CN113724757B - 一种光纤忆阻单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光纤忆阻单元。该光纤忆阻单元，包括单模光纤、光学相变材料薄膜和防氧化增反膜。其中，所述光学相变材料薄膜位于单模光纤端面，防氧化增反膜位于光学相变材料后。该单模光纤忆阻单元的反射率在脉冲光的加载下表现出有高低反射率的变化，并具有非易失性效应，实现非易失性全光存储。该单模光纤忆阻单元可以用作一种全光调控的光纤存储器件，具备存储速率高、能耗低以及抗电磁干扰等优点，能与光纤通信网络、光纤传感网络兼容，具有重要的应用潜力。

Description

一种光纤忆阻单元
技术领域：
本发明设计属于光信息技术领域，具体涉及到一种光纤忆阻单元。
背景技术：
忆阻器在1971年由加州大学的蔡少棠预言存在，直到2008年由惠普公司研制成功，其阻值随着流经的电荷数量变化，具备记忆电荷数量的功能。近年来，忆阻器得到广泛的研究，基于此的非易失性存储器已经得到较为成熟的商业化应用。此外，由于忆阻器具备类似生物脑神经的记忆功能，基于忆阻器的生物神经元结构相继被提出，并行计算方案得到实现，为人工通用智能以及类脑计算提供了物理基础。
现阶段，忆阻器多为电学手段实现，随着摩尔极限的到来，且电子存在易被电磁干扰、能耗高等缺陷，忆阻器的光学手段实现为必然趋势。基于光子的忆阻器，其速率要比电子快1000倍。目前，光学忆阻器的研究正处于起步阶段，2014年清华大学周济等人提出基于超材料的光忆阻片，通过加载电磁场调控忆阻片的透光率(周济,吴红亚.基于超材料的光忆阻片[P].北京：CN104681719A,2015-06-03.)，该忆阻片结构为波导结构，与当前光学系统难以兼容；2019年深圳大学周晔等人提出一种基于钙钛矿的多层光控忆阻器(韩素婷,杨嘉钦,周黎,周晔.一种光控忆阻器及其制备方法[P].广东省：CN110690345A,2020-01-14.)，利用电阻材料的光敏特性实现调控，其本质仍以电子为工作基本粒子。
本发明提供一种光纤忆阻单元，将光学相变材料与光纤进行结合，利用高功率脉冲激光实现光学相变材料的相态调控，不同相态的反射率不同，由低功率的连续激光探测，从而实现全光忆阻功能。本发明将忆阻器技术与光纤技术相结合，提出全光手段实现的光纤忆阻单元，以光子来实现“擦写”、“读取”操作，其继承光纤的固有优点，体积小、成本低、抗电磁干扰等，相比于电学手段的忆阻器，其能耗低、速率快，能够与当下光纤通信系统、光纤传感系统良好的结合，有望促进全光神经网络以及全光类脑计算的实现。
发明内容：
本发明目的在于提供一种光纤忆阻单元，实现非易失性全光存储。
本发明提供一种光纤忆阻单元，包括单模光纤(1)、光学相变材料薄膜(2)、防氧化增反膜(3)；
其中，单模光纤(1)端面后镀有光学相变材料薄膜(2)，光学相变材料薄膜(2)后镀有防氧化增反膜(3)。
构成所述单模光纤(1)经过光纤切割刀切割之后，通过有机溶剂清洗、电弧清洁后保持端面高清洁度。
构成所述的光学相变材料薄膜(2)，其材质为硫系化合物，其中，具体为锗锑碲合金(Ge2Sb2Te5)、银铟锑碲合金(AgInSbTe)等。
所述的光学相变材料薄膜(2)至少存在两种相态，晶态与非晶态，两种相态的在通讯波段的反射率存在差异，晶态反射率高、非晶态反射率低。
所述的光学相变材料薄膜(2)通过射频磁控溅射的方式与单模光纤(1)端面结合，其厚度为150nm。
构成所述的防氧化增反膜(3)的材质为氧化铟锡(ITO)或金膜(Au)等。
所述的防氧化增反膜(3)防止光学相变材料薄膜(2)暴露在空气中被氧化，以及增加对通讯波段的反射。
所述的防氧化增反膜(3)通过射频磁控溅射的方式与光学相变材料薄膜(2)结合，其厚度为100nm。
所述的光纤忆阻单元由峰值功率较大的通讯波段的脉冲激光进行“擦写”操作，由功率较弱的通讯波段的连续激光对光纤忆阻单元的反射率进行“读取”，在光纤内进行“擦写”、“读取”，实现非易失性多级存储。
本发明的有益效果在于：
本发明将忆阻器技术与光纤技术相结合，提出全光手段实现的光纤忆阻单元，以光子来实现“擦写”、“读取”操作，其继承光纤的固有优点，体积小、成本低、抗电磁干扰等，相比于电学手段的忆阻器，其能耗低、速率快，能够与当下光纤通信系统、光纤传感系统良好的结合，有望促进全光神经网络以及全光类脑计算的实现。
附图说明：
图1为本发明提供的一种光纤忆阻单元示意图。
图2为本发明中对光纤忆阻单元的调控光路图。
图3为本发明中光纤忆阻单元的非易失多级存储示意图。
具体实施方式：
为清楚地说明本发明一种光纤忆阻单元，结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明目的在于提供一种光纤忆阻单元，实现非易失性全光存储。参见图1，图1为本发明提供的一种光纤忆阻单元示意图。
