一种基于相变材料Ge2Sb2Te5的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关及其制备方法与流程

一种基于相变材料ge2sb2te5的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关及其制备方法
技术领域
1.本发明属于非易失性光开关技术领域，特别涉及一种基于相变材料ge2sb2te5(gst)的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关及其制备方法。


背景技术：

2.随着5g的普及和云端设备的大量增加，需要在线存储和处理大量数据，因此要求数据存储和处理更加迅速。但是，现代计算机系统基于冯诺伊曼架构，处理器和存储器时空分离，即处理器只负责计算，存储器只负责存储，然而处理器的运算速度不断提升，存储器的访问速度却提升不大，这导致处理器每运算一次，要花大量的时间去等存储器传输数据，最终导致计算机的整体运算速度下降，并浪费大量能量，这就是著名的冯诺伊曼瓶颈。因此，需要以某种方式将运算和存储两个基本任务融合在一起。算存一体芯片是最近热门的解决方案，核心思想是直接用存储器进行数据运算，而非易失性光开关是其中的核心器件。光开关的非易失性是指在没有恒定的外部激励源时，器件的开关状态不会突然消失，会被长期保留。非易失性光开关切换速度快、功耗低，对实现可重构光子器件，加速冯诺依曼瓶颈具有重要意义。
3.非易失性光开关很多是基于硅基光刻平台，利用电子束光刻技术在轨迹平台上刻蚀马赫曾德尔干涉波导，在干涉臂波导上镀gst实现非易失性光开关，但是波导的刻蚀过程繁琐且成本高，且硅基波导受温度影响较大，难以保证光开关的稳定性，限制了非易失性光开关的实际应用。基于相变材料ge2sb2te5的马赫曾德尔非易失性多级光开关在光纤平台上实现，光纤在现代电信基础设施中扮演着重要角色，具有在线传输数据和快速传输数据的优势，光纤平台的马赫曾德尔非易失性光开关不仅可以实现可重构，还可以传输互联，在未来“算、存、传”一体的云计算中潜力巨大，并且光纤平台的马赫曾德尔干涉非易失性光开关还具有制备简单成本低的优势。


