专利名称：基于sbs技术的长寿命宽带光脉冲存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在非线性光学介质中的光存储系统，具体为一种基于SBS(受激 布里渊散射)技术的长寿命宽带光脉冲存储器，属于非线性光学领域。
背景技术：
在文献Zhaoming Zhu， Daniel J. Gauthier， Robert W. Boyd. Stored Light in anOptical Fiber via Stimulated Brillouin Scattering. Science. 2007，318 :1748-1750 中介绍了一种光存储系统，该系统由两台输出波长近1550nm窄带连续DFB (Distributed feedback)激光器分别用于产生读、写和数据脉冲，读、写脉冲由一台DFB激光器产生，数 据脉冲由另一台DFB(分布反馈)激光器产生，存储介质是非线性单模光纤。读、写脉冲与 数据脉冲的布里渊频移是9. 6GHz。读、写脉冲和数据脉冲是用MZM调制器(Mach-Zehnder modulators,马赫-曾德尔)分别调制两台窄带连续DFB激光器后产生的，MZM调制器是用 脉冲发生器(pulse pattern generator)进行控制的。经过MZM调制产生的读、写脉冲和 数据脉冲分别用三台掺铒光纤放大器(Erbium-doped fiber amplifiers)增加峰值功率。 读、写脉冲经过光学隔离器(optical isolators)和光纤偏振控制器(fiber polarization controllers)后由3-dB耦合器(3_dB coupler)进入5米长的非线性单模光纤。数据脉冲 同样经过光学隔离器和光纤偏振控制器后经由另一个3-dB耦合器从另一端进入非线性单 模光纤。整个存储过程是在数据脉冲通过光纤的同时，写脉冲在与数据脉冲相反方向通过 光纤，在非线性单模光纤中相遇，通过受激布里渊散射过程，全部数据脉冲的能量基本上被 抽空，并以声波的形式存储在光纤中，声波中包含了数据脉冲的信息内容。随后，一个读脉 冲在与写脉冲相同的方向上通过光纤，与声波相遇，相遇时间是可以人为控制的，它也是存 储时间，它抽空了声波，使数据脉冲被从光纤中释放并恢复，沿着与原来数据脉冲相同的方 向传播。 此技术的问题和不足是 1.可调谐存储时间范围小(寿命短)。在上述的报道中，对于给定宽度的光脉冲， 随着存储时间的增长，数据脉冲的读出效率减小。对于2ns (FWHM，半高宽)的数据脉冲，在 存储时间是4ns时，数据脉冲的读出效率是29X。在读出效率不为零的范围内，可调谐存储 时间是8ns，大约是4个脉冲宽度。这还没有考虑读出效率很低时，脉冲畸变，无法识别和无 法应用等因素。 2.存储器可存储的数据脉冲的传输速率受到限制。在上述系统中尽管可以通过使
用超短脉冲等方法，增加字节的存储数量，但是毕竟在实际应用中，脉冲的持续时间是有要
求的，不能无限短，所以对能够存储的字节数量提出了限制。除此之外，在SBS过程中，自然
布里渊增益线宽是几十MHz，所以在上述的存储方案中，这样窄的带宽的光存储器会限制数
据传输速率到几十Mb/s，与现有通讯系统几十Gb/s数据传输速率相差甚远。 3.读出效率低，所需读、写脉冲的峰值功率太大。在这种光存储中，数据脉冲的峰
值功率是10mW时，所需的读、写脉冲的峰值功率是100W。数据脉冲没有被完全存储与释放，主要原因是， 一方面可能是因为写脉冲的谱宽没有足够大于数据脉冲谱的结果，另一方面， 光纤的布里渊增益系数太小。还有，对于声子来说，光纤结构不是非常合理，导致声波有大 的衍射损耗，使数据脉冲具有高的读出效率和高的数据保真度需要很高的峰值功率，这也 不利于实际应用。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有光存储系统的上述不足，提出了一种基于SBS技术
的长寿命宽带光脉冲存储器，该存储系统实现了宽带光存储和获得了高的读出效率。