本发明提供一种光纤忆阻单元，包括单模光纤(1)、光学相变材料薄膜(2)、防氧化增反膜(3)；
其中，单模光纤(1)端面后镀有光学相变材料薄膜(2)，光学相变材料薄膜(2)后镀有防氧化增反膜(3)。
构成所述单模光纤(1)经过光纤切割刀切割之后，通过有机溶剂清洗、电弧清洁后保持端面高清洁度。
构成所述的光学相变材料薄膜(2)，其材质为硫系化合物，其中，具体为锗锑碲合金(Ge2Sb2Te5)、银铟锑碲合金(AgInSbTe)等。
所述的光学相变材料薄膜(2)至少存在两种相态，晶态与非晶态，两种相态的在通讯波段的反射率存在差异。
所述的光学相变材料薄膜(2)通过射频磁控溅射的方式与单模光纤(1)端面结合，其厚度为150nm。
构成所述的防氧化增反膜(3)的材质为氧化铟锡(ITO)或金膜(Au)等。
所述的防氧化增反膜(3)防止光学相变材料薄膜(2)暴露在空气中被氧化，以及增加对通讯波段的反射。
所述的防氧化增反膜(3)通过射频磁控溅射的方式与光学相变材料薄膜(2)结合，其厚度为100nm。
所述的光纤忆阻单元由峰值功率较大的通讯波段的脉冲激光进行“擦写”操作，由功率较弱的通讯波段的连续激光对光纤忆阻单元的反射率进行“读取”，在光纤内进行“擦写”、“读取”，实现非易失性多级存储。
参见图2，图2为本发明的一个实施例提供的光纤忆阻单元的调控光路图。
所述光纤忆阻单元的调控光路图，包括脉冲激光器(4)、连续激光器(5)、耦合器(6)、环形器(7)、光纤忆阻单元(8)、光滤波器(9)、光电探测器(10)以及信号处理系统(11)。
所述的脉冲激光器(4)出射高功率脉冲激光，经过耦合器(6)、环形器(7)入射至光纤忆阻单元(8)中，脉冲激光反射再次经过环形器(7)后被光滤波器(9)隔离。
所述的脉冲激光器(4)出射的高功率脉冲激光的能量较为集中，能够引起光纤忆阻单元(8)中光学相变材料(2)的相态发生转变，即“擦写”操作；通过调控脉冲激光器(4)出射的脉冲激光峰值功率、脉冲宽度、重复频率等参数，能够对光纤忆阻单元(8)实现多相态调控。
所述的连续激光器(5)出射低功率连续激光，经过耦合器(6)、环形器(7)入射至光纤忆阻单元(8)中，连续激光反射再次经过环形器(7)、光滤波器(9)后，由光电探测器(10)接受，且将光信号转换为电信号输出至，信号处理系统(11)。
所述的连续激光器(5)出射低功率连续激光是为了“读取”光纤忆阻单元(8)的反射率(所处的状态)，光纤忆阻单元(8)处于不同的相态时，其对光的反射率是存在差异的。
所述的信号处理系统(11)接受光电探测器(10)中“读取”激光的信息，还需对脉冲激光器(4)、连续激光器(5)进行控制，调控脉冲激光器(4)出射的脉冲激光参数以及连续激光器(5)出射的连续激光参数。
所述的光纤忆阻单元的调控光路图能够实现全光非易失性多级存储。参见图3，图3为光纤忆阻单元的非易失多级存储示意图。
所述光纤忆阻单元的非易失多级存储示意图，其为光纤忆阻单元(8)在时域被调控的表现，由脉冲激光器(4)进行“擦写”操作，实现其相态改变；由连续激光器(5)进行“读取”操作，实现反射率的探测；反射率变化动态范围能够达到30％，共实现8级存储(0级～7级)，即3位(bit)。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种光纤忆阻单元，包括单模光纤（1）、光学相变材料薄膜（2）、防氧化增反膜（3）；
其中，单模光纤（1）端面后镀有光学相变材料薄膜（2），光学相变材料薄膜（2）后镀有防氧化增反膜（3）；
构成所述单模光纤（1）经过光纤切割刀切割之后，通过有机溶剂清洗、电弧清洁后保持端面高清洁度；
构成所述的光学相变材料薄膜（2），其材质为硫系化合物，其中，具体为锗锑碲合金（Ge2Sb2Te5）或银铟锑碲合金（AgInSbTe）；
所述的光学相变材料薄膜（2）至少存在两种相态，晶态与非晶态，两种相态的在通讯波段的反射率存在差异，晶态反射率高、非晶态反射率低；
所述的光学相变材料薄膜（2）通过射频磁控溅射的方式与单模光纤（1）端面结合，其厚度为150nm；
构成所述的防氧化增反膜（3）的材质为氧化铟锡（ITO）或金膜（Au）；
所述的防氧化增反膜（3）防止光学相变材料薄膜（2）暴露在空气中被氧化，以及增加对通讯波段的反射；
所述的防氧化增反膜（3）通过射频磁控溅射的方式与光学相变材料薄膜（2）结合，其厚度为100nm；
所述的光纤忆阻单元由峰值功率较大的通讯波段的脉冲激光进行“擦写”操作，由功率较弱的通讯波段的连续激光对光纤忆阻单元的反射率进行“读取”，在光纤内进行“擦写”、“读取”，实现非易失性多级存储。
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