CN110262090B - 一种非易失性光纤光开关结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种非易失性光纤光开关结构及制备方法，插管的两端分别插设有入射光纤与出射光纤，入射光纤与出射光纤同轴且端面相对，入射光纤与出射光纤之间存在间隙并构成光纤法珀谐振腔；入射光纤正对出射光纤的端面依次向外设有高反膜系、硫系相变薄膜和覆盖层；出射光纤正对入射光纤的端面设有高反膜系。光开关在使用时，控制激光与信号激光通过波分复用器同时注入光开关的入射光纤中，控制激光诱导入射光纤端面的硫系相变薄膜发生相变从而调控其光学常数，并使信号激光在光纤法珀谐振腔中的谐振状态发生改变，以实现信号光的导通和关断。本发明将非易失性相变材料与光纤结合，可实现具有记忆性的光纤全光开关，其开关状态具有自稳定性。

Description

一种非易失性光纤光开关结构及制备方法
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种非易失性光纤光开关结构及制备方法。
背景技术
光开关是一种具有一个或多个可选传输端口的光学器件，可对光传输线路进行物理切换或对光信号进行逻辑操作，是光学系统中的关键器件。光纤组成了光网络系统的框架，光纤光开关可以规避光纤与传统光开关的对接所引入的复杂结构和损耗，与空间型光开关相比有着其自身不可替代的应用场景。因此，光纤光开关在现代光网络的研究和开发中得到了极大重视和高速发展。
光开关的类型众多，例如机械式光开关、电光开关、声光开关、热光开关、液晶光开关、磁光效应光开关等等，性能各异。对光纤光开关而言，通过自身结构变化控制光路通断的光开关通常开关速度较慢、结构复杂、稳定性较差，因此不论是传统的机械式光开关还是微电机系统光开关，使用都较为受限。与之相比，通过施加外场来改变介质折射率实现光路通断或切换则成为光纤光开关的主流实现方式。目前已经成熟的电光开关、声光开关等本质上都是基于外电场、声场对介质折射率的调控。而全光开关的特点是“以光控光”，外加控制场和信号场均为激光光场，这样的调控方式一方面由于无需电光转换而具有较高的效率，一方面也充分利用了光纤本身的导光特性，大大简化了器件结构。因此，全光光纤开关是实现高效全光网络的重要一环。
目前的诸多全光光纤开关中，关断或开通状态之一总是需要外部供能才能够维持，而随着外部控制撤去开关即回到初始状态，这使其在主备切换、长效通路控制等场景的应用中受限。硫系相变材料是一种可在光脉冲诱导下发生纳秒甚至飞秒级的快速的相转变、并在相变前后产生巨大折射率反差(>1)的材料。该材料的另一个重要特征是非易失性，即相变前后所呈现的状态有记忆性，可自动稳定维持直至下一次调控信号触发其改变。因此，利用硫系相变材料的光控折射率变化可以实现具有非易失性光开关。
专利CN108089350A公开了一种基于相变材料的三维集成光开关，其中相变材料覆盖在硅/氮化硅平面光波导的上表面，相变材料由电触发相变，通过与倏逝波作用改变波导的等效折射率以改变光信号的输出端口。专利CN106324865A公开了一种基于硫系相变材料的空间型全光开关。以上两种结构适用于片上集成器件，但在光纤光开关中难以使用。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种非易失性光纤光开关结构及制备方法，基于硫系相变材料的光纤光开关，可在光纤中实现纳秒甚至飞秒级的快速全光控制。
为了实现上述目的，本发明提出一种非易失性光纤光开关结构，包括入射光纤、出射光纤、高反膜系、硫系相变薄膜、覆盖层和插管，其中：
所述插管的两端分别插设有所述入射光纤与所述出射光纤，所述入射光纤与所述出射光纤同轴且端面相对，所述入射光纤与所述出射光纤之间存在间隙并构成一光纤法珀谐振腔；
