一种基于拓扑陈数调控的光纤型光存储系统及其控制方法与流程

本发明涉及光存储技术和拓扑光子学，具体涉及一种基于拓扑陈数调控的光纤型光存储系统及其控制方法。本发明可应用于光通信缓存、数据中心光存储、量子信息存储、分布式光纤传感数据存储等领域，尤其适用于需要高速、低功耗、长寿命光存储的应用场景。

背景技术：

1、光存储技术是利用光与物质相互作用实现信息存储的技术，具有高速度、高带宽、抗电磁干扰等优势。光纤作为一种重要的光传输介质，近年来也被探索用于光信号缓存和存储。

2、现有光纤型光存储技术主要采用以下方案：

3、（一）光纤延迟线存储

4、利用光纤中光信号的传输延迟实现信号的暂时存储。通过在光纤环路中设置光开关，使光信号在光纤环路中循环传输，从而实现缓存。该方法存在以下问题：（1）存储时间受限于光纤损耗和环路长度，通常仅能达到微秒至毫秒级；（2）需要主动维持光信号循环，功耗较高；（3）存储容量受限于环路长度和光开关速度。

5、（二）光子晶体光纤存储

6、利用光子晶体光纤的特殊色散和非线性特性实现光信号的控制和缓存。该类方法存在以下问题：（1）依赖非线性效应，对泵浦功率和环境温度敏感；（2）存储时间有限；（3）缺乏对存储态稳定性的主动调控机制。

7、（三）基于拓扑光子晶体的光存储

8、近年来，研究者提出了基于拓扑光子晶体的光存储方案，利用拓扑保护的边界态实现对光信号的鲁棒传输和存储。然而，现有拓扑光子存储方案存在以下局限性：（1）多基于二维光子晶体平板或谐振腔结构，尚未实现与光纤平台的集成；（2）缺乏在光纤这一长度可扩展平台上实现拓扑保护的实际方案；（3）缺少基于光纤形态的拓扑陈数实时调控手段；（4）未建立拓扑保护带宽与存储稳定性之间的定量判据。

9、现有技术的共同局限性在于：

10、存储时间受限于光纤损耗或非线性效应的稳定性

11、缺乏基于拓扑不变量（陈数）的存储态稳定性判据

12、未实现拓扑保护机制与光纤传输介质的深度融合

13、存储态写入后缺少闭环稳定性验证

14、难以在大长度光纤平台上实现可扩展的拓扑光存储

15、针对上述问题，本发明提供了一种基于拓扑陈数调控的光纤型光存储系统及其控制方法。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、本发明旨在解决现有光纤型光存储技术中存储时间受限、缺乏拓扑不变量稳定性判据、拓扑保护机制与光纤平台未深度融合等技术问题，提供一种基于拓扑陈数调控的光纤型光存储系统及其控制方法。

3、（二）技术方案

4、本发明提供一种基于拓扑陈数调控的光纤型光存储系统，其特征在于，包括：

5、一拓扑结构光纤，包含纤芯和包层，所述纤芯或包层中包含拓扑材料结构，所述拓扑材料具有非零拓扑陈数；

6、一陈数调控模块，连接至所述拓扑结构光纤，用于通过施加外力场改变所述拓扑材料的拓扑陈数状态；

7、一光信号写入单元，连接至所述拓扑结构光纤的输入端，用于将待存储数据编码为光信号并注入所述拓扑结构光纤；

8、一拓扑态监测单元，连接至所述拓扑结构光纤，用于实时监测所述拓扑结构光纤中光信号的拓扑态参数；

9、一稳定性判定单元，连接至所述拓扑态监测单元，用于根据拓扑稳定性判据判断存储态是否处于稳定拓扑态；

10、一光信号读取单元，连接至所述拓扑结构光纤的输出端，用于从所述拓扑结构光纤中读取存储的光信号并解码为数据。

11、拓扑结构光纤的三种实施方案：

12、方案一：拓扑绝缘体纤芯光纤

13、所述拓扑结构光纤的纤芯由拓扑绝缘体材料构成，光信号在纤芯中传播时受拓扑保护。拓扑绝缘体材料包括bi2se3、bi2te3、sb2te3中的至少一种。纤芯外围设置包层，包层材料为石英玻璃或聚合物材料。

14、方案二：拓扑光子晶体包层光纤

15、所述拓扑结构光纤包含光子晶体包层结构，所述光子晶体包层由两种或多种不同介电常数的材料周期性排列构成，具有非平凡拓扑态。光信号在纤芯中传播时受包层拓扑边界态的保护。

16、方案三：复合型拓扑结构光纤

17、所述拓扑结构光纤同时包含拓扑绝缘体纤芯和拓扑光子晶体包层，实现双重拓扑保护。

18、核心数学框架：

19、拓扑陈数定义：

20、所述拓扑材料的拓扑陈数c由以下关系确定：

21、

22、其中f为berry曲率，s为布里渊区的闭合曲面。拓扑陈数取整数值，c≠0时材料处于拓扑非平凡态。

23、投影角定义：

24、投影角θ定义为：

25、

26、其中β_r和β_s分别为径向和轴向投影权重，满足投影约束：

27、

28、拓扑保护带宽：

29、拓扑保护带宽σ_θ由拓扑结构光纤的微观参数决定：

30、

31、其中w为层间耦合强度，ħ为约化普朗克常数，v_f为费米速度，δs = h/2为最小作用量量子，l_w为特征长度，h为普朗克常数。

32、拓扑保护带宽σ_θ同时作为： - 存储态拓扑相边界的定量判定标准 - 光纤结构参数的设计容差窗口 - 存储稳定性的判据基准

33、拓扑稳定性判据：

34、本发明采用以下稳定性判据判断存储态是否处于稳定拓扑态：

35、

36、其中γ为光子损耗率，为投影角变化率，c为拓扑陈数，k为恢复系数，h为普朗克常数。

37、当所述判据满足时，存储态处于稳定拓扑态，数据可可靠存储；当所述判据不满足时，系统触发反馈调整。

38、存储时间：

39、拓扑保护后的光子存储时间由拓扑保护带宽σ_θ和闭环反馈共同决定：

40、

41、其中q为光纤谐振腔的品质因子，λ为工作波长，c为光速，δθ_lock为闭环锁定精度。

42、陈数调控方式：

43、所述陈数调控模块通过以下方式中的至少一种改变拓扑材料的拓扑陈数状态：

44、电场调控：向拓扑结构光纤施加电场，改变拓扑材料的能带结构

45、磁场调控：向拓扑结构光纤施加磁场，通过量子霍尔效应改变陈数

46、光场调控：向拓扑结构光纤施加特定波长的泵浦光，通过光致拓扑相变改变陈数

47、应力调控：向拓扑结构光纤施加机械应力，改变晶格常数和拓扑性质

48、（三）有益效果

49、超长存储时间：拓扑陈数保护使光信号在光纤中存储时间相比传统光纤延迟线提升数个数量级

50、拓扑稳定性判据：首次建立了基于拓扑陈数和投影角的存储态稳定性定量判据，实现存储可靠性的实时判定

51、光纤平台集成：将拓扑保护机制与光纤这一长度可扩展的平台深度融合，实现可扩展的拓扑光存储

52、动态陈数调控：通过外力场实时调控拓扑陈数，实现存储态的动态切换和多位编码

53、缺陷免疫：拓扑保护使存储态对光纤制造缺陷和环境扰动具有天然免疫性

54、低功耗维持：拓扑保护态无需持续能量输入即可维持，存储功耗极低