DE69131451T2 - Optischer speicher - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft optische Speicher, d. h. Speicher, bei denen eine Information als Änderung einer optischen Eigenschaft des Speichers dargestellt ist.
• In dieser Beschreibung soll sich der Ausdruck "optisch" auf den Bereich des elektromagnetischen Spektrums beziehen, der allgemein unter dem sichtbaren Bereich und den beiden an den sichtbaren Bereich angrenzenden Bereichen des Infrarot- und des Ultraviolett(UV) bekannt ist, der durch elektrische optische Wellenleiter wie optische Glasfasern übertragen werden kann.
• Die vorliegende Erfindung beruht auf der Verwendung eines optischen Wellenleiters als optischer Speicher zur Speicherung von Informationen, wobei die Information durch die Gegenwart oder Abwesenheit von einem oder mehreren Gittern gespeichert ist, die unterschiedliche vorbestimmte Bragg-Wellenlängen aufweisen.
• Die vorliegende Erfindung findet insbesondere bei optischen Glasfaserkommunikationsnetzwerken Anwendung. Der optische Speicher ist in diesem Fall normalerweise aus einem optischen Faserwellenleiter gebildet.
• Vorteilhafterweise wird die gespeicherte Information von dem Wellenleiter durch Leseeinrichtungen gelesen, um festzustellen, wenn ein Gitter überhaupt vorliegt, welches der Gitter vorliegt. Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen der Erfindung und beziehen sich auf optische Kommunikationsnetzwerke unter der Verwendung eines erfindungsgemäßen optischen Wellenleiters, auf eine Methode zur Speicherung von Daten in einem optischen Wellenleiter und auf ein optisches Speichersystem.
• K. O. Hill, Y. Fujii, D. C. Johnson und B. S. Kawasaki haben in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication" als erste über permanente optisch induzierte Änderungen des Brechungsindex von optischen Fasern berichtet. In ihrem Experiment erzeugte eine kohärente Bestrahlung bei 514,5 nm, die von den Faserenden reflektiert wurde, eine stehende Welle in der Faser, die eine periodische Änderung des Brechungsindex über die Länge induzierte. Dadurch wurde ein Bragg-Gitter mit hoher Brechung in der Faser erzeugt, das ein Maximum bei der Wellenlänge des Einfallstrahls aufweist. Daraufhin wurden zahlreiche Studien über Gitterwachstumsmechanismen und über lichtsensitive Fasern durchgeführt. Jedoch ist der Mechanismus, der in der Veränderung des Brechungsindex des Faserkerns resultiert noch nicht vollständig verstanden. Der spektrale Bereich, bei dem der Filter lichtsensitiv ist, liegt zwischen dem W-Bereich und ungefähr 500 nm.
• 8. S. Kawasaki, K. O. Hill, D. C. Johnson und Y. Fujii stellten in dem Artikel mit dem Namen: "Narrow-band Bragg reflectors in optical fibers" in Optical Letters, Vol. 3, No. 2 vom August 1978, in den Seiten 66-68 fest, daß eine wichtige Eigenschaft des Gitterbildungsverfahrens darin liegt, wie gut die Filterantwort angepaßt werden kann. Ein Verfahren zur Bildung eines komplexen Filters ist beispielsweise die Überlagerung von zwei oder mehreren einfachen Bandsperrcharakteristiken in der gleichen Faser, indem die Faser mit zwei unterschiedlichen Lichtwellenlängen entweder gleichzeitig oder nacheinander beleuchtet wird.
