Волоконно-оптическое запоминающее устройство

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Малевич Игорь Александрович Поляков Александр Владимирович Чубаров Сергей Ильич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Волоконно-оптическое запоминающее устройство, содержащее последовательно соединенные блок управления, набор инжекционных лазеров, излучающих на разных длинах волн, оптические мультиплексор и демультиплексор, волоконно-оптическую линию задержки, набор фотоприемников, отличающееся тем, что в него введены оптический разветвитель, отрезок волоконного световода с отрицательной компенсирующей дисперсией, линейный волоконно-оптический эрбиевый усилитель, оптический изолятор, выходной волоконно-оптический эрбиевый усилитель мощности, причем выход мультиплексора соединен с одним из входов оптического разветвителя, первый выход которого через волоконно-оптическую линию задержки, отрезок волоконного световода с отрицательной компенсирующей дисперсией, линейный волоконно-оптический эрбиевый усилитель и оптический изолятор соединен со вторым входом оптического разветвителя, а второй выход через выходной волоконно-оптический эрбиевый усилитель мощности и демультиплексор соединен со входами фотоприемников. Предлагаемая полезная модель относится к вычислительной технике и может быть использована в оптоэлектронных процессорах, системах приема и прецизионной обработ 80122012.02.28 ки оптической информации, а также в высокоскоростных волоконно-оптических линиях связи в качестве быстродействующей буферной памяти. Известно оптическое запоминающее устройство 1, содержащее последовательно соединенные и оптически связанные двухволновой лазер, волоконно-оптический световод и спектральный селектор, выходы которого оптически связаны с двумя фотоприемниками,соединенными через первый и второй элементы ИЛИ с входами блока управления лазером, соединенного с лазером, а также генератор тактовых импульсов, светоделитель,установленный между выходом волоконно-оптического световода и спектральным селектором и оптически связанный через нелинейный кристалл с третьим фотоприемником,выход которого соединен с вычислительным блоком. Недостатками данного устройства являются ограниченный спектральный диапазон хранимых сигналов (две длины волны) двукратное преобразование оптического сигнала в электрический и обратно в процессе рециркуляции не позволяет осуществлять обработку оптического потока субнаносекундного диапазона. Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является оптоэлектронное устройство для хранения информации в волоконно-оптической передающей системе 2,выбранное в качестве прототипа, содержащее набор полупроводниковых лазеров, излучающих на разных длинах волн, набор оптических спектральных селекторов (мультиплексоров/демультиплексоров) на основе дихроичных зеркал, волоконно-оптическую линию задержки, набор оптических согласующих элементов и фотоприемников, оптический рефлектор и блок управления. Недостатком данного устройства является то, что регенерация осуществляется путем преобразования оптического сигнала в электрический и обратно, что сужает диапазон частот входных информационных потоков. Поскольку рабочая спектральная полоса дихроичных зеркал достаточно широкая (40-50 нм), это ограничивает количество спектральных каналов хранения информации (15-20 каналов в диапазоне 850-1600 нм). С учетом того,что в диапазоне 850-1300 нм в оптическом волокне наблюдаются повышенный уровень потерь мощности излучения и высокая дисперсия, это ограничивает максимальную длину волоконно-оптической линии задержки и, как следствие, значительно ухудшает информационные характеристики запоминающего устройства. Задачей предлагаемой полезной модели является создание волоконно-оптического запоминающего устройства, реализующего полностью оптический принцип регенерации со спектральным и временным уплотнением информационного потока субнаносекундного диапазона, что позволит увеличить быстродействие и повысить информационную емкость волоконно-оптической динамической буферной памяти. Поставленная задача решается тем, что в волоконно-оптическое запоминающее устройство, содержащее набор инжекционных лазеров, излучающих на разных длинах волн, волоконно-оптическую линию задержки, оптические мультиплексор и демультиплексор, блок управления, набор фотоприемников, по предлагаемому техническому решению введены оптический разветвитель, отрезок волоконного световода с отрицательной компенсирующей дисперсией, линейный волоконно-оптический эрбиевый усилитель, оптический изолятор, выходной волоконно-оптический эрбиевый усилитель мощности, причем выход мультиплексора соединен с одним из входов оптического разветвителя, первый выход которого через волоконно-оптическую линию задержки, отрезок волоконного световода с отрицательной компенсирующей дисперсией, линейный волоконно-оптический эрбиевый усилитель и оптический изолятор соединен со вторым входом оптического разветвителя, а второй выход через выходной волоконно-оптический эрбиевый усилитель мощности и демультиплексор соединен со входами фотоприемников. Сущность полезной модели поясняется чертежом. На чертеже представлена функциональная схема волоконно-оптического запоминающего устройства. 