Волоконно-оптическая динамическая память с периодической регенерацией информации

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Поляков Александр Владимирович Жуковский Андрей Вячеславович Хлебородов Никита Русланович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Волоконно-оптическая динамическая память, содержащая набор инжекционных лазеров, излучающих на разных длинах волн, волоконно-оптическую линию задержки, оптические мультиплексор и демультиплексор, блок управления, набор фотоприемников,оптический разветвитель, отрезок волоконного световода с отрицательной компенсирующей дисперсией, линейный волоконно-оптический эрбиевый усилитель, оптический изолятор, выходной волоконно-оптический эрбиевый усилитель мощности, отличающаяся тем, что в нее введены счетчик импульсов, направленный переключатель, -образный оптический соединитель и нелинейное оптическое кольцевое зеркало (НОКЗ), состоящее из-образного соединителя, двунаправленного оптического предусилителя, двунаправленных оптических мультиплексоров/демультиплексоров, контроллера поляризации и нелинейного волокна, причем волоконный световод информационной петли памяти соединен с первым входом направленного переключателя, первый выход которого также соединен с волоконно-оптической линией задержки, второй выход соединен со входом НОКЗ, а электронный управляющий вход соединен со счетчиком импульсов.(56) 1. Патент РБ 102771, МПК 11 13/04, 2008. 2. Патент США 4653042, МПК 04 9/00, 1987. 3. Патент РБ 8012, МПК 11 21/00,11 13/04, 2012. 4. Поляков А.В., Жуковский А.В. Нелинейные эффекты в оптоволоконных рециркуляционных запоминающих устройствах со спектральным уплотнением информационных каналов // Проблемы физики, математики и техники. - 2012. -2. - С. 41-49. Предлагаемая полезная модель относится к вычислительной технике и может быть использована в оптоэлектронных процессорах, системах приема и прецизионной обработки 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 со 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. Известно оптоэлектронное устройство для хранения информации в волоконнооптической передающей системе 2, 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 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. Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является волоконно-оптическое динамическое запоминающее устройство 3, выбранное в качестве прототипа, содержащее набор инжекционных лазеров, излучающих на разных длинах волн, волоконнооптическую линию задержки, оптические мультиплексор и демультиплексор, блок управления, набор фотоприемников, оптический разветвитель, отрезок волоконного световода с отрицательной компенсирующей дисперсией, линейный волоконно-оптический эрбиевый усилитель, оптический изолятор, выходной волоконно-оптический эрбиевый усилитель мощности. Недостатком данного устройства является то, что в данной системе осуществляется восстановление циркулирующих импульсов только по амплитуде, так называемая 1-регенерация (-). В то же время в процессе рециркуляции происходит возрастание вероятности возникновения ошибки из-за дисперсионного уширения инфор 2 97232013.12.30 мационных импульсов, что ограничивает время хранения информации при заданной вероятности ошибки. Задачей предлагаемой полезной модели является создание волоконно-оптической динамической памяти, реализующей в оптическом диапазоне восстановление циркулирующих импульсных сигналов как по амплитуде, так и по форме и длительности, так называемую 2-регенерацию (--), что позволит увеличить время хранения информации в таком запоминающем устройстве. Поставленная задача решается тем, что в волоконно-оптическую динамическую память, содержащую набор инжекционных лазеров, излучающих на разных длинах волн,волоконно-оптическую линию задержки, оптические мультиплексор и демультиплексор,блок управления, набор фотоприемников, оптический разветвитель, отрезок волоконного световода с отрицательной компенсирующей дисперсией, линейный волоконно-оптический эрбиевый усилитель, оптический изолятор, выходной волоконно-оптический эрбиевый усилитель мощности, по предлагаемому техническому решению введены счетчик импульсов, направленный переключатель, -образный оптический соединитель и нелинейное оптическое кольцевое зеркало (НОКЗ), причем волоконный световод информационной петли памяти соединен с первым входом направленного переключателя, первый выход которого также соединен с волоконно-оптической линией задержки, второй выход соединен со входом НОКЗ, а электронный управляющий вход соединен со счетчиком импульсов. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1. На фиг. 1 представлена функциональная схема волоконно-оптической динамической памяти с периодической регенерацией информации. 