• Die Bildung von Brechungsindexgittern in einer optischen Faser zur Erzeugung der Modenfilterung ist weiterhin in US-A- 3 891 302 beschrieben. Die optische Speicherung und Wiedererzeugung von Daten unter der Verwendung von optischen Bre chungselementen ist in den Druckschriften JP-A-2 210 626 bzw. 2 210 627 beschrieben. Weiterhin wird auf das Werk "Optische Computer" von Fumio Inaba des Springer-Verlags 1992 verwiesen, das ursprünglich in Japan 1985 veröffentlicht wurde (mit ISBN4-274-07259-2).
• Ein Verfahren, bei dem zwei Bragg-Gitter in der Faser gebildet werden, kann erreicht werden, indem die Faser unterschiedlich in Längsrichtung beansprucht wird, bevor jedes Gitter optisch geschrieben wird, wobei die Gitter beim Schreiben die gleiche Bragg-Bedingung erfüllen.
• Dieses Verfahren zum Schreiben von zwei oder mehrerer Gitter hat den Vorteil, daß eine Bestrahlung mit mehreren Wellenlängen vermieden nicht verwenet werden muß.
• Die in diesem Verfahren verwendete Eigenschaft beruht auf der Tatsache, daß eine optische Faser theoretisch linear um bis zu 20% gestreckt werden kann. Wenn eine lichtsensitive Faser mit der Länge 1 durch ein Licht von einem Laser der Wellenlänge λ&sub0; beleuchtet wird, ergibt dies ein Gitter mit der Periode von λ&sub0;/2neff, wobei neffder Modenbrechungsindex der Faser ist. Wird die Faser nun um Δl gestreckt und anschließend beleuchtet, wird ein Gitter mit einem ähnlichen Gitterabstand wie vorher geschrieben. Entspannt sich das Gitter auf seine normale Länge, ist der Gitterabstand des zweiten Gitters geringfügig kleiner als der des ersten Gitters. Im Fall eines Reflextionsfilters weist das zweite Gitter eine Wellenlänge beim Maximum auf, die kleiner als die Schreibwellenlänge ist.
• Ebenso können Reflexionsgitter zur Verwendung bei der Telekommunikationsbandbreite von 1,3 bis 1,5 um geschrieben werden, wenn das Gitter um ungefähr 10% gestreckt werden kann. Dies liegt innerhalb der theoretisch vorhergesagten Änderung, aber durch Fehler in der Herstellung der Faser kann es vor kommen, daß eine Durchführung unmöglich ist. Andere Materialien, wie lichtsensitive Materialien, können ebenso zur Bildung von Gitter mit den hier beschriebenen Zielen verwendet werden.
• Ein gewöhnliches Verfahren für die unterschiedlichen Längsstreckungen der Faser zur Erzeugung der unterschiedlichen Beanspruchungen liegt darin, ein Ende der Faser festzuklemmen und die Beansprechung mit Hilfe eines piezoelektrischen Verschiebungstisches anzulegen, der am anderen Ende der Faser befestigt ist. Natürlich können auch andere Streckungseinrichtungen verwendet werden.
• Weitere Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beispielhaft unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt. Es zeigen:
• Fig. I ein schematisches Diagramm eines Daten-/Kommunikationsnetzwerkes (ein Netzwerk von Computern);
• Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines optischen Speichers, der zur Zugangssteuerung der Computer von Fig. 1 verwendet wird;
• Fig. 3 ein Diagramm, das die Gitterfrequenzmuster der optischen Speicher von Fig. 2 zeigt; und
• Fig. 4 ein Diagramm einer Kopfzeile für ein Informationspaket des Netzwerkes von Fig. 1.
• Die Figuren zeigen eine beispielhafte Anwendung der Verwendung eines optischen Faserwellenleiters als optischer Datenspeicher zur Speicherung von Information, bei dem die Information durch die Gegenwart oder Abwesenheit eines oder mehrerer Gitter gespeichert ist, die unterschiedliche vorbestimmte Bragg-Wellenlängen aufweisen.
