn)直，糾形光學(xué)系統(tǒng)LCC1，成為準(zhǔn)直的圓形激光束。輸入位相計(jì)算全息光柵BPG1形成并行光載波通道陣列，它能將一束準(zhǔn)直平行的激光束變成N×M陣列的光學(xué)載波通道，在輸入透鏡L1的焦平面IP1上可觀察到N×M的光斑點(diǎn)陣。本光學(xué)系統(tǒng)采用對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)，它包括輸入透鏡L1和輸出透鏡L2，L1的焦平面為L(zhǎng)P1，L2的焦平面為L(zhǎng)P2。本光學(xué)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)包括置于對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)LP1-L1-L2-LP2光闌平面上的1×2位相計(jì)算全息光柵BPG2以及光闌平面和輸出透鏡L2之間的光學(xué)組合件OCD，圖2中該光學(xué)組合件OCD由兩塊柱面透鏡組成，將光束列陣在X方向的衍射角壓縮一倍。為將光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或大容量光學(xué)交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，IP1焦平面上必須放置一塊N×M象元的光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件，IP2焦平面上也必須放置開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件，而為了使靈巧象元FET-SEED或CMOS-SEED等光開(kāi)關(guān)器件正常運(yùn)行，除了輸入N×M信號(hào)光入射在信號(hào)窗口之外，還必須有非均勻間距N×2M時(shí)鐘偏置光束陣列照射在偏置泵浦窗口上，圖2中時(shí)鐘偏置光束列陣泵浦系統(tǒng)II由準(zhǔn)直和糾形光學(xué)系統(tǒng)TCC2和輸出位相計(jì)算全息光柵BPG3構(gòu)成，由于IP2焦平面上的光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)扇入為2，故在水平X方向相鄰的兩個(gè)光點(diǎn)入射在一個(gè)光節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)的兩個(gè)信號(hào)窗口上。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)各光學(xué)元件的同軸同心都由高精度的機(jī)械加工保證，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)分五部分，各部分分別封閉在45號(hào)鋼管內(nèi)，再埋入磁導(dǎo)軌中形成模塊式的結(jié)構(gòu)。各部分間用一對(duì)光楔準(zhǔn)確地調(diào)整光軸，使每一個(gè)光斑列陣嚴(yán)格地對(duì)準(zhǔn)每一個(gè)窗口列陣。
為將光斑點(diǎn)陣嚴(yán)格地對(duì)準(zhǔn)光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件窗口，本光學(xué)系統(tǒng)配備由照明光源和CCD攝像裝置組成的照明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，照明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)I1-CCD1由照明光源I1和CCD攝像裝置CCD1組成，在觀察監(jiān)測(cè)時(shí)，在光路中插入兩片λ/2波片，見(jiàn)圖2中View標(biāo)志，讓照明光源照射在IP1焦平面上，用CCD1攝像裝置對(duì)光斑點(diǎn)陣和窗口進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)。I2-CCD2是IP2焦平面的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于每一級(jí)具有獨(dú)立的照明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件接口，調(diào)試方便，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，將λ/2波片從光路中抽出，見(jiàn)圖2中openation。
圖3a為本光學(xué)系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的1×2二元位相計(jì)算全息光柵BPG2光學(xué)原理圖，它置丁L1和L2之間的光闌平面上，使每一束光衍射為m＝1和m＝-1兩束衍射光，根據(jù)位相計(jì)算全息光柵方程P(sinθd－sinθi)＝mλ其中θi為光束入射角，θd為第m級(jí)衍射光束的衍射角，P為光柵周期，λ為光束波長(zhǎng)，m為第m衍射級(jí)，只要改變BPG2的周期結(jié)構(gòu)P，就可以改變m＝1和m＝-1各衍射級(jí)的衍射角θd，從光柵輸出的衍射光通過(guò)焦距為f的輸出透鏡L2，將按角度分布的各級(jí)衍射光變換成在輸出像平面上按空間分布的光斑陣列，各衍射光的光斑距光軸00′的距離。
