CN114142921B - 一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统及方法，全光存储系统，包括：高速核心处理模块；可调谐脉冲光源；环形器，输出端连接有一主干光纤；N个串联在主干光纤的第一分光器，第一分光器的分光端连接有分支光纤；N个多位光纤编码存储单元；多位光纤编码存储单元包括存储基板、感光形变模块、光纤编码，N个多位光纤编码存储单元的光纤编码皆不相同，感光形变模块可根据不同光强受激发成不同形态，形态包括可反射光波的初始平整状态和不可反射光波的凹凸状态；光波采集模块，连接于环形器的输入光波端与高速核心处理模块的接收端之间。本方案利用光纤编码的光学识别特性，实现存储单元的编码化，以敏光材料形变实现存储单元的有无状态，进而实现全光可编码的存储。

Description

一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤通讯领域，特别涉及一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统及方法。
背景技术
光纤编码是利用一系列异波长光栅按照规则间距组成，具有唯一性识别特性，可广泛应用于光纤、光纤跳线、光学仪器、光通信设备等领域。现阶段对光纤编码的研究只处于初级的光线编码识别层面，无法实现光纤编码的可识别存储，现有光纤编码结构基本基本为线性纤式光纤编码，其存在形态大、同波长线性纤式光纤编码参数高、加工难度高等困难，在实际全光存储小型化方向存在困难。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统及方法，可实现小型化且便于加工。
根据本发明第一方面实施例的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统，包括：高速核心处理模块；n个不同中心波长的窄波脉冲光源，皆与所述高速核心处理模块连接，用于根据所述高速核心处理模块的发光指令输出光波；光波耦合器，分别与n个所述窄波脉冲光源的输出端连接以实现不同光源的输出光波耦合；环形器，用于实现光波按路径传输，其输入端连接所述光波耦合器的输出端、输出端连接有一主干光纤；全光存储模块，所述全光存储模块包括：N个串联在所述主干光纤的第一分光器，所述第一分光器的分光端连接有分支光纤；N个多位光纤编码存储单元，一一对应连接在所述第一分光器的分支光纤上；其中，所述多位光纤编码存储单元包括存储基板以及设置于所述存储基板上的：第二分光器、M个不同中心波长的光栅、第三分光器、感光形变模块；所述第二分光器和第三分光器皆为1：M分光器且对称设置，二者的分光端通过M根并行光纤一一对应连接，M个所述不同中心波长的光栅分别设置M根所述并行光纤上，所述第三分光器的末端通过光纤连接所述感光形变模块；M个不同中心波长的光栅构成所述多位光纤编码存储单元的光纤编码，N个所述多位光纤编码存储单元的光纤编码皆不相同，所述感光形变模块可根据不同光强受激发成不同形态，所述形态包括可反射光波的初始平整状态和不可反射光波的凹凸状态；光波采集模块，连接于所述环形器的输出光波端与所述高速核心处理模块的接收端之间。
根据本发明第一方面实施例的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统，至少具有如下有益效果：本方案利用光纤编码的光学识别特性，实现存储单元的编码化，以感光材料形变实现存储单元的有无状态，进而实现全光可编码的存储，并行光纤编码可以选择一定的波长组成海量的光纤编码，优于同波长线性纤式光纤编码的数量且更容易加工，便于实现密集小型化、芯片化。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述主干光纤、第一分光器、分支光纤、第二分光器、M个不同中心波长的光栅、第三分光器皆采用蚀刻波导工艺在所述存储基板上成型，所述存储基板上蚀刻有凹框，所述感光形变模块通过热熔固定于所述凹框内。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述环形器的输入端与所述光波耦合器的输出端之间还串联有第四分光器，所述第四分光器的分光端与所述高速核心处理模块之间连接有光强采集模块。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述第四分光器的分光比为99:1，其中进入所述光强采集模块为1％，进入所述环形器为99％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述光波耦合器采用分光器或波分复用器。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述第一分光器的分光比为99.99:0.01，其中进入对应所述分支光纤为0.01％，进入下一所述第一分光器为99.99％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述感光形变模块采用聚酞亚胺的高分子混合物。