• In Fig. 1 koppelt ein sternförmiges optisches Faser-NXN Kopplungsnetzwerk 2 die Computer C&sub1; bis Cn zu einer Reihe von Arbeitsplatzstationen W&sub1; bis t%. Jede Arbeitsplatzstation W&sub1; von Fig. 1 ist mit einer einzelnen Adresse verbunden. Jeder Computer C&sub1; bis Cn kann Informationssignale über das Netzwerk 2 an jede Arbeitsplatzstation W&sub1; bis Wn übertragen, wobei jedes Signal aus einem Kopfzeilenrahmen gefolgt von Daten besteht. In diesem Fall haben die Daten gegenüber einem zugehörigen Kopfzeilenrahmen ein unterschiedliches Frequenzband.
• Fig. 2 zeigt das Detektionssystem einer Arbeitsplatzstation W&sub1;. Die Arbeitsplatzstation weist seine in einem optischen Faserwellenleiter 4 geschriebene Adresse auf, die die Form einer Überlagerung von Frequenzgittermustern hat, die von den Frequenzen f&sub1; bis f&sub6; ausgewählt wurden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. In diesem Fall weist die Faser 4 Gitter auf, die den Bragg-Wellenlängen f&sub1;, f&sub3;, f&sub4; und f&sub5; entsprechen. Dies bedeutet, daß die Adresse der Arbeitsplatzstation W&sub1; in der Faser 4 durch die Gegenwart oder die Abwesenheit von Gittern gespeichert ist, die Bragg-Wellenlängen in den Bereichen f&sub1; bis f&sub6; haben.
• Der Kopfzeilenrahmen eines Datenpakets besteht aus einer Anzahl von Zeitbereichen, die jeweils für eine bestimmte unterschiedliche Frequenz f&sub1; bis f&sub6; bestimmt ist, wie es in Fig. 4 zu sehen ist.
• Datenpakete von dem sternförmigen Kopplungsnetzwerk 2 werden an den Eingabeanschluß 8 eines Richtungskopplers 6 mit vier Anschlüssen angekoppelt. Ein Ausgabeanschluß 10 des Kopplers 6 ist an die Faser 4 gespleißt. Der andere Ausgabeanschluß 12 des Kopplers 6 ist an ein Bandpaßfilter 14 und einen Detektor 16 in Reihe angeschlossen. Durch das Filter 14 kann nur das Datensignal den Detektor 16 erreichen, indem die Kopfzeilenfrequenzen f&sub1; bis f&sub6; blockiert werden.
• Wird ein Kopfzeilenrahmen an die Faser 4 gekoppelt, werden diese Frequenzen, die den Bragg-Wellenlängen der Gitter der Faser entsprechen, in Richtung des Kopplers mit der Frequenz f&sub1; zur Zeit t&sub1; zurückreflektiert, wenn diese in der Kopfzeile vorliegt.
• Die reflektierten Signale werden in einen zweiten Eingabeanschluß 18 des Kopplers 6 und somit in den Detektor 20 gekoppelt. Die detektierten, in zeitlicher Abfolge ankommenden Pulse, die von dem Kopfzeilenrahmen des einkommenden Signals abgeleitet werden, werden durch einen Komparator 22 mit der Adresse der Arbeitsplatzstation verglichen. Stimmen sie überein, wird ein Gatter 24 geöffnet und die von dem Detektor 16 empfangenen Daten werden an die elektrische Ausgabeleitung 26 ausgegeben, die über das Gatter 24 an den Detektor angeschlossen ist. Der Systembetrieb hat zahlreiche Betriebsbereiche, die von den Daten-/Kopfzeilenfrequenzen und der im Netzwerk verwendeten Zeiteinteilung und der Anzahl der Gitter abhängt, was bedeutet, daß eines oder mehrere verwendet werden können, um die Arbeitsplatzstationsadresse zu speichern.