技术实现要素：

4.为了实现以上要求，本发明提供了一种基于相变材料ge2sb2te5的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关及其制备方法。本发明的目的在于提供一种非易失性光开关以实现不需要外部激励源的多级光开关调制。
5.本发明的技术方案是：
6.一种基于相变材料ge2sb2te5的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关，包括宽带光源、单模光纤、“花生型”光纤微结构、纤芯镀有ge2sb2te5的微孔、793nm连续激光器、532nm 脉冲激光器、光谱分析仪；所述宽带光源通过单模光纤与第一“花生型”光纤微结构、纤芯镀有ge2sb2te5的微孔、第二“花生型”光纤微结构和光谱分析仪依次相连。
7.一种基于相变材料ge2sb2te5的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关的制备方法，包括如下步骤：
8.步骤一：将单模光纤除去涂覆层，用酒精擦拭干净后将端面切平整，然后对光纤端面进行电弧熔融，熔融时间约为30秒，熔融后在表面张力作用下形成一个直径约170μm微球，利用同样的方式形成第二个微球；
9.步骤二：将两个熔融后的微球中心对准紧贴进行电弧熔接，放电时间约为20秒，经电弧熔接后的两个微球形成类似于“花生型”光纤微结构，利用同样的方式形成第二个“花生型”光纤微结构；
10.步骤三：将两个“花生型”光纤微结构的端面电弧熔接，两个“花生型”光纤微结构的距离约为3.5cm；
11.步骤四：利用激光在3.5cm的单模光纤上打孔，孔的深度到达纤芯位置约为58μm，孔的长度约为300μm；
12.步骤五：利用磁控溅射镀膜技术，将ge2sb2te5靶材正对打孔处镀ge2sb2te5薄膜， ge2sb2te5膜厚约45nm，构成纤芯镀有ge2sb2te5的微孔。
13.利用不同激光功率的793nm连续激光器对打孔处镀制的ge2sb2te5薄膜进行辐照，实现 ge2sb2te5从非晶态到晶态的多级光开关调制；所述的不同激光功率的793nm连续激光器的功率范围为6
‑
10mw。
14.利用532nm脉冲激光器对打孔处镀制的ge2sb2te5薄膜进行辐照，实现ge2sb2te5从晶态到非晶态的光开关调制；所述的532nm脉冲激光器激光功率为45mw。
15.本发明提供了一种基于相变材料ge2sb2te5的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关及其制备方法，包括：两个“花生型”微结构的烧制、激光打孔到纤芯、打孔处镀制gst薄膜以及基于马赫曾德尔干涉原理实现光开关的多级调制。
16.光开关系统中包括两个“花生型”微结构，这种结构能够实现光纤中纤芯模分束到包层以及包层模合束到纤芯，从而实现“花生型”马赫曾德尔干涉。在干涉臂上打孔到纤芯，并在打孔处镀gst薄膜，由于gst晶态与非晶态的消光系数差异较大，从而，可通过调节 gst的晶化程度使干涉峰光强产生多级变化，实现多级光开关，并且在没有恒定外部激励源时，gst的状态不会发生改变，达到非易失性多级光开关的目的。
17.本发明的工作原理为：宽带光源的光耦合进“花生型”马赫曾德尔干涉结构中，光纤中的纤芯光在第一个“花生型”微结构中被分为两束，一束进入包层为包层模，一束仍留在纤芯为纤芯模，两束光传播一定距离后，在第二个“花生型”微结构处，纤芯中的光与包层中的光会被合为一束，满足干涉条件的纤芯模和包层模会产生干涉现象。光纤中纤芯模与包层模的相位差可表示为：
[0018][0019]
式(1)中的和分别是纤芯模与包层模的有效折射率，l是干涉臂长度，δn
eff
是纤芯模与包层模的有效折射率之差，λ是干涉峰波长。
[0020]
光开关的总传输光强可表示为：
[0021][0022]
式(2)中的i
core
和i
cladding
为光纤中的纤芯模和包层模的光强。
[0023]
当干涉臂打孔镀上gst时，随着gst晶化程度的增加，gst的消光系数不断增大，纤芯模和包层模的光强会不断发生衰减，最终总的传输光强不断发生衰减。从而，可通过干涉峰光强不同程度的衰减来实现多级光强调制。
[0024]
本发明相比现有技术具有以下有益效果：
[0025]
1.全光纤结构的非易失性光开关，不需要外部恒定激励源，可以实现多级光强调制。
[0026]
2.创新地提出利用光纤烧球熔接、磁控溅射镀膜以及光纤打孔技术进行非易失性光开关的制作，形成干涉臂中间打孔镀gst的“花生型”马赫曾德尔干涉结构，制作简单成本低，在可重构光子器件及非易失性光开关领域应用前景广阔。
附图说明
[0027]
图1非易失性光开关整个系统示意图；
[0028]
图2非易失性光开关制作过程示意图；
[0029]
图3a
‑
b非易失性开关多级调制光谱图及功率与调制级数的关系曲线
[0030]
图4非易失光开关重复性与稳定性阶梯图；
[0031]
图5光开关非易失性光强波动测试图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和实施例对本发明申请作进一步的说明：
[0033]
结合附图1，一种基于相变材料gst的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关，包括宽带光源1、单模光纤2、双球焊接的“花生型”光纤微结构3、纤芯镀有gst的微孔4、793nm 连续激光器5、532nm脉冲激光器6、光谱分析仪7；
[0034]