本发明的基本思想如下 读写脉冲是在执行两个不同的任务，写脉冲的任务是完全抽空数据脉冲，使更多 的数据脉冲以声波的形式存在于光纤中，而读脉冲的任务是尽可能的把所有声波都恢复成 数据脉冲。如果用相同的脉冲执行不同的任务，必然会影响到读出效率的提高与改善，脉 冲畸变难以有效控制，进而会影响到存储器的寿命。在本发明中读写脉冲分别用不同的激 光器控制，并用噪声源对激光器进行调制，从而对读、写脉冲的增益和吸收谱进行控制和裁 剪，使得读、写脉冲能够更好的履行自己的职责。并用硫系化合物玻璃光纤取代传统的单 模光纤作为非线性光学介质，因为硫系化合物玻璃光纤具有长的声子寿命和大的布里渊增 益，从而可以保证整个存储系统实现长寿命宽带光存储和降低读、写脉冲的峰值功率。
本发明的技术方案如下包括第一 DFB激光器2、第一光隔离器3、第一 MZM4、第一 掺铒光纤放大器5、第一光纤偏振控制器6、3dB耦合器7、第二光纤偏振控制器8、第二掺铒 光纤放大器9、第二 MZM11、第二光隔离器13、第二 DFB激光器14、光循环器16、可调谐光衰 减器17、光探测器18、示波器19、硫系化合物玻璃光纤20、第三MZM21、第三光隔离器23和 第三DFB激光器24。其中 写脉冲由第一 DFB激光器2产生，第一 DFB激光器2输出的写脉冲通过第一光隔 离器3后在第一 MZM4中再对其波形和频率进行调制，然后再依次经过第一掺铒光纤放大器 5 、第一光纤偏振控制器6放大、偏振控制后由 一个3dB耦合器7耦合进光循环器16 ，光循环 器16连接着硫系化合物玻璃光纤20 ; 数据脉冲是由窄带第三DFB激光器24产生的连续激光，该激光先通过第三光隔离 器23后再通过第三MZM调制器21后进入硫系化合物玻璃光纤20，数据脉冲在硫系化合物 玻璃光纤20中与从相反方向通过硫系化合物玻璃光纤20的写脉冲相遇，转化成声波形式 完成存储； 读脉冲由第二 DFB激光器14产生，经过第二光隔离器13后用第二MZMll进行调 制，然后再依次经过第二掺铒光纤放大器9、第二光纤偏振控制器8放大、偏振控制后由3dB 耦合器7的另一端耦合进光循环器16，读脉冲从与写脉冲相同的方向上进入硫系化合物玻 璃光纤20与所述声波作用读出信号；光循环器16又依次与可调谐衰减器17、光探测器18 和示波器19相连，对存储后的信号进行检测； 所述的第一 DFB激光器2、第二 DFB激光器14和第三DFB激光器24输出的波长均 为近1550nm。 本发明采用三个输出波长近1550nm窄带连续DFB激光器分别用于产生读、写和数 据脉冲，读、写脉冲与数据脉冲的布里渊频移是通过温度控制实现的。读、写脉冲的两个宽带谱源是通过用任意波形发生器产生的高斯噪声源直接调制单模DFB激光器的注入电流取得的。注入电流的变化引起了激光增益介质折射率的变化，因此引起了激光频率的变化，频率的变化与电流的调制振幅成正比。这样产生的激光功率谱近似为高斯型。谱的带宽是通过改变噪声源的电压来调节。读、写两路宽谱光经过MZM调制器调制后经3dB耦合器耦合进入硫系化合物玻璃光纤(存储介质)的，用脉冲发生器控制MZM调制器产生激光脉冲。通过控制调制器的调制信号波形可以控制增益和吸收谱线型，通过控制调制信号的频率控制读、写脉冲到达存储介质的时间。数据脉冲是由窄带DFB激光器产生的连续激光通过MZM调制器控制直接产生激光脉冲的。数据脉冲和写脉冲在硫系化合物玻璃光纤中相遇，经过SBS过程，数据脉冲被变成声波存储在光纤中。读脉冲在一定时间后进入光纤并与声波相互作用，数据脉冲被恢复。
本发明的有益效果主要有 —、本系统使用两个输出波长近1550nm窄带连续DFB激光器分别产生读、写脉冲。读、写脉冲的单独控制更有利于对读、写脉冲的增益和吸收谱的控制和裁减，使读、写脉冲
的布里渊增益和吸收谱线型在与数据脉冲和与声波的相互作用中发挥最好的作用，以实现宽带光存储和获得高的读出效率。 二、硫系化合物玻璃光纤的运用不仅能增加存储时间的可调范围，而且硫系化合物玻璃光纤有较高的布里渊增益和较小的纤芯芯径，能够有效降低读写脉冲的峰值功率，提高读出效率。
图1是发明技术系统原理图 图中1.第一高斯噪声源，2.第一DFB激光器，3.第一光隔离器，4.第一MZM，5.第一掺铒光纤放大器，6.第一光纤偏振控制器，7.3dB耦合器，8.第二光纤偏振控制器，9.第二掺铒光纤放大器，IO.第二脉冲发生器，ll.第二MZM，12.第一脉冲发生器，13.第二光隔离器，14.第二DFB激光器，15.第二高斯噪声源，16.光循环器，17.可调谐光衰减器，18.光探测器，19.示波器，20.硫系化合物玻璃光纤，21.第三MZM，22.第三脉冲发生器，23.第三光隔离器，24.第三DFB激光器。