• In diesem System wird der Anteil der elektronischen Verarbeitung eines ankommenden optischen Signals merklich reduziert, da das Gitter automatisch die richtigen Kopfzeilenfrequenzen auswählt. Durch die Tatsache, daß dies in einem Gitter erfolgt, das Teil des Netzwerkes ist, werden auch Probleme gelöst, die sich ergeben würden, wenn dies außerhalb der Faser geschehen würde, beispielsweise bei der Ausrichtung der optischen Komponenten. Das System selbst ist in manchen Aspekten dem Wellenlängenteilmultiplexen (wavelength division multiplexing WDM) darin ähnlich, daß das Ziel des Signals von der Frequenz des Signales und der Verwendung von wellenlängenselektiven Filtern abhängt. Im Gegensatz zu einem WDM-System jedoch werden die aktuellen Daten selbst bei der gleichen Wellenlänge zu jeder Arbeitsplatzstation übertragen, da nur der Kopfzeilenrahmen in seinem Frequenzinhalt variiert. Dies bedeutet, daß Empfänger möglicherweise alle Signale im Netzwerk detektieren können, was wichtig ist, wenn eine einzelne Arbeitsplatzstation von mehr als einem Anwender lesen muß.
• In einigen Netzwerken müssen die gleichen Daten an mehrere Anwender gesendet werden, beispielsweise von einer Zentrale an die Filialen. Es ist effizienter, wenn die Information nur einmal übertragen wird. Dies ist möglich, wenn ein anderer Satz von Adreßgittern in die Faser geschrieben wird, jedoch physikalisch von den einzelnen Anwenderadressen entfernt wird. Diese zweite, normalerweise übertragene Adresse hat ein Wellenlängenband, das sich im Gegensatz zu dem bei einzelnen Benutzernummern verwendeten Band unterscheidet, so daß Interferenz zwischen den Signalen vermieden wird. Somit kann Information, die an mehrere unterschiedliche Adressen geschickt werden soll, als ein Datenzug gesendet werden.
• Als Beispiel für die Anzahl der unterschiedlichen Arbeitsplatzrechner, die unter der Verwendung eines optischen Fasergitterdatenspeichers adressiert werden könnten, wird ein Netzwerk betrachtet, bei dem die Daten und die Kopfzeile bei jeweils 1,3 und 1,5 um übertragen werden. Dieser Wellenlängenbereich, bei dem eine Adresse geschrieben wird, hängt offensichtlich von der Bandbreite jedes Brechungsgitters ab. Diese soll in diesem Beispiel bei 0,1 nm liegen und der gesamte Wellenlängenbereich für die Adressen soll bei 10 nm liegen. Dies gibt 100 Kanäle für die Adreßgitter.
• Eine andere mögliche Verwendung des gitteradressierten Systems ist die wiederholte Leitung von Signalen in einem Übertragungssystem. Dies hat den großen Vorteil, daß die Kopfzeilenrahmen gelesen werden können und alle Details aufführen, wohin das Signal wieder geführt werden soll, während die ak tuellen Daten selbst in optischer Form gehalten werden können. Dem Datenpaket kann ein neuer Kopfzeilenrahmen gegeben werden, wenn es durch das Schaltersystem geleitet wird. Dies verhindert die Konvertierung der Daten von optischen zu elektronischen Daten und wieder von elektronischen zu optischen Daten, was teuer ist und die Datenrate limitiert.
• Die obigen Ausführungsformen sind beispielhaft für eine spezielle Verwendung von optischen Faserwellenleitern als optischer Datenspeicher zur Speicherung von Information, wobei die Information mit Hilfe eines oder mehrerer Fasergitter gespeichert wird, die verschiedene, vorbestimmte Bragg- Wellenlängen haben.
• Der Fachmann erkennt zahlreiche alternative Konfigurationen und Anwendungen von erfindungsgemäßen optischen Datenspeichern. Die Erfindung wurde in Verbindung mit Ausführungsformen beschrieben, die als die Ausführungsformen gesehen werden, die die meiste praktische Anwendung haben und bevorzugt sind, jedoch ist es selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegensatz sollen jede alternative Konfiguration und jede alternative Verwendung, zahlreiche Änderungen und gleichartige Anordnungen eingeschlossen sein, die in den Bereich der nachstehenden Ansprüche fallen.