所述的非易失性多级光开关结构的制备方法包括光纤端面微球的烧制、光纤微球的熔接、激光打孔到纤芯、纤芯镀制gst薄膜；所述的单模光纤2去除涂覆层，用酒精擦拭干净后将端面切平，然后利用电弧对光纤端面进行熔融，电弧熔融时间约为30秒；单模光纤 2端面经电弧熔融后，表面张力使端面形成一个直径约170μm微球8，利用同样的方式形成第二个微球；所述的两个熔融后的微球中心对准紧贴进行电弧熔接，电弧熔接时间约为 20秒；经电弧熔接后的两个微球形成类似于“花生型”的微结构3，利用同样的方式形成第二个“花生型”微结构；两个“花生型”微结构的端面进行电弧熔接，两个“花生型”微结构的距离约为3.5cm；利用激光在3.5cm的单模光纤上打孔9，孔的深度到达纤芯位置约为58μm，孔的长度约为300μm；利用磁控溅射镀膜技术，将gst靶材正对打孔处镀gst 薄膜4，gst膜厚约45nm；利用不同激光功率的793nm连续激光器5对打孔处镀制的gst薄膜进行辐照，实现gst从非晶态到晶态的多级光开关调制；所述的不同激光功率的793nm 连续激光器的功率范围为6
‑
10mw；利用532nm脉冲激光器6对打孔处镀制的gst薄膜进行辐照，实现gst从晶态到非晶态的光开关调制；
[0035]
所述的532nm脉冲激光器激光功率为45mw；
[0036]
本发明是一种利用光纤烧球熔接、激光打孔以及磁控溅射镀膜技术制备的基于马赫曾德尔干涉原理的非易失性光开关。光开关结构中包括两个“花生型微”结构，这种结构能够实现光纤中纤芯模分束到包层以及包层模合束到纤芯，从而实现“花生型”马赫曾德尔
干涉。在干涉臂上打孔到纤芯，并在打孔处镀gst薄膜，由于gst晶态与非晶态的消光系数差异较大，从而，可通过调节gst的晶化程度使干涉峰光强产生多级变化，实现多级光开关，此外gst在没有恒定外部激励源时，光开关的状态不会发生改变，达到非易失性多级光开关的目的。
[0037]
结合附图2，一种基于相变材料gst的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关及其制备方法，包括以下步骤：
[0038]
步骤一：将单模光纤2除去涂覆层，用酒精擦拭干净后将端面切平整，然后对光纤端面进行电弧熔融，熔融时间约为30秒，熔融后在表面张力作用下形成一个直径约170μm 微球8，利用同样的方式形成第二个微球。
[0039]
步骤二：将两个熔融后的微球中心对准紧贴进行电弧熔接，放电时间约为20秒，经电弧熔接后的两个微球形成类似于“花生型”的微结构3，利用同样的方式形成第二个“花生型”微结构。
[0040]
步骤三：将两个“花生型”微结构的端面电弧熔接，两个“花生型”微结构的距离约为3.5cm。
[0041]
步骤四：利用激光在3.5cm的单模光纤上打孔9，孔的深度到达纤芯位置约为58μm，孔的长度约为300μm。
[0042]
步骤五：利用磁控溅射镀膜技术，将gst靶材正对打孔处镀gst薄膜4，gst膜厚约45nm。
[0043]
结合附图3，对基于相变材料gst的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关进行多级调制测试与分析。
[0044]
将非易失性光开关置于空气中进行性能测试，为防止其他环境因素串扰，实验过程中保持其他环境因素不变。非易失性光开关分别与宽带光源和光谱分析仪相连。利用不同激光功率的793nm连续激光辐照打孔处镀制的gst薄膜，进行gst非晶态到晶态的多级光开关调制，793nm连续激光器的功率从6mw开始调制，每次辐照gst的时间约为2秒，待光谱稳定后记录数据，然后利用激光功率约为45mw的532nm脉冲激光辐照打孔处镀制的gst薄膜，使gst从晶态恢复到非晶态，然后增加约1mw的793nm激光功率，重复上面的步骤，直到793nm激光功率增加到辐照gst无法使干涉光谱相对于上一次有明显变化时，停止实验。对得到的光谱分析可知：793nm激光对gst辐照，使干涉光谱发生从0级到5级的光强衰减，实现了6级开关调制，并且793nm激光功率与调制级数之间呈线性关系。
[0045]
结合附图4，基于相变材料gst的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关进行重复性和稳定性测试与分析。
[0046]
将光开关置于空气中，当793nm连续激光辐照gst实现非晶态到晶态的6级光开关调制后，用532nm脉冲激光将gst由晶态重置回非晶态，完成这两个过程视为一个调制周期结束。反复切换793nm连续激光和532nm脉冲激光进行4个周期的光开关重复性和稳定性测试，对得到的重复性阶梯图分析可知，相同阶梯的光强都稳定在一定的范围内，级与级之间能够被良好区分开。
[0047]
结合附图5，基于相变材料gst的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关进行非易失性测试与分析。
[0048]
将非易失性光开关放置于空气中，进行30天内光开关调制级数的光强波动性测
试，每 10天进行一次测试，对得到的非易失性光强波动测试图分析可知，30天内光开关每级的光强波动约为0.2db，这种程度的光强波动，无法影响光开关调制级数的分辨，表明该光开关具有良好的非易失性。
[0049]
综上，以上所述的具体实施方案，对本发明的具体制作方法进行了进一步的详细说明。本发明提出的基于相变材料gst的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关，不需要外部恒定激励源，可以实现多级光强调制，具有制作简单成本低的优势。本发明在可重构光子器件及非易失性光开关领域应用前景广阔。
[0050]
本发明提供了一种基于相变材料ge2sb2te5(gst)的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关及其制备方法，属于非易失性光开关技术领域。非易失性光开关的系统包括：宽带光源、单模光纤、两个双球焊接的“花生型”光纤微结构、纤芯镀有gst的微孔、532nm脉冲激光器、793nm连续激光器和光谱分析仪。由于双球焊接的“花生型”光纤微结构能产生马赫曾德尔干涉，而不同晶化程度的gst具有差异较大的消光系数，能使干涉峰光强产生多级变化，可作为多级光开关，并且在没有恒定外部激励源时，gst的状态不会发生改变，达到非易失性光开关的目的。本发明提出一种全光纤结构的非易失性光开关，具有制作简单、不需要外部恒定激励源、可以实现多级调制的优势。