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, набор фотоприемников 11, счетчик импульсов 12,направленный переключатель 13, нелинейное оптическое кольцевое зеркало, состоящее из-образного соединителя 14, двунаправленного оптического предусилителя 15, двунаправленных оптических мультиплексоров/демультиплексоров 16, контроллера поляризации 17, нелинейного волокна 18, аттенюатора 19, а также -образного соединителя 20. 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 волоконно-оптической 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. Один из сигналов считывания поступает на счетчик импульсов 12. В 4 показано, что при использовании технологии спектрального мультиплексирования в результате действия фазовой автомодуляции длительность циркулирующих импульсов вначале сильно сжимается, а затем резко увеличивается. Существенное уширение импульсов наблюдается только после 150-1100 циклов рециркуляции в зависимости от скорости поступающей информации (от 2,5 до 10 Гбит/с) 3 97232013.12.30 и от числа информационных каналов (от 8 до 32). В результате, нет необходимости восстанавливать длительность импульсов на каждом цикле рециркуляции. В соответствии с требуемыми параметрами динамической памяти счетчик импульсов программируется на соответствующее число циркуляции, после окончания которых счетчик импульсов формирует электрический импульс, длительность которого составляет не менее двух периодов обхода импульсов по волоконно-оптическому контуру памяти, и поступает на управляющий вход направленного переключателя 13. В отсутствии данного импульса информационный поток, поступающий на первый вход направленного переключателя 13,поступает на его первый выход, а при наличии управляющего импульса информационный поток перенаправляется на второй выход, соединенный с нелинейным оптическим кольцевым зеркалом. НОКЗ работает как интерферометр. Сигнал, поданный на вход такого устройства, разделяется на оптическом -образным соединителе 14 на сигналы, бегущие по кольцу из сильно нелинейного световода с аномальной дисперсией групповой скорости 18 в противоположных направлениях, которые затем интерферируют на выходе из кольца. Сигнал, бегущий по часовой стрелке, усиливается сразу на входе в кольцо двунаправленным усилителем 15 и затем испытывает сильное нелинейное преломление, в то время как сигнал, распространяющийся в противоположном направлении, усиливается только перед выходом из кольца и испытывает меньшее нелинейное преломление. В результате образуется ненулевой относительный набег разности фаз, пропорциональный мощности сигнала. При этом поляризация оптического излучения, распространяющегося в обоих направлениях, контролируется поляризаторами 17. Уменьшение эффективной площади взаимодействия в нелинейном световоде приводит к усилению нелинейных эффектов в частности фазовая самомодуляция в среде с аномальной дисперсией приводит к формированию солитоноподобных импульсов. Амплитуда и фаза импульса на выходе зеркала нелинейным образом зависят от входной мощности. Двунаправленные мультиплексоры/демультиплексоры не только пространственно разделяют/объединяют спектральные каналы, но и служат оптическими фильтрами с шириной полосы пропускания 100-120 ГГц. Результатом действия НОКЗ является то, что длительность информационных импульсов уменьшается до первоначального значения, т.е. происходит восстановление импульсной последовательности по форме и длительности. На выходе из оптического регенератора для того,чтобы избежать паразитных нелинейных эффектов в волоконно-оптической линии задержки 5, средняя мощность сигналов уменьшается до требуемых значений 1,5-2 мВт с помощью линейного устройства, называемого аттенюатором 19 и с помощью -образного оптического соединителя 20 вводится обратно в волоконно-оптическую петлю памяти 5. Таким образом, процесс 2-регенерации завершается. В качестве двунаправленного предусилителя используется оптический усилитель на основе волокна, легированного эрбием , который увеличивает амплитуды информационных сигналов непосредственно в оптическом диапазоне одновременно для большого числа независимых спектрально разделенных информационных каналов. Волоконный эрбиевый оптический усилитель состоит из 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 23 дБ, спектральная полоса усиления 35 нм в диапазоне длин волн 1535-1570 нм,коэффициент шума 4-6 дБ. Оптический соединитель представляет собой одномодовый Х-образный четырехполюсник, полученный методом сплавного биконического соединения, у которого оптическая мощность между выходными портами делится в соотношении 7030, а избыточные потери не превышают 0,5 дБ. В качестве контроллера поляризации используется поляризатор полированного типа, в котором часть оболочки почти до самого сердечника удалена полировкой и на обработанную поверхность напылен металл, алюминий или серебро. Среди мод, электрические со 4 97232013.12.30 ставляющие которых перпендикулярны или