根据本发明第一方面的一些实施例，同一所述多位光纤编码存储单元的所述光栅与所述感光形变模块之间距离小于相邻两个所述第一分光器的距离。
根据本发明第二方面实施例的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储方法，应用于所述的全光存储系统，所述全光存储方法包括以下步骤：
对所述多位光纤编码存储单元的光纤编码进行初始扫描，构建存储列表；
数据写入：将所述感光形变模块的初始平整状态切换成凹凸状态；
数据读取：通过检测所述感光形变模块是否能反射光波来确定数据是否写入，并记录在所述存储列表；
数据擦拭：将形变后的所述感光形变模块恢复初始平整状态。
根据本发明第二方面实施例的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储方法，至少具有如下有益效果：本方案利用光纤编码的光学识别特性，实现存储单元的编码化，以感光材料形变实现存储单元的有无状态，进而实现全光可编码的存储，并行光纤编码可以选择一定的波长组成海量的光纤编码，优于同波长线性纤式光纤编码的数量且更容易加工，便于实现密集小型化、芯片化。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述高速核心处理模块对所述窄波脉冲光源的发光指令包括：识别扫描脉冲t0、写入脉冲t1/λ、擦拭脉冲t2/λ，其中t0<t1<t2，t1为感光形变模块受激所需要的基准时间，t2为感光形变模块受激饱和所需要的基准时间，λ为所述多位光纤编码存储单元的光强衰减系数。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明第一方面实施例的全光存储系统原理图；
图2为本发明实施例的全光存储模块结构示意图；
图3为本发明实施例的多位光纤编码存储单元结构示意图；
图4为本发明实施例的多位光纤编码存储单元截面示意图；
图5为本发明实施例的多位光纤编码存储单元正常状态下光路图；
图6为本发明实施例的多位光纤编码存储单元受激形变状态下光路图；
图7为本发明实施例的单个光栅反射后在分光器位置波形示意图；
图8为本发明实施例的多个并行光栅反射后在分光器位置波形示意图；
图9为本发明实施例的光栅透射后在分光器位置波形示意图；
图10为本发明实施例的感光形变模块常态下反射采集波形示意图；
图11为本发明实施例的感光形变模块受激形变下反射采集波形示意图；
图12为本发明第二方面实施例的全光存储方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参考图1所示，为本技术方案第一方面实施例的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统，包括：
高速核心处理模块100，用于控制窄波脉冲光源200、光波采集模块600的工作，如控制窄波脉冲光源200进行脉冲光波发送，实时接受光波采集模块600所采集的光谱信息以及分析和识别全光存储模块500的光纤编码，实时对全光存储模块500进行写入、读取，实时对全光存储模块500的状态进行修正等；
n个不同中心波长的窄波脉冲光源200，皆与所述高速核心处理模块100连接，用于根据所述高速核心处理模块100的发光指令输出光波；窄波脉冲光源200的3db带宽优选小于0.1nm，可以减少后续分光后的光强采集被干扰；
光波耦合器300，分别与n个所述窄波脉冲光源200的输出端连接以实现不同光源的输出光波耦合，即将多个光源汇聚成一根纤芯输出；
环形器400，用于实现光波按路径传输，其输入端连接所述光波耦合器300的输出端、输出端连接有一主干光纤410；
全光存储模块500，如图2所示，所述全光存储模块500包括：N个串联在所述主干光纤410的第一分光器510，所述第一分光器510的分光端连接有分支光纤511；N个多位光纤编码存储单元520，一一对应连接在所述第一分光器510的分支光纤511上；