所述入射光纤正对所述出射光纤的端面依次向外设有所述高反膜系、所述硫系相变薄膜和所述覆盖层；
所述出射光纤正对所述入射光纤的端面设有所述高反膜系。
进一步地，在所述的非易失性光纤光开关结构中，所述插管为石英毛细管或陶瓷插管，所述插管的内径为125μm～130μm。
进一步地，在所述的非易失性光纤光开关结构中，所述入射光纤和出射光纤均为单模或多模光纤。
进一步地，在所述的非易失性光纤光开关结构中，所述高反膜系由多层高折射率和低折射率的光学介质膜交叠而成，所述高反膜系对信号激光的反射率为99％～99.99％，并对控制激光波长全透过。
进一步地，在所述的非易失性光纤光开关结构中，所述硫系相变薄膜是由Ge、Sb、Se或Te中任意两种至四种元素组成的混合化合物及Ag、In、N、Si的掺杂化合物，所述硫系相变薄膜的厚度为20nm～100nm。
进一步地，在所述的非易失性光纤光开关结构中，所述覆盖层为SiO2薄膜、ZnS薄膜、ITO薄膜、Al2O3薄膜或MgF2薄膜，所述覆盖层的厚度为3nm～30nm。
进一步地，在所述的非易失性光纤光开关结构中，所述插管外包裹设有硬质的封装外壳。
进一步地，在所述的非易失性光纤光开关结构中，所述入射光纤上设有接入信号激光和控制激光的波分复用器。
本发明还提供一种非易失性光纤光开关的制备方法，制备上述的非易失性光纤光开关结构，包括以下步骤：
步骤一：在入射光纤和出射光纤的端面沉积高反膜系；
步骤二：在所述入射光纤的所述高反膜系的表面沉积一层硫系相变薄膜；
步骤三：在所述硫系相变薄膜的表面沉积一层覆盖层；
步骤四：将所述入射光纤和所述出射光纤镀膜后的端部分别插入插管的两端，使所述入射光纤与所述出射光纤端面之间的间隙在所述插管内构成光纤法珀谐振腔，并通过光学胶将所述入射光纤和所述出射光纤镀膜后的端部分别与所述插管粘结固定；
步骤五：在所述插管外包裹一封装外壳。
进一步地，在所述的非易失性光纤光开关的制备方法中，所述高反膜系的沉积方法为直流磁控溅射、射频磁控溅射或热蒸发镀膜；所述硫系相变薄膜(104)的沉积方法为直流磁控溅射、射频磁控溅射、热蒸发镀膜、激光脉冲沉积或原子层沉积；所述覆盖层的沉积方法为化学气相沉积或磁控溅射。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：本发明利用硫系相变材料构建光纤光开关，可使光纤光开光的开、关状态均具有特殊的非易失性，并具有长效低功耗优势；光开关为全光调控，高效且结构紧凑、简单；根据所采用的硫系相变材料不同，本发明中的光纤全光开关还具有飞秒至纳秒级的高速特性，并可承受千亿次循环使用。
附图说明
图1为本发明中非易失性光纤光开关结构的结构示意图；
图2是本发明中非易失性光纤光开关结构的使用示意图。
其中：101为入射光纤、102为出射光纤、103为高反膜系、104为硫系相变薄膜、105为覆盖层、106为插管、107为封装外壳、201为信号激光、202为控制激光、203为出射信号光、204为波分复用器。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的非易失性光纤光开关结构及制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明提出一种非易失性光纤光开关结构，包括入射光纤101、出射光纤102、高反膜系103、硫系相变薄膜104、覆盖层105和插管106。插管106的两端分别插设有入射光纤101与出射光纤102，入射光纤101与出射光纤102同轴且端面相对，入射光纤101与出射光纤102之间存在间隙并构成一光纤法珀谐振腔；插管106为石英毛细管或陶瓷插管，插管106的内径为125μm～130μm，入射光纤101和出射光纤102均为单模或多模光纤。