h＝ftgθd為了使光學(xué)載波通道在透鏡L1前焦平面的輸入端口和透鏡L2后焦平面上的輸出端口的序列滿足光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)的互連關(guān)系，1×2二元位相計(jì)算全息光柵BPG2可按下列方法設(shè)計(jì)設(shè)物鏡面上輸入端口的光束點(diǎn)陣為N，排列序號(hào)為0，1，2…N－2，N－1，其相鄰兩光點(diǎn)間距為d0，經(jīng)BPG2后，每束輸入光束分為m＝1和m＝-1兩束衍射光，并在輸出成像面上的間距應(yīng)為Nd0。m＝±1的兩束衍射光的夾角應(yīng)設(shè)計(jì)為Δθ=2arctgNd02f]]>為了確定光柵周期常數(shù)p，考慮正入射情況下，入射角θi＝0，m＝±1級(jí)的衍射角θ+1為兩束衍射光夾角Δθ的一半，即θ+1 根據(jù)光柵方程有P(sinΔθ/2－sin6i)＝λ，P=λsinΔθ/2=λsin(arctgNd02f)≈2fλNd0]]>例如當(dāng)輸入端口光束點(diǎn)陣為N＝8，相鄰兩束光點(diǎn)間距d0＝400um，入射光波長(zhǎng)λ為0.85um，傅立葉變換透鏡的焦距f＝25mm，則由上式可計(jì)算出p為13.28um，根據(jù)光柵周期常數(shù)p的值，即可設(shè)計(jì)制作1×2光柵，其光柵周期位相跳變結(jié)構(gòu)如圖3b所示。
圖4a表明，N束輸入光經(jīng)過(guò)BPG2位相光柵后，每束輸入光都依次向同一方向分為間距為Nd0的兩束信號(hào)光，形成2N個(gè)光束點(diǎn)陣，其排列序號(hào)為N－1，N－2，…2，1，0，N－1，N－2…，2，1，0因?yàn)殚_(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的扇入扇出都為2，故相鄰的兩束光入射在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，成像面上的輸出端口序號(hào)排列為 …(N－2)′，(N－1)′，并且兩相鄰輸出端口的間距增加了一倍，見(jiàn)圖4a。為方便敘述，以N＝8為例，輸入端口序號(hào)K＝0的光學(xué)載波信道，通過(guò)該光學(xué)系統(tǒng)傳輸?shù)捷敵鲂蛱?hào)K′為3′和7′的端口，輸入序號(hào)K＝6的光學(xué)載波信道，傳輸?shù)叫蛱?hào)K′為0′和4′的端口，而輸出平面上相鄰端口間距正好為輸入端口間距的兩倍，如圖4a所示。
在實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)中，為了方便級(jí)連，輸出平面光斑點(diǎn)陣中相鄰光斑間距與輸入平面光斑點(diǎn)陣相鄰光斑間距應(yīng)完全相同，由于BPG2將輸入光束列陣張角擴(kuò)大了一倍，故在BPG2和輸出透鏡L2之間必須引入一光學(xué)組合件OCD，該光學(xué)組合件將光束列陣在X方向的衍射角壓縮一倍，它可由兩塊柱面鏡組成，見(jiàn)圖5。
圖6表示的一維自由空間光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由完全相同互連關(guān)系的多互連級(jí)組成，在輸入輸出平面上，若N端口排列在X方向，n位數(shù)據(jù)編碼排列在y方向，N端口的數(shù)據(jù)完全以并口形式并行傳送。該一維互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可構(gòu)成數(shù)據(jù)編碼為n位的N個(gè)輸入輸出端口可重排，低阻塞或無(wú)阻塞的互連交換通訊網(wǎng)。
自由空間多級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為一維和二維自由空間網(wǎng)絡(luò)，二維自由空間comega多級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，輸入和輸出平面上端口排列為二維列陣如4×4，8×8，16×16…N×N。要實(shí)現(xiàn)輸入輸出平面上二維列陣端口中任何端口的通訊，必須采用二維自由空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。二維自由空間Comega互連網(wǎng)絡(luò)。輸入輸出平面上在Y方向排列的端口，在Y方向上按Comega互連函數(shù)連接，稱為Y方向Comega互連網(wǎng)絡(luò)。為論述簡(jiǎn)單起見(jiàn)，以輸入輸出平面端口排列為4×4列陣，如圖7a所示的二維自由空間Comega網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行討論，圖中第0和第1互連級(jí)為X方向的一維Comega互連，第2和第3互連級(jí)為Y方向的一維Comega互連。圖7a二維自由空間Comega網(wǎng)絡(luò)。其相對(duì)應(yīng)的分段式一維Comega網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7b。