其中，如图3、图4所示，所述多位光纤编码存储单元520包括存储基板521以及设置于所述存储基板521上的：第二分光器522、M个不同中心波长的光栅523、第三分光器524、感光形变模块525；所述第二分光器522和第三分光器524皆为1：M分光器且对称设置，二者的分光端通过M根并行光纤526一一对应连接，M个所述不同中心波长的光栅523分别设置M根所述并行光纤526上，所述第三分光器524的末端通过光纤连接所述感光形变模块525；M个不同中心波长的光栅523构成所述多位光纤编码存储单元520的光纤编码，N个所述多位光纤编码存储单元520的光纤编码皆不相同，所述感光形变模块525可根据不同光强受激发成不同形态，所述形态包括可反射光波的初始平整状态和不可反射光波的凹凸状态；
光波采集模块600，连接于所述环形器400的输出光波端与所述高速核心处理模块100的接收端之间。
本方案本方案通过高速核心处理模块100向n个不同中心波长的窄波脉冲光源200发送发光指令，进而n个不同中心波长的窄波脉冲光源200输出相应的光波；所述光波经光波耦合器300、环形器400进入主干光纤410及第一分光器510，再由第一分光器510进入分支光纤511及多位光纤编码存储单元520，多位光纤编码存储单元520的光纤编码反射包含编码值的光波，经所述分支光纤511、第一分光器510、主干光纤410、环形器400至光波采集器；所述高速核心处理模块100同步获取所述光波采集器采集的反射光波，并且解析出所述光纤编码的编码值和对应中心波长，从而以光纤编码实现全光存储单元可编码地址，再通过控制不同光强作用于敏光形变介质使其受激发成不同形态，即可反射光波的初始平整状态和不可反射光波的凹凸状态，利用光纤编码的光学识别特性，实现存储单元的编码化，以感光材料形变实现存储单元的有无状态，进而实现全光可编码的存储，并行光纤526编码可以选择一定的波长组成海量的光纤编码，优于同波长线性纤式光纤编码的数量且更容易加工，便于实现密集小型化、芯片化。
特别的，在本发明第一方面的一些实施例中，所述主干光纤410、第一分光器510、分支光纤511、第二分光器522、M个不同中心波长的光栅523、第三分光器524皆采用蚀刻波导工艺在所述存储基板521上成型，所述存储基板521上蚀刻有凹框，所述感光形变模块525通过热熔固定于所述凹框内。利用芯片蚀刻方法实现光纤编码的全光存储，并且采用蚀刻分光器实现并行光纤526编码降低实现难度、减小整体尺寸、提高整体运行效率。
本实施例中多位光纤编码采用多个不同中心波长的透射式光栅组成，采用第二分光器522和第三分光器524将多个透射式光栅连接。如图5所示，其每一只光栅只透射相对应的光波，同时将非对应的光波反射，如图7所示，将分光器混合后形成如图8所示的示意图，可以通过下凹点识别出向对应的波长。采用分光器，其透射式光栅相互间不会出现波形遮挡，其光栅反射率优选大于95％。
多位光纤编码采用多个不同中心波长的透射式光栅，其3db带宽优选0.3nm。其并联的数量越多其多位光纤编码存储单元520就会越多，比如，中心波长数量为40，并联4个不同中心波长的光栅523，其多位光纤编码存储单元520总数为40*39*38*37/4*3*2＝91390；
如果中心波长数量为40，并联7个不同中心波长的光栅523，其多位光纤编码存储单元520总数为40*39*38*37*36*35*34/7*6*5*4*3*2＝18643560。
多位光纤编码的透射光谱如图9所示，其经第三分光器524合波后射入感光形变模块525，感光形变模块525常态下会将光波进行反射，如图5，其反射光波的波形如图10所示。当感光形变模块525受激形变，表面会呈现凹凸如图6所示，其光波会发生散射不会被反射回去，其波形如图11所示。
多位光纤编码代表一个唯一的存储单元数据，其感光形变模块525的状态代表存储单元的是否有数据的状态。比如分别由中心波长1514、1515、1516、1517组成的光纤编码1514151515161517，其代表了存储单元的编号和其对应的符号，其感光形变模块525的反射代表其是否数据成立，比如有反射其值为无数据为0，如果无反射其值为由数据为1，这样1514151515161517与状态“0”或者“1”构成其存储单元的符号和状态。
多位光纤编码存储单元520数量呈现无穷个的状态，每个多位光纤编码存储单元520分别接到第一分光器510的分支上，第一分光器510一端输入两端输出，两端输出必须考虑到全光存储模块500与主分支之间的能量衰减和反射能量的获取，为此优选两路输出的分配比值为99.99:0.01，即多位光纤编码全光存储单元分支分光比为0.01％，主分支为99.99％。