如图1所示，入射光纤101正对出射光纤102的端面依次向外设有高反膜系103、硫系相变薄膜104和覆盖层105；出射光纤102正对入射光纤101的端面设有高反膜系103。其中，高反膜系103由多层高折射率和低折射率的光学介质膜交叠而成，高反膜系103对信号激光201的反射率为99％～99.99％，并对控制激光202的波长全透过。根据控制激光202改变折射率变化硫系相变薄膜104是由Ge、Sb、Se或Te中任意两种至四种元素组成的混合化合物及Ag、In、N、Si的掺杂化合物，硫系相变薄膜104的厚度为20nm～100nm。作为保护的覆盖层105为SiO2薄膜、ZnS薄膜、ITO薄膜、Al2O3薄膜或MgF2薄膜，覆盖层105的厚度为3nm～30nm。
此外，如图2所示，插管106外包裹设有保护插管106与入射光纤101和出射光纤102连接关系的硬质的封装外壳107，封装外壳107为带V形槽的不锈钢外壳，有效地保护整体的开关结构。且入射光纤101上设有接入信号激光201和控制激光202的波分复用器204。
如图2所示，当硫系相变薄膜104处于非晶态时光纤法珀谐振腔处于谐振状态，此时光开关为开通状态；当控制激光202的激光脉冲触发硫系相变薄膜104发生相变并改变其折射率时，光纤法珀谐振腔内的损耗、光纤法珀谐振腔端面的反射率和/或光纤法珀谐振腔的等效腔长发生改变，从而使谐振腔的谐振条件发生改变，光开关对信号光变为关断状态。
具体地，在非易失性光纤光开关使用进行关断操作时，信号激光201和控制激光202经由波分复用器204同时导入入射光纤101，激光无需通过倏逝场作用，直接入射到硫系相变薄膜104中并与之发生相互作用。硫系相变薄膜104吸收控制激光202发出的的激光脉冲后在晶相和非晶相之间发生热致相变，导致硫系相变薄膜104的折射率产生巨大改变；由此，光纤法珀谐振腔内的损耗、光纤法珀谐振腔端面的反射率和/或光纤法珀谐振腔的等效腔长随之发生改变，并使法珀光纤法珀谐振腔的谐振状态相应发生变化，这会使得从出射光纤102出射的信号光203产生强度变化，实现光路开关功能。控制激光202的波长在500nm～1310nm之间，根据所用光纤的不同，信号激光201的波长可以是1μm～20μm(包括1310nm和1550nm)。
本发明还提供一种非易失性光纤光开关的制备方法，制备上述的非易失性光纤光开关结构，包括以下步骤：
步骤一：在入射光纤101和出射光纤102的端面沉积高反膜系103，高反膜系103的沉积方法为直流磁控溅射、射频磁控溅射或热蒸发镀膜；
步骤二：在入射光纤101的高反膜系103的表面沉积一层硫系相变薄膜104，硫系相变薄膜104的沉积方法为直流磁控溅射、射频磁控溅射、热蒸发镀膜、激光脉冲沉积或原子层沉积；
步骤三：在硫系相变薄膜104的表面沉积一层覆盖层105，覆盖层105的沉积方法为化学气相沉积或磁控溅射；
步骤四：将入射光纤101和出射光纤102镀膜后的端部分别插入插管106的两端，使入射光纤101与出射光纤102端面之间的间隙在插管106内构成光纤法珀谐振腔，并通过光学胶将入射光纤101和出射光纤102分别与插管106粘结固定；
步骤五：在插管106外包裹一封装外壳107，封装外壳107为带V形槽的不锈钢外壳。
作为优选方案，一种非易失性全光光纤开关的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：利用热蒸发镀膜的沉积方式在入射光纤101与出射光纤102的端面镀制高反膜系103，使通信波段的光反射率为99.96％，并在可见光波长全透过；
步骤二：利用磁控溅射的沉积方式在入射光纤101的高反膜系103表面沉积一层20nm～100nm厚的硫系相变薄膜104；