具体实施例方式
下面结合图1对本发明的具体实施方式
进行详细的描述 本发明中的基于SBS技术的长寿命宽带光脉冲存储系统，系统图参见图一，包括第一高斯噪声源1、第一DFB激光器2、第一光隔离器3、第一MZM4、第一脉冲发生器12、第一掺铒光纤放大器5、第一光纤偏振控制器6、3dB耦合器7、第二光纤偏振控制器8、第二掺铒光纤放大器9、第二脉冲发生器10、第二MZM11、第二光隔离器13、第二DFB激光器14、第二高斯噪声源15、光循环器16、可调谐光衰减器17、光探测器18、示波器19、硫系化合物玻璃光纤20、第三MZM21、第三脉冲发生器22、第三光隔离器23和第三DFB激光器24。
输出波长近1550nm窄带连续DFB激光器2用于产生写脉冲，写脉冲与数据脉冲的布里渊频移是通过温度控制实现的。写脉冲的宽带谱源是通过用任意波形发生器产生的高斯噪声源1直接调制单模DFB激光器的注入电流取得的。注入电流的变化引起了激光增益介质折射率的变化，因此引起了激光频率的变化，频率的变化与电流的调制振幅成正比。这 样产生的激光功率谱近似为高斯型。谱的带宽是通过改变噪声源的电压来调节。输出波长 近1550nm窄带连续DFB激光器14用于产生读脉冲，读脉冲与数据脉冲的布里渊频移是通 过温度控制实现的。读脉冲的宽带谱源是通过用任意波形发生器产生的高斯噪声源15直 接调制单模DFB激光器的注入电流取得的。读、写两路宽谱光先分别经过第二 MZM调制器 11和第一 MZM调制器4调制，再分别经过第二掺铒光纤放大器9和第一掺铒光纤放大器5 放大后经3dB耦合器7耦合，再经过光循环器16进入硫系化合物玻璃光纤20 (存储介质) 的。分别用第二脉冲发生器10和第一脉冲发生器12控制第二 MZM调制器11和第一 MZM 调制器4产生激光脉冲。通过控制第二 MZM调制器11和第一 MZM调制器4的调制信号波 形可以控制增益和吸收谱线型，通过控制第二MZM调制器11和第一MZM调制器4的调制信 号的频率控制读、写脉冲到达存储介质的时间。读、写和数据脉冲的能量分别是用第二光纤 偏振控制器8和第一光纤偏振控制器6控制的。数据脉冲是由窄带DFB激光器24产生的 连续激光先通过光隔离器23后再通过MZM调制器21控制直接产生激光脉冲的，MZM调制 器21是通过脉冲发生器22控制的。产生的数据脉冲进入硫系化合物玻璃光纤20的。整 个存储过程是在数据脉冲通过光纤的同时，写脉冲在与数据脉冲相反方向通过光纤，在硫 系化合物光纤20中相遇，这也是存储光的介质，通过受激布里渊散射过程，数据脉冲的能 量基本上被抽空，同时，在光纤中产生声波，声波中包含了数据脉冲的信息内容。随后，一个 读脉冲在与写脉冲相同的方向上通过硫系化合物光纤20，与声波相遇，相遇时间是可以人 为控制的，它抽空了声波，使数据脉冲被从光纤中释放并恢复，沿着与原来数据脉冲相同的 方向传播，经可调谐光衰减器17后，进入光电探测器18，最后进入示波器19。
(1)保证宽带光存储的实现。如果光存储器用于光纤通讯系统中，就要与现有通 讯系统几十Gb/s数据传输速率兼容。所以在SBS慢光技术的研究中，在可容忍畸变的范围 内，人们想尽了各种办法，尽量拓展SBS慢光的带宽，以适应数据包的高数据字节传输速率 的需要。在吸收和借鉴前人研究成果的基础上提出了我们的SBS宽带光存储的研究方案。 用噪声信号直接调制分布反馈激光器的电流可以展宽增益谱和吸收谱的带宽，展宽后的激 光再用Mach-Zehnder调制器进行调制，通过改变调制信号的波形及其频率可以对增益谱 和吸收谱的形状进行控制与裁剪，从而在实现宽带光存储的基础上，提高数据脉冲的读出 效率和保真度。 (2)保证获得存储时间大范围可调和高的读出效率问题，可以通过以下几个方面 来实现。 (a)可以通过选择长声子寿命和高布里渊增益系数的非线性光学介质以及优选相 互作用区域结构(可以有效减小声波衍射损耗)来实现。硫系化合物玻璃光纤具有大的布 里渊增益系数，比普通单模光纤的布里渊增益大两个数量级，而且具有大的声子寿命，是普 通硅光纤声子寿命(大约是3. 4ns)的3到4倍。如果使用硫系化合物玻璃光纤作为存储 介质，既可以降低读写脉冲的峰值功率，又可以获得存储时间的大范围可调谐。我们理论研 究结果表明，在数据脉冲具有相同读出效率的情况下采用硫系化合物光纤作为存储介质比 使用单模光纤作为存储介质存储时间的可调谐范围可以大几倍。 (b)在以前的SBS存储方案中，读写脉冲来自于一个激光器，是完全相同的两个脉 冲，却在执行两个不同的任务，写脉冲的任务是完全抽空数据脉冲，使更多的数据脉冲以声波的形式存在于光纤中，而读脉冲的任务是尽可能的把所有声波都恢复成数据脉冲。相同 的脉冲执行不同的任务，必然会影响到读出效率的提高与改善，脉冲畸变难以有效控制，进 而会影响到存储器的寿命。在我们的SBS存储方案中，读、写脉冲的单独控制更有利于对 读、写脉冲的增益和吸收谱的控制和裁减，使读、写脉冲的布里渊增益和吸收谱线型在与数