考虑到每个多位光纤编码存储单元520的衰减系数不同，为此设定基准写入脉冲t1(即在脉冲t0下无衰减情况下感光形变受激形变的时间)基础上，需要根据不同的多位光纤编码存储单元520，调整其脉冲时间，比如，编码值为F00i的多位光纤编码存储单元520的衰减系数为ri，则写入脉冲时间为t1/ri。同理，多位光纤编码存储单元520恢复时间也根据不同的光纤编码衰减系统调整为t2/ri。
因此，如图1所示，在本发明第一方面的一些实施例中，所述环形器400的输入端与所述光波耦合器300的输出端之间还串联有第四分光器700，所述第四分光器700的分光端与所述高速核心处理模块100之间连接有光强采集模块800。其中，在本发明第一方面的一些实施例中，所述第四分光器700的分光比为99:1，其中进入所述光强采集模块800为1％，进入所述环形器400为99％。
对全光存储模块500扫描，所有窄播脉冲光源发送t0脉冲时间的光波，经光波耦合器300、环形器400输入全光存储模块500的所有多位光纤编码存储单元520；其中部分光波进行分光器进入光强采集模块800，采集光强为P00，计算出本次发光强度和每个光源的初始发光强度，则光源在t0脉冲下发光强度为100*P00，则每个光源在t0脉冲下发光强度为(100*P00)/n，其中n为光源数量。
多位光纤编码存储单元520的光纤编码以及感光形变模块525反射光波，经环形器400至光波采集模块600，高速核心处理模块100采集到光纤编码数据以及感光形变模块525反射光波数据，记录下光纤编码以及感光形变模块525反射光波的编码值F00i、能量P00i、距离L00i，其感光形变模块525反射光波的能量与初始光纤编码波长对应的光源光强集合之间的比值即为多位光纤编码全光存储单元的光强衰减系数ri＝P00i/((100*P00)/n)；
多位光纤编码存储单元520的光纤编码采用分光器并联多个透射型不同中心波长的光栅523组成，每个光栅会反射带凹点的光波(凹点为光栅)，可以通过凹点计算出光栅波长和能量；采用等比例的分光器，可以将多个透射型不同中心波长的光栅523合二为一，并且不会相互干扰，即其中每个光栅的反射光波会并行重合，而不是线性重合，如果线性重合会相互干扰，这就是本方案采用分光器并行的原因。
在本发明第一方面的一些实施例中，所述光波耦合器300采用分光器或波分复用器。其中分光器价格便宜，但是会对光波进行等比例衰减；波分复用器价格相对较贵，但是衰耗相对较小。鉴于全光存储模块500较小、且光源强度较大，为此优选分光器予以实现。
进一步，在本发明第一方面的一些实施例中，所述第一分光器510实现一根纤芯分解为2路输出，其中主分支为最大输出，副分支接入多位光纤编码存储单元520；鉴于所需要的多位光纤编码存储单元520的数量极其大，为减小末端的衰减，为此优选副分支输出比为0.01％，主分支为99.99％。
优选的，在本发明第一方面的一些实施例中，所述感光形变模块525采用聚酞亚胺的高分子混合物。根据公知常识，此种高分子材料具有光致变形的能力，感光受激会发生形变，饱和受激后能量释放并恢复初始状态；当通过分支光纤511的光波输入时，其平整表面反射光波；当光波强度和时间达到受激状态后，其材料发生凹凸不平的形变，光波射入时会形成散射，不再反射光波；当光波强度和时间再增加，达到其受激饱和状态时，该材料会将能量予以释放，并恢复原有平整表面。
此外，在本发明第一方面的一些实施例中，同一所述多位光纤编码存储单元520的所述光栅与所述感光形变模块525之间距离小于相邻两个所述第一分光器510的距离，避免后一个存储单元的感光形变模块525反射光波和前一个存储单元的光栅反射光波重叠。
如图12所述，为本发明第二方面实施例的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储方法，应用于所述的全光存储系统，所述全光存储方法包括以下步骤：
对所述多位光纤编码存储单元520的光纤编码进行初始扫描，构建存储列表；
数据写入：将所述感光形变模块525的初始平整状态切换成凹凸状态；
数据读取：通过检测所述感光形变模块525是否能反射光波来确定数据是否写入，并记录在所述存储列表；
数据擦拭：将形变后的所述感光形变模块525恢复初始平整状态。
在本发明第二方面的一些实施例中，所述高速核心处理模块100对所述窄波脉冲光源200的发光指令包括：识别扫描脉冲t0、写入脉冲t1/λ、擦拭脉冲t2/λ，其中t0<t1<t2，t1为感光形变模块525受激所需要的基准时间，t2为感光形变模块525受激饱和所需要的基准时间，λ为所述多位光纤编码存储单元520的光强衰减系数。