步骤三：利用磁控溅射的沉积方式在硫系相变薄膜104表面沉积一层20nm的SiO2薄膜；
步骤四：将入射光纤101和出射光纤102镀膜后的端部分别插入插管106的两端，使入射光纤101与出射光纤102端面之间的间隙在插管106内构成光纤法珀谐振腔，并通过光学胶将入射光纤101和出射光纤102镀膜后的端部分别与插管106粘结固定；
步骤五，在插管106外包裹一封装外壳107，封装外壳107为带V形槽的不锈钢外壳。
实施例一
采用通信C波段的单模光纤作为入射光纤101和出射光纤102，利用热蒸发镀膜的沉积方式在入射光纤101和出射光纤102的端面交替镀制15层Ta2O5/SiO2薄膜组，使光纤端面在1550nm波长的反射率为99.96％，并在532nm波长全透过。在入射光纤101的高反膜系103表面采用磁控溅射的方式先溅射一层40nm厚的Ge2Sb2Te5薄膜，再溅射一层20nm厚的SiO2薄膜作为保护用的覆盖层105。将镀膜后的入射光纤101和出射光纤102镀膜后的端部分别插入插管106的两端，使入射光纤101与出射光纤102端面之间的间隙在插管106内构成光纤法珀谐振腔，利用光学胶将入射光纤101与作为毛细管的插管106粘结固定，接下来校准光纤法珀谐振腔的腔长。利用通信波段可调谐激光器产生信号激光201，利用532nm脉冲可调激光器作为控制激光202，经由波分复用器204将信号激光201和控制激光202共同导入入射光纤101中；将出射光纤102尾端接入光谱仪，利用532nm控制激光202脉冲控制Ge2Sb2Te5薄膜反复相变5次使Ge2Sb2Te5薄膜的相变稳定后，调整光纤法珀谐振腔的腔长，使Ge2Sb2Te5薄膜为非晶态时1550nm信号激光201在光纤法珀谐振腔内产生谐振。之后，利用光学胶将出射光纤102与作为毛细管的插管106粘结固定，并将光开关的结构部分封入带V形槽的不锈钢外壳中。至此，光开关结构件制备完成。
在本实施例中，非易失性光纤光开关在使用时，Ge2Sb2Te5薄膜为非晶态时具有低折射率和低损耗的性能，此时1550nm信号激光201在光纤法珀谐振腔中处于谐振状态，经过光纤光开关后透过率高，此时光开关为打开状态；当532nm波长的控制激光202发出约持续100ns的脉冲，使非晶态的Ge2Sb2Te5薄膜相变为晶态，此时硫系相变薄膜104具有高折射率和巨大的光损耗的性能，信号激光201的透过率极小，此时光开关为关断状态；而当532nm波长的控制激光202发出约50ns的更高能量短脉冲使晶态的Ge2Sb2Te5薄膜重新相变为非晶态时，光开关重新打开导通。在无控制激光脉冲作用时，光纤光开关将自动维持其前一个状态。
实施例二
实施例二与实施例一的不同之处仅在于控制激光202的波长，在本实施例中，控制激光202的波长为633nm。
实施例三
实施例三与实施例一的不同之处仅在于硫系相变薄膜104，在本实施例中，硫系相变薄膜104为Ge2Sb2Se4Te1，其厚度为50nm。
此外，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，例如采用其它成分的硫系相变薄膜104，采用其它控制脉冲的控制激光202，或是利用其它波段的光纤。
综上，在本实施例中，提出的非易失性光纤光开关结构及制备方法，本发明利用硫系相变材料构建光纤光开关，可使光纤光开光的开、关状态均具有特殊的非易失性，并具有长效低功耗优势；光开关为全光调控，高效且结构紧凑、简单；根据所采用的硫系相变材料不同，本发明中的光纤全光开关还具有飞秒至纳秒级的高速特性，并可承受千亿次循环使用。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非易失性光纤光开关结构，其特征在于，包括入射光纤(101)、出射光纤(102)、高反膜系(103)、硫系相变薄膜(104)、覆盖层(105)和插管(106)，其中：