2 80122012.02.28 Заявляемое устройство содержит блок управления 1, набор инжекционных лазеров,излучающих на различных длинах волн 2, оптический мультиплексор 3, оптический разветвитель 4, волоконно-оптическую линию задержки 5, отрезок волоконного световода с отрицательной компенсирующей дисперсией 6, линейный волоконно-оптический эрбиевый усилитель 7, оптический изолятор 8, выходной волоконно-оптический эрбиевый усилитель мощности 9, демультиплексор 10 и набор фотоприемников 11. Предлагаемое устройство работает следующим образом. На вход блока управления 1 поступают информационные последовательности импульсов, которые преобразуются в наборе инжекционных лазеров, излучающих на различных длинах волн 2, в последовательности оптических импульсов на различных длинах волн, которые через оптический мультиплексор 3 и первый вход оптического разветвителя 4 поступают в волоконнооптическую линию задержки 5, последовательно с которой соединен отрезок волоконного световода с отрицательной компенсирующей дисперсией 6. Далее оптические импульсы усиливаются волоконно-оптическим эрбиевым усилителем 7 и через оптический изолятор 8 и второй вход оптического разветвителя 4 поступают на следующий цикл циркуляции. Оптический изолятор 8 исключает ввод входных оптических сигналов от оптического разветвителя в волоконно-оптическую линию задержки через выход волоконнооптической линии. Со второго выхода разветвителя 4 оптические сигналы поступают на выходной волоконно-оптический эрбиевый усилитель мощности 9, демультиплексор 10 и преобразуются набором фотоприемников 11 в сигналы для считывания. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является использование, вопервых, комбинации стандартного одномодового волокна и волокна с отрицательной дисперсией, что позволило уменьшить результирующую хроматическую дисперсию более чем на два порядка, во-вторых, двух волоконно-оптических эрбиевых усилителя, один из которых является линейным усилителем и компенсирует потери в петле рециркуляции, а второй представляет собой выходной усилитель мощности и позволяет исключить использование электронных усилителей на выходе каждого фотоприемника. Кроме того, регенерация циркуляционных информационных сигналов осуществляется в оптическом диапазоне, что позволяет работать с гигагерцовыми скоростями записи информационного потока и не осуществлять промежуточное периодическое преобразование сигналов из оптического диапазона в электрический и обратно. В качестве линии задержки используется комбинированный волоконный световод(ВС) с коррекцией хроматической дисперсии, состоящий из стандартного одномодового волокна длиной 20 км (дисперсия 17 пс/нмкм на длине волны 1550 нм) и компенсирующего волокна длиной 5 км (дисперсия минус 66 пс/нмкм на 1550 нм), в результате чего средняя хроматическая дисперсия на всем участкесоставляет 0,05 пс/нмкм. В качестве источников излучения используются лазеры, согласованные с отрезками волокна, на которых сформированы брэгговские решетки (ВБР). Использование решеток позволяет гибко варьировать длину волны лазерной генерации в пределах контура усиления активной среды лазера, обеспечить стабильность генерации, уменьшить ширину лазерной линии, реализовать ее перестройку. ВБР-лазеры обладают высокой температурной стабильностью, позволяют организовать более 40 информационных каналов со спектральным шагом 100 ГГц (0,8 нм) в диапазоне рабочих длин волн 1535-1570 нм при прямой модуляции со скоростью более 10 Гбит/с, имеют мощность излучения 02-4 мВт и ширину линии генерации не более 0,1 нм на один канал. В качестве активных регенераторов используются оптические усилители на основе волокна, легированного эрбием , которые, кроме восстановления амплитуды информационных сигналов непосредственно в оптическом диапазоне, имеют ряд преимуществ. Во-первых, оптический усилитель конструктивно проще. Во-вторых, оптический усилитель в отличие от регенератора не привязан к протоколу или скорости передачи и может преобразовывать (усиливать) входные сигналы любого формата. В-третьих, опти 3 80122012.02.28 ческий усилитель способен одновременно усиливать большое число независимых спектрально разделенных каналов. Волоконный эрбиевый оптический усилитель состоит из двух оптических изоляторов, расположенных на входе и выходе усилителя, отрезка волоконного световода длиной 10 м, легированного эрбием, лазера накачки мощностью излучения 80-100 мВт на длине волны 980 нм и -разветвителя. Основные характеристики эрбиевого усилителя коэффициент усиления 14-20 дБ, спектральная полоса усиления 35 нм в диапазоне длин волн 1535-1570 нм, коэффициент шума 4-6 дБ. Работа оптического изолятора основана на эффекте Фарадея. В качестве материала для элемента Фарадея используется монокристаллжелезоиттриевого граната с большой постоянной Верде, прозрачный на длине волны более 1,2 мкм. Кроме того, в конструкцию изолятора входят поляризатор, магнит для создания магнитного поля,оптический анализатор. Изолятор имеет следующие параметры центральная длина волны 155050 нм, прямые потери 0,6 дБ, коэффициент развязки 28 дБ. Оптический разветвитель представляет собой одномодовый Х-образный четырехполюсник, полученный методом сплавного биконического соединения, у которого оптическая мощность между выходными портами делится в соотношении 5050, а избыточные потери не превышают 0,5 дБ. Для объединения и разъединения оптических волновых каналов служат пассивные устройства, основанные на использовании оптических мультиплексоров интерференционного типа на основе дифракционных решеток. Мультиплексоры решетчатого типа отличаются простотой изготовления, вносимое затухание оптической мощности на 32 канала 5,5 дБ. Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое волоконно-оптическое запоминающее устройство, осуществляющее полностью оптическую регенерацию и использующее компенсацию хроматической дисперсии, позволяет увеличить информационную емкость динамической памяти за счет повышения быстродействия устройства (величина тактового интервала уменьшается на порядок), увеличения числа спектральных информационных каналов в полтора-два раза, а также увеличения длины волоконного световода. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4