根據(jù)前面分析，二維自由空間Comega網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)實(shí)現(xiàn)與一維自由空間Comega網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)實(shí)現(xiàn)完全相同，X方向一維自由空間Comega網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)實(shí)現(xiàn)和光學(xué)系統(tǒng)如圖5所示。Y方向的一維自由空間Comega網(wǎng)絡(luò)光學(xué)實(shí)現(xiàn)和光學(xué)系統(tǒng)，將圖2和圖5中的BPG2和光束張角壓縮光學(xué)組合器OCD旋轉(zhuǎn)90即可，見(jiàn)圖8。值得注意的是，圖7a與實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中的光互連線不完全相同，對(duì)X方向一維Comega互連來(lái)說(shuō)，Y方向的倒置成像關(guān)系被忽略了，對(duì)Y方向一維Comega互連來(lái)說(shuō)，X方向的倒置成像關(guān)系被忽略了。對(duì)于4f成像系統(tǒng)，此忽略對(duì)一維Comega網(wǎng)絡(luò)的互連拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)沒(méi)有影響，因?yàn)閳D8表示出了由BPG和透鏡所產(chǎn)生的必須的光斑位移。實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)載波互連光束如圖9所示。在X方向一維Comega網(wǎng)絡(luò)中，若在輸出平面上將排列在Y方向的節(jié)點(diǎn)序號(hào)倒置標(biāo)志，見(jiàn)圖9中的第一和第二節(jié)點(diǎn)級(jí)。Y方向一維Comega網(wǎng)絡(luò)輸出平面上，將排列在X方向的節(jié)點(diǎn)序號(hào)倒置標(biāo)示見(jiàn)圖9中第三和第四節(jié)點(diǎn)級(jí)，則如圖9所示的二維自由空間Comega網(wǎng)絡(luò)所對(duì)應(yīng)的分段式Comega網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c圖7b完全相同。
自由空間多級(jí)網(wǎng)絡(luò)由互連級(jí)和節(jié)點(diǎn)級(jí)組成，目前，光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)級(jí)分為五種類型2模式節(jié)點(diǎn)，(2，1，1)節(jié)點(diǎn)，(2，2，2)節(jié)點(diǎn)，(4，1，1)節(jié)點(diǎn)和(4，4，4)光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)，一維和二維自由空間光學(xué)Comega網(wǎng)絡(luò)，都采用(2，1，1)光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成無(wú)阻塞或低阻塞自由空間光學(xué)通訊網(wǎng)絡(luò)，為了不增加互連級(jí)數(shù)，減少網(wǎng)絡(luò)的滯后時(shí)間，則開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)至少擴(kuò)大一倍，顯然從輸入端口平面到自由空間光學(xué)Comega網(wǎng)絡(luò)之間，還需要有輸入接口。圖10為實(shí)施本發(fā)明的輸入接口的光學(xué)系統(tǒng)。該輸入接口的輸入端口數(shù)為N，每一個(gè)端口的扇出為4，則網(wǎng)絡(luò)接口的輸出端數(shù)變?yōu)?N，其扇入為2，本發(fā)明輸入接的輸入輸出點(diǎn)陣見(jiàn)圖11。
實(shí)現(xiàn)圖11所示的輸入接口網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)系統(tǒng)如圖12所示，一片1×4的位相二元光柵BPG4被插入4f光學(xué)系統(tǒng)中兩透鏡之間的光闌平面上。BPG4將一束光衍射成M＝+1，+3，-1，-3四條衍射級(jí)。BPG4將每一束光學(xué)載波信道分成4束光學(xué)通道，如前面所述若改變BPG4周期結(jié)構(gòu)可以使不同的衍射級(jí)具有不同的角度，當(dāng)4N條光束通過(guò)透鏡時(shí)，輸出透鏡對(duì)4N條光作角度一空間變換，將對(duì)光軸具有不同角度的4N條光在成像面上變?yōu)?N光斑列陣。為了使輸入接口網(wǎng)絡(luò)的輸出光斑中，噪聲無(wú)用的高衍射級(jí)的光斑對(duì)數(shù)據(jù)通道光斑點(diǎn)陣不產(chǎn)生串活。必須調(diào)整BPG4的衍射角，使得噪聲無(wú)用的高衍射級(jí)的光斑偏離于數(shù)據(jù)通道的光斑點(diǎn)陣，即在圖11和圖12中d0≠d1可見(jiàn)，來(lái)自1×N端口的N條載波光學(xué)信道在4F成像光學(xué)系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)1×4的正BPG4和輸出透鏡，在輸出成像平面上形成了扇入為2非均勻排列的2N個(gè)輸出端口。精確設(shè)計(jì)FET-SEED接收窗口列陣，使其與2N非均勻窗口嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，而FET-SEED的輸出窗口仍然保持均勻間隔排列，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。