据脉冲和与声波的相互作用中发挥最好的作用。 (c)可通过控制数据脉冲、读和写脉冲的上升沿和下降沿，以及控制数据脉冲、读 和写脉冲的强度比例等方法来实现。降低读、写脉冲的峰值功率主要是通过提高非线性介 质的布里渊增益和降低光纤的芯径来实现。硫系化和物玻璃光纤可以作为候选者担当此重 任。理论计算表明，读写脉冲的峰值功率可以降低到瓦的量级。 为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化和修 改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明无公开内容的实质和基本原则范围内的任 何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。
权利要求
基于SBS技术的长寿命宽带光脉冲存储器，其特征在于包括第一DFB激光器(2)、第一光隔离器(3)、第一MZM(4)、第一掺铒光纤放大器(5)、第一光纤偏振控制器(6)、3dB耦合器(7)、第二光纤偏振控制器(8)、第二掺铒光纤放大器(9)、第二MZM(11)、第二光隔离器(13)、第二DFB激光器(14)、光循环器(16)、可调谐光衰减器(1 7)、光探测器(18)、示波器(19)、硫系化合物玻璃光纤(20)、第三MZM(21)、第三光隔离器(23)和第三DFB激光器(24)；其中写脉冲由第一DFB激光器(2)产生，第一DFB激光器(2)输出的写脉冲通过第一光隔离器(3)后在第一MZM(4)中再对其波形和频率进行调制，然后再依次经过第一掺铒光纤放大器(5)、第一光纤偏振控制器(6)放大、偏振控制后由一个3dB耦合器(7)耦合进光循环器(1 6)，光循环器(16)连接着硫系化合物玻璃光纤(20)；数据脉冲是由窄带第三DFB激光器(24)产生的连续激光，该激光先通过第三光隔离器(23)后再通过第三MZM调制器(21)后进入硫系化合物玻璃光纤(20)，数据脉冲在硫系化合物玻璃光纤(20)中与从相反方向通过硫系化合物玻璃光纤(20)的写脉冲相遇，转化成声波形式完成存储；读脉冲由第二DFB激光器(14)产生，经过第二光隔离器(13)后用第二MZM(11)进行调制，然后再依次经过第二掺铒光纤放大器(9)、第二光纤偏振控制器(8)放大、偏振控制后由3dB耦合器(7)的另一端耦合进光循环器(16)，读脉冲从与写脉冲相同的方向上进入硫系化合物玻璃光纤(20)与所述声波作用读出信号；光循环器(16)又依次与可调谐衰减器(17)、光探测器(18)和示波器(19)相连，对存储后的信号进行检测；所述的第一DFB激光器(2)、第二DFB激光器(14)和第三DFB激光器(24)均为可调谐激光器，输出的波长均为1550nm。
全文摘要
本发明是一种基于SBS技术的长寿命宽带光脉冲存储器，属于非线性光学领域。该系统利用三个输出波长近1550nm窄带连续DFB激光器分别产生读、写和数据脉冲，并用硫系化合物玻璃光纤作为存储介质。数据脉冲在光纤中与写脉冲相遇，通过受激布里渊散射过程，数据脉冲的能量基本被抽空，并以声波的形式存储在光纤中。人为控制一定时间后，一个读脉冲从与写脉冲相同的方向上被输入到光纤中，读脉冲与声波相互作用后把声波还原成包含信息内容的数据脉冲。读脉冲和写脉冲分别用不同的激光器控制，并使用噪声源对激光器进行调制，从而对读、写脉冲的增益和吸收谱进行控制和裁剪，以实现长寿命宽带光存储和获得高的读出效率的目标。
文档编号H01S3/30GK101741004SQ20091023812
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月13日 优先权日2009年11月13日
发明者丁迎春, 司军, 鲍磊 申请人:北京化工大学