相对于传统的存储，从概念上存在天差之别，其中采用多位波长组成的光纤编码，可以无限制的增加存储单元数量；完全采用光波的存储方式，其不会产生热量。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统，其特征在于，包括：
高速核心处理模块；
n个不同中心波长的窄波脉冲光源，皆与所述高速核心处理模块连接，用于根据所述高速核心处理模块的发光指令输出光波；
光波耦合器，分别与n个所述窄波脉冲光源的输出端连接以实现不同光源的输出光波耦合；
环形器，用于实现光波按路径传输，其输入端连接所述光波耦合器的输出端、输出端连接有一主干光纤；
全光存储模块，所述全光存储模块包括：N个串联在所述主干光纤的第一分光器，所述第一分光器的分光端连接有分支光纤；N个多位光纤编码存储单元，一一对应连接在所述第一分光器的分支光纤上；其中，所述多位光纤编码存储单元包括存储基板以及设置于所述存储基板上的：第二分光器、M个不同中心波长的光栅、第三分光器、感光形变模块；所述第二分光器和第三分光器皆为1：M分光器且对称设置，二者的分光端通过M根并行光纤一一对应连接，M个所述不同中心波长的光栅分别设置M根所述并行光纤上，所述第三分光器的末端通过光纤连接所述感光形变模块；M个不同中心波长的光栅构成所述多位光纤编码存储单元的光纤编码，N个所述多位光纤编码存储单元的光纤编码皆不相同，所述感光形变模块可根据不同光强受激发成不同形态，所述形态包括可反射光波的初始平整状态和不可反射光波的凹凸状态；
光波采集模块，连接于所述环形器的输出光波端与所述高速核心处理模块的接收端之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统，其特征在于：所述主干光纤、第一分光器、分支光纤、第二分光器、M个不同中心波长的光栅、第三分光器皆采用蚀刻波导工艺在所述存储基板上成型，所述存储基板上蚀刻有凹框，所述感光形变模块通过热熔固定于所述凹框内。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统，其特征在于：所述环形器的输入端与所述光波耦合器的输出端之间还串联有第四分光器，所述第四分光器的分光端与所述高速核心处理模块之间连接有光强采集模块。
4.根据权利要求3所述的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统，其特征在于：所述第四分光器的分光比为99:1，其中进入所述光强采集模块为1％，进入所述环形器为99％。
5.根据权利要求1所述的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统，其特征在于：所述光波耦合器采用分光器或波分复用器。
6.根据权利要求1所述的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统，其特征在于：所述第一分光器的分光比为99.99:0.01，其中进入对应所述分支光纤为0.01％，进入下一所述第一分光器为99.99％。
7.根据权利要求1所述的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统，其特征在于：所述感光形变模块采用聚酞亚胺的高分子混合物。
8.根据权利要求1或7所述的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储系统，其特征在于：同一所述多位光纤编码存储单元的所述光栅与所述感光形变模块之间距离小于相邻两个所述第一分光器的距离。
9.一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储方法，其特征在于：应用于权利要求1至8任一所述的全光存储系统，所述全光存储方法包括以下步骤：
对所述多位光纤编码存储单元的光纤编码进行初始扫描，构建存储列表；
数据写入：将所述感光形变模块的初始平整状态切换成凹凸状态；
数据读取：通过检测所述感光形变模块是否能反射光波来确定数据是否写入，并记录在所述存储列表；
数据擦拭：将形变后的所述感光形变模块恢复初始平整状态。
10.根据权利要求9所述的一种基于不同中心波长光纤编码的全光存储方法，其特征在于：所述高速核心处理模块对所述窄波脉冲光源的发光指令包括：识别扫描脉冲t0、写入脉冲t1/λ、擦拭脉冲t2/λ，其中t0<t1<t2，t1为感光形变模块受激所需要的基准时间，t2为感光形变模块受激饱和所需要的基准时间，λ为所述多位光纤编码存储单元的光强衰减系数。
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