所述插管(106)的两端分别插设有所述入射光纤(101)与所述出射光纤(102)，所述入射光纤(101)与所述出射光纤(102)同轴且端面相对，所述入射光纤(101)与所述出射光纤(102)之间存在间隙并构成一光纤法珀谐振腔；
所述入射光纤(101)正对所述出射光纤(102)的端面依次向外设有所述高反膜系(103)、所述硫系相变薄膜(104)和所述覆盖层(105)；
所述出射光纤(102)正对所述入射光纤(101)的端面设有所述高反膜系(103)；
当所述硫系相变薄膜(104)处于非晶态时，所述光纤法珀谐振腔处于谐振状态，此时光开关为开通状态；当控制激光(202)的激光脉冲触发所述硫系相变薄膜(104)发生相变并改变其折射率时，使所述光纤法珀谐振腔的谐振条件发生改变，光开关对信号光变为关断状态。
2.根据权利要求1所述的非易失性光纤光开关结构，其特征在于，所述插管(106)为石英毛细管或陶瓷插管，所述插管(106)的内径为125μm～130μm。
3.根据权利要求1所述的非易失性光纤光开关结构，其特征在于，所述入射光纤(101)和出射光纤(102)均为单模或多模光纤。
4.根据权利要求1所述的非易失性光纤光开关结构，其特征在于，所述高反膜系(103)由多层高折射率和低折射率的光学介质膜交叠而成，所述高反膜系(103)对信号激光(201)的反射率为99％～99.99％，并对控制激光(202)波长全透过。
5.根据权利要求1所述的非易失性光纤光开关结构，其特征在于，所述硫系相变薄膜(104)是由Ge、Sb、Se或Te中任意两种至四种元素组成的混合化合物及Ag、In、N、Si的掺杂化合物，所述硫系相变薄膜(104)的厚度为20nm～100nm。
6.根据权利要求1所述的非易失性光纤光开关结构，其特征在于，所述覆盖层(105)为SiO2薄膜、ZnS薄膜、ITO薄膜、Al 2O3薄膜或MgF2薄膜，所述覆盖层(105)的厚度为3nm～30nm。
7.根据权利要求1所述的非易失性光纤光开关结构，其特征在于，所述插管(106)外包裹设有硬质的封装外壳(107)。
8.根据权利要求1所述的非易失性光纤光开关结构，其特征在于，所述入射光纤(101)上设有接入信号激光(201)和控制激光(202)的波分复用器(204)。
9.一种非易失性光纤光开关的制备方法，制备如权利要求1至8中任意一项所述的非易失性光纤光开关结构，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在入射光纤(101)和出射光纤(102)的端面沉积高反膜系(103)；
步骤二：在所述入射光纤(101)的所述高反膜系(103)的表面沉积一层硫系相变薄膜(104)；
步骤三：在所述硫系相变薄膜(104)的表面沉积一层覆盖层(105)；
步骤四：将所述入射光纤(101)和所述出射光纤(102)镀膜后的端部分别插入插管(106)的两端，使所述入射光纤(101)与所述出射光纤(102)端面之间的间隙在所述插管(106)内构成光纤法珀谐振腔，并通过光学胶将所述入射光纤(101)和所述出射光纤(102)镀膜后的端部分别与所述插管(106)粘结固定；
步骤五：在所述插管(106)外包裹一封装外壳(107)。
10.根据权利要求9所述的非易失性光纤光开关的制备方法，其特征在于，所述高反膜系(103)的沉积方法为直流磁控溅射、射频磁控溅射或热蒸发镀膜；所述硫系相变薄膜(104)的沉积方法为直流磁控溅射、射频磁控溅射、热蒸发镀膜、激光脉冲沉积或原子层沉积；所述覆盖层(105)的沉积方法为化学气相沉积或磁控溅射。
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