以n位數(shù)據(jù)編碼輸入輸出端口數(shù)為N的系統(tǒng)為例，(2，1，1)光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)級(jí)的一維自由空間光學(xué)Comega網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的無(wú)阻塞或低阻塞的通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)見(jiàn)圖13(注意互連級(jí)和節(jié)點(diǎn)級(jí)根據(jù)端口數(shù)N進(jìn)行調(diào)整)。故這種網(wǎng)絡(luò)可以推廣到N×N的二維自由空間光學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。二維自由空間光學(xué)Comega網(wǎng)絡(luò)可用于大容量寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)通訊系統(tǒng)。圖10和圖11所示的Comega輸入接口網(wǎng)絡(luò)可以作為圖7-a或圖9所示的二維自由空間Comega光學(xué)交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入接口網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)成寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)中大容量的光學(xué)交換網(wǎng)絡(luò)。
權(quán)利要求
1.一種由節(jié)點(diǎn)級(jí)和互連級(jí)組成的自由空間光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)級(jí)上節(jié)點(diǎn)扇入和扇出為2，其特征在于節(jié)點(diǎn)級(jí)之間的互連關(guān)系為 其中K為網(wǎng)絡(luò)輸入端口序號(hào)，K′為網(wǎng)絡(luò)輸出端口序號(hào)，取值為0，1，2，…，N－1；輸入端口光束點(diǎn)陣數(shù)目N為2～1000。
2.一種用于構(gòu)成權(quán)利要求1所述光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)系統(tǒng)，其節(jié)點(diǎn)級(jí)以靈巧象元FET-SEED或CMOS-SEED作為光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件，互連級(jí)包括半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直、糾形、輸入泵浦光系統(tǒng)，對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，光軸糾正光楔和時(shí)鐘偏置光束列陣泵浦系統(tǒng)，其特征在于(1)所述級(jí)聯(lián)系統(tǒng)包括置于對(duì)稱離軸光學(xué)4P成像系統(tǒng)光闌平面上的1×2二元位相計(jì)算全息光柵以及對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像光闌平面和輸出透鏡之間的光學(xué)組合件，(2)所述級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的1×2二元位相計(jì)算全息光柵為條紋狀光柵，其光柵周期常數(shù)為P，光柵位相深度為D，P=2FλNd0,D=λ2(n-1)]]>其中N為輸入端口光束點(diǎn)陣數(shù)，輸入端口相鄰兩光點(diǎn)間距d0為5um-2000um，對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)透鏡焦距F為5mm-50mm，入射光波長(zhǎng)λ為0.2um-20um，n為光柵材料折射率，(3)所述級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的光學(xué)組合件由兩塊柱面透鏡組成，也可由兩塊光楔或四塊光楔組成，將光束列陣在x方向的衍射角壓縮一倍。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)輸出透鏡和光闌平面之間距離可為透鏡焦距F的1.2-2.0倍。
4.如權(quán)利要求2或3所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該光學(xué)系統(tǒng)配備由照明光源和CCD攝像裝置組成的照明及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，照明光源可以是白熾燈或發(fā)光二極管，照射在成像平面上，用CCD攝像裝置對(duì)成像平面的光斑點(diǎn)陣和光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件的窗口進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)試。