параллельны металлической поверхности, на моды с перпендикулярной составляющей приходится основная доля потерь поглощения. Для снижения потерь мод с параллельной составляющей между отполированной поверхностью волокна и металлом сформирован буферный слой (2), обладающий более низким коэффициентом преломления, чем оболочка. В результате, коэффициент затухания поляризатора для перпендикулярных компонент составляет 45 дБ и вносимые потери для параллельных составляющих не превышают 1 дБ. Работа оптического аттенюатора основана на изменении оптических потерь при введении между торцами световодов поглощающих фильтров. Для согласования излучающего и приемного торцов световодов применяются согласующие узлы, коллимирующие и фокусирующие излучение. Для достижения равного оптического ослабления (устранения зависимости от длины волны) в узком диапазоне волн 1550 нм 50 нм применяются регулировка диаметра зоны моды оптического волокна и ограничение зоны поглотителя по отношению к диаметру зоны моды. Так, аттенюатор оптический перестраиваемый 781, предназначенный для работы с одномодовыми волоконными световодами, обладает следующими характеристиками диапазон значений вносимого затухания 2-60 дБ собственные вносимые потери 2,0 дБ точность установки вносимого затухания 0,2 дБ уровень обратного отражения-40 дБ. В заявляемой модели коэффициент ослабления аттенюатора должен компенсировать усиление волоконно-оптического эрбиевого предусилителя за минусом потерь в нелинейном световоде, оптических элементах и на соединениях НОКЗ и составляет 20-21 дБ. В качестве мультиплексора/демультиплексора предлагается использовать волоконные сплавные разветвители с сильно выраженными спектральными характеристиками. Преимуществами данных устройств по сравнению с аналогичными на интерференционных фильтрах являются цельноволоконная оптическая схема, отсутствие юстируемых и склеиваемых узлов, относительная простота изготовления. Сплавные разветвители типа 22 получают с помощью вытягивания и сплавления в зоне нагрева двух кварцевых световодов. В результате, формируется рабочая область разветвителя, ограниченная с двух сторон плавными коническими переходами общая суженная зона. Рабочая область разветвителя защищается кварцевым и/или металлическим корпусом. При растяжении и сплавлении световодов можно наблюдать процесс периодической перекачки оптической мощности излучения из одного выходного порта в другой. Спектральные свойства разветвителя становятся значительно более выраженными - коэффициенты ответвления представляют собой осциллирующие функции длины волны излучения. Механизм возникновения спектральных осцилляции и их период определяются связью распространяющихся и взаимодействующих мод в рабочей области разветвителя. Отклонения центральных длин волн каналов от номиналов не превышала 2-3 нм, изоляция каждого канала от всех соседних каналов не менее 25 дБ, собственные вносимые потери по любому из четырех каналов были 0,5-1 дБ. Достраивая схему аналогичным образом и подбирая разветвители с требуемым периодом осцилляции, можно осуществить мультиплексирование восьми и т.д. каналов. Нетрудно видеть, что это устройство обладает свойством обратимости, т.е. при обратном ходе излучения может работать как демультиплексор, разделяя суммарное излучение на спектральные составляющие. На фиг. 2 представлен принцип действия 3 переключателя, имеющего два входных оптических портаи , два выходных оптических портаии управляющий электрический вход . Когда на управляющем входе с отсутствует сигнал, то оптический информационный поток со входачерез выходпопадает в волоконно-оптическую рециркуляционную петлю памяти. Когда же на входпоступает импульсный сигнал, выходные порты меняются местами и информационный поток через выходной портперенаправляется в систему регенерации на основе НОКЗ, а на выходпоступает сигнал со входаи происходит стирание информации в оптоволоконной петле. Потери мощно 5 97232013.12.30 сти в переключателе составляют 2 дБ, уровень подавления перекрестных помех превышает 25 дБ. Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемая волоконно-оптическая динамическая память, осуществляющая полностью оптическую периодическую регенерацию информационной импульсной последовательности по амплитуде, форме и длительности,позволяет увеличить время хранения информации на два-три порядка при заданной вероятности ошибки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6

МПК / Метки

МПК: G11C 21/00

Метки: регенерацией, периодической, информации, волоконно-оптическая, память, динамическая

Код ссылки

<a href="https://by.patents.su/6-u9723-volokonno-opticheskaya-dinamicheskaya-pamyat-s-periodicheskojj-regeneraciejj-informacii.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Волоконно-оптическая динамическая память с периодической регенерацией информации</a>

Похожие патенты