一种非易失性光纤光开关结构及制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Nonvolatile Optical Fiber Switch Structure and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种非易失性光纤光开关结构及制备方法
本专利技术涉及光纤通信领域，尤其涉及一种非易失性光纤光开关结构及制备方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的有益效果主要体现在：本专利技术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，本专利技术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为本专利技术中非易失性光纤光开关结构的结构示意图；图2是本专利技术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专利技术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，其中表示了本专利技术的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本专利技术，而仍然实现本专利技术的有利效果。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，而并不作为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，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专利技术和简化描述，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，不能理解为限制本专利技术的具体保护范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本专利技术。根据下面说明，本专利技术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、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。如图1所示，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)。

【技术特征摘要】
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)。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李钧颖，林宏焘，陈辉，马佩，林凯临，杜嘉，穆章健，张学典，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31