5.如權(quán)利要求2或3所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于其體系結(jié)構(gòu)采用封閉埋入式磁導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，各部分分別封閉在鋼管內(nèi)，再埋入式磁導(dǎo)軌中形成模塊式結(jié)構(gòu)，各部分之間采用一對(duì)光楔準(zhǔn)確調(diào)整光軸。
6.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于其體系結(jié)構(gòu)采用封閉埋入式磁導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，各部分分別封閉在鋼管內(nèi)，再埋入磁導(dǎo)軌中形成模塊式結(jié)構(gòu)，各部分之間采用一對(duì)光楔準(zhǔn)確調(diào)整光軸。
7.一種用于權(quán)利要求1所述的光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)的輸入接口，由自電光效應(yīng)空間光調(diào)制器SEED、靈巧象元FET-SEED或CMOS-SEED作為挑開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件，半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直、糾形、輸入泵浦光系統(tǒng)，對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)，光軸糾正光楔和時(shí)鐘偏置光束列陣泵浦系統(tǒng)構(gòu)成，其特征在于(1)在所述對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)兩透鏡之間光闌平面上放置一片1×4二元位相光柵，序號(hào)0-N-2光學(xué)載波信道在成像面上相鄰兩光點(diǎn)間距d0，序號(hào)N-1與序號(hào)N-2光學(xué)載波信道在成像面上的光點(diǎn)間距d1，所述1×4二元位相光柵衍射角使得d0≠d1，(2)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件接收窗口與所述成像面上扇入為2非均勻排列的2N個(gè)光點(diǎn)嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，其輸出窗口保持均勻間距排列。
8.如權(quán)利要求7所述的輸入接口，其特征在于該輸入接口配備由照明光源和CCD攝象裝置組成的照明及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，照明光源可以是白熾燈或發(fā)光二極管，照射在成像平面上，用CCD攝像裝置對(duì)成像平面的光斑點(diǎn)陣和光開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)列陣器件的窗口進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)試。
9.如權(quán)利要求7或8所述的輸入接口，其特征在于其體系結(jié)構(gòu)采用封閉埋入式磁導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，各部分分別封閉在鋼管內(nèi)，再埋入磁導(dǎo)軌中形成模塊式結(jié)構(gòu)，各部分之間采用一對(duì)光楔準(zhǔn)確調(diào)整光軸。
全文摘要
由節(jié)點(diǎn)級(jí)和互連級(jí)構(gòu)成的全新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)，置于對(duì)稱離軸光學(xué)4F成像系統(tǒng)光闌平面的1×2二元光柵及光學(xué)組合件構(gòu)成互連級(jí)，并配備扇入為4的輸入接口。本系統(tǒng)中光學(xué)載波信道完全利用，無(wú)需多余吸收窗口，多級(jí)互連時(shí)，各級(jí)互連函數(shù)完全相同，故各級(jí)光學(xué)硬件完全相同，系統(tǒng)傳輸率比現(xiàn)有技術(shù)提高34％，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，可廣泛用于高速光學(xué)互連并行處理計(jì)算機(jī)和大容量光學(xué)交叉連接及光學(xué)交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
文檔編號(hào)G06E1/00GK1133981SQ96100488
公開(kāi)日1996年10月23日 申請(qǐng)日期1996年2月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月5日
發(fā)明者曹明翠, 李洪譜, 羅風(fēng)光, 萬(wàn)安君, 徐軍 申請(qǐng)人:華中理工大學(xué)