Claims (16)

1. Verwendung eines optischen Wellenleiters (4) als optischer Speicher, bei dem Information durch die Gegenwart oder Abwesenheit von einem oder mehreren Gittern gespeichert ist, die unterschiedliche vorbestimmte Bragg- Wellenlängen (f&sub1; - f&sub6;) aufweisen.

2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Information durch Leseeinrichtungen (20, 21) vom Wellenleiter gelesen wird, um festzustellen, wenn überhaupt ein Gitter vorliegt, welches der Gitter vorliegt.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der optische Wellenleiter (4) eine Licht brechende Faser aufweist, wobei das oder jedes Gitter ein inneres Gitter aufweist.

4. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Gitter Reflexionsgitter sind.

5. Optisches Kommunikationsnetzwerk mit mehreren Arbeitsplatzstationen (W&sub1; - Wn) mit den dazugehörigen Adressen, wobei die Adressen jeweils in einem optischen Wellenleiter (4) als Gegenwart eines oder mehrerer Gitter gespeichert sind, die unterschiedliche vorbestimmte Bragg- Wellenlängen (f&sub1; - f&sub6;) haben.

6. Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 5, bei dem Datensignale von den Arbeitsplatzstationen jeweils einen Kopfzeilenrahmen gefolgt von einem Datenrahmen aufweisen, wobei jeder Datenrahmen und der zugehörige Kopfzeilenrahmen ein unterschiedliches Frequenzband (f&sub1; - f&sub6;) aufweisen.

7. Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 6, in dem die Adresse einer Arbeitsplatzstation (W&sub1; - Wn), an die Daten adressiert sind, als eine Reihe von Frequenzen im Kopfzeilenrahmen kodiert ist, wobei die Frequenzen den Bragg- Wellenlängen der Gitter entsprechen.

8. Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 7, in dem die Frequenzen von einem Satz von mehreren vorbestimmten Frequenzen (f&sub1; - f&sub6;) gewählt werden.

9. Kommunikationsnetzwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem jeder Kopfzeilenrahmen aus mehreren Zeitbereichen besteht, die jeweils für eine bestimmte unterschiedliche Frequenz bestimmt sind.

10. Kommunikationsnetzwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem jede Arbeitsplatzstation einen Bandpaßfilter (14) aufweist, der die Frequenzen der Kopfzeilenrahmen blockiert.

11. Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 10, das weiterhin Einrichtungen (20, 21) aufweist, die detektieren, welche Frequenzen eines Kopfzeilenrahmens durch den Filter zurückreflektiert werden.

12. Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 11, bei dem die reflektierten Signale des Kopfzeilenrahmens als eine Reihe von zeitlich abfolgenden Pulsen detektiert werden, wobei die detektierten Pulse durch einen Komparator (22) mit der Adresse der Arbeitsplatzstation verglichen werden.

13. Optisches Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 10, bei dem die Daten des Datenrahmens nur von einem Detektor zu einer Arbeitsplatzstation gekoppelt werden, wenn die Adresse und die Datenkopfzeile der Adresse des Arbeitsplatzrechners entspricht.

14. Optisches Kommunikationsnetzwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 11 mit zwei oder mehr Übertragungsanschlüssen (C&sub1; - Cn), wobei die Signale von jedem Anschluß an jede Arbeitsplatzstation (W&sub1; - Wn) übertragen werden.

15. Verfahren zur Speicherung von Daten in einem optischen Wellenleiter (4) und zur Wiedergewinnung von Daten von einem optischen Wellenleiter (4), wobei ein oder mehrere Gitter mit unterschiedlichen vorbestimmten Bragg-Wellenlängen (F&sub1; - F&sub6;) in den Wellenleiter als Funktion der zu speichernden Daten eingeschrieben werden und wobei durch die Gegenwart oder die Abwesenheit von Gittern mit unterschiedlichen vorbestimmten Bragg-Wellenlängen (f&sub1; - f&sub6;) Wellenleiter gelesen werden, um die gespeicherte Information wiederzugewinnen.

16. Optisches Speichersystem mit:

einem optischen Wellenleiter (4);

mehreren im Wellenleiter gespeicherten Gitter, wobei die Gitter vorbestimmte unterschiedliche Bragg-Wellenlängen (f&sub1; - f&sub5;) aufweisen, die ausgewählt wurden, um einzelne Datenbits im Wellenleiter zu speichern; und

einer Leseeinrichtung, die die gespeicherten Datenbits von dem Wellenleiter liest, die eine optische Quelle aufweist, die optische Strahlung in den Wellenleiter leitet und Detektoreinrichtungen (20, 21), die die optische Strahlung bei den Bragg-Wellenlängen detektiert, die durch die Gitter von der Quelle hierauf abgelenkt wurden.