殷嘉悅，程思瑩，婁存愷，楊博智，張 羽

哈爾濱工程大學纖維集成光學教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001

光纖因其具有低廉的制造成本，超高的傳輸速度、巨大的帶寬和很強的波長復用能力，成為目前理想的信息傳遞介質，廣泛應用于通信領域[1]。高速帶寬業(yè)務的快速發(fā)展對光纖的傳輸性能、靈活性和可擴展性提出了更高要求[2-4]。在實現大容量超高速傳輸[5]的同時，要求光通信實現智能化改造以滿足人工智能發(fā)展的需求。因此，本文嘗試賦予光纖繼傳感和傳輸之外新的功能——存儲，以更好地服務于智能光通信。

目前實現光存儲常見的方法是利用器件或者材料本身的雙穩(wěn)態(tài)特性，通過主從結構[6-8]，反饋回路方案[9-11]以及注入鎖定技術[12-14]來實現，這些方法雖然操作速度較快，但結構較為復雜且易失（需要額外的能量來維持存儲狀態(tài)）。以硅基波導為襯底結合相變材料（phase change materials,PCMs）的方法已被證明能夠實現非易失性光存儲[15-20]。其中，硫系相變材料Ge2Sb2Te5（GST）在速度和穩(wěn)定性方面具有良好的性能，是目前應用最廣泛的材料之一。文獻[15] 提出了一種基于GST 的全光子非易失性相變存儲器，可以實現3 位數據的存儲，在此基礎上采用脈寬調制可以實現12 級的全光存儲[16]。然而基于硅基波導的存儲器靈活性較低，難以長距離傳輸光信號，且在與光纖系統(tǒng)耦合時存在制備成本高，耦合效率低等問題[21-22]。而光纖[23-24]因其優(yōu)秀的傳輸性能以及較低的制造成本將成為實現低損耗、超高速、大容量傳輸的信息存儲的最優(yōu)解。

本文將賦予光纖存儲的新功能，為構建智能光通信系統(tǒng)，實現超高速光纖通信提供新思路。本研究采用單模光纖（single-mode fiber,SMF）與1.5 mm 多模光纖（multimode fiber,MMF）同軸焊接的方式產生類貝塞爾光束，將GST 濺射在多模光纖端面，利用不同功率的脈沖光改變GST 的相態(tài)，從而實現11 級的多級存儲。光學對比度為50%，具有良好的重復性和隨機存儲能力，存儲級次與光脈沖能量一一對應。該光纖存儲器也有潛力應用于人工智能，類腦計算等領域。

1 基本模型與原理

1.1 基本模型

本文采用光纖結合GST 的方法實現非易失性光存儲，圖1 為光纖存儲單元的三維模型圖，使用一小段MMF 同軸焊接到SMF 上，經SMF 出射的激光射入MMF 內實現干涉，形成類貝塞爾光束，并通過射頻濺射鍍膜的方式將GST 薄膜沉積在MMF 末端端面，利用GST的反射特性實現存儲器內光調制的功能，并使用了氧化銦錫（indium tin oxide,ITO）對GST進行保護。這種方式構造的存儲器結構較為簡單，操作起來簡便靈活，易于控制，并且全光纖的系統(tǒng)可以高效地將光耦合至光纖通信網絡。

圖1 光纖存儲單元三維示意圖Figure 1 3D schematic diagram of the optical fiber memory cell

1.2 原理

光纖存儲單元是全光纖存儲器實現存儲功能的關鍵，該存儲單元主要由兩部分組成，一部分是用于產生光纖類貝塞爾光束的光纖探頭，另一部分是GST。將光纖探頭與GST 結合，調控GST 相態(tài)，從而實現多級存儲。

1.2.1 光纖類貝塞爾光束

本文采用單模光纖與階躍多模光纖結合的方式產生類貝塞爾光束，單模光纖中的基模耦合到多模光纖中。在多模光纖中傳輸的場用貝塞爾函數J0(kz,fnr) 來表示，它的橫波矢量為，其中k=2π/λ，n1為多模光纖纖芯折射率，βfn是多模光纖纖芯中高階模的傳播常數，r是小于光纖纖芯半徑R的徑向坐標。多模光纖的輸出面處的場是類貝塞爾場的疊加[25]，表示為

式中：L為多模光纖的長度；N為多模光纖中激勵模式的數量；Cn為分解系數，其公式為

光束離開光纖后在自由空間中傳播的光束可以近似為

根據式(3) 可知，多個貝塞爾場疊加使得光束的傳播幾乎無衍射。利用這種單模-多模光纖結構產生的類貝塞爾光束，其截面上的光強分布由一組同心環(huán)構成。改變SMF-MMF 芯徑比以及MMF 長度可以實現可控的多模激勵和干擾，并將更多的能量集中在所需的非衍射圖案（通常是中心點或第1 環(huán)）中。本文采用纖芯直徑為105 μm 的階躍多模光纖，通過控制MMF 長度控制輸出光場的強度分布。

利用光束傳播法模擬光纖探頭端面的貝塞爾光束光場分布，建立了一個三維的單模-多模光纖結構模型，單模光纖與多模光纖纖芯折射率n1=1.466 1，包層折射率n2=1.455 3，入射光波長為1 550 nm，改變多模光纖長度，觀察出射光場，確定最佳長度。圖2(a)～(d) 分別是多模光纖長度為0.5 mm、1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm 時的端面出射光場。從圖2(a) 中可以看出，當多模光纖長度過小時，光功率過度集中于多模光纖纖芯的中心；從圖2(c) 和(d) 可以看出，當多模光纖長度過長時，同心環(huán)的光強度分布將過于稀疏，且光強分布不均；本文中多模光纖長度選用1.5 mm，如圖2(b) 所示，可以觀察到多模光纖端面光場以一簇同心圓環(huán)的形式分布，且每個圓環(huán)上能量是均勻的。

圖2 多模光纖端面輸出光場的模擬結果Figure 2 Simulation results of the MMF end-face output light field

1.2.2 相變材料特性及相態(tài)轉換

GST 材料為非易失性存儲研究中最熱門的相變材料，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。GST材料即指由Ge、Sb、Te 三種金屬組成的材料，它存在晶態(tài)與非晶態(tài)兩種狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)下的光學性質和電學性質存在顯著差異，兩態(tài)轉換過程中所需要的能量較低，轉換速率快，其可逆循環(huán)次數能夠達到106次[26]。

GST 相變材料晶態(tài)與非晶態(tài)下的介電常數不同，因此折射率與消光系數存在明顯差異。本文使用橢圓偏振光譜儀對GST 在晶態(tài)與非晶狀態(tài)下的折射率n與消光系數k進行測量，得到n與k隨波長變化的曲線，如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在可見光與紅外波段下，晶態(tài)下的折射率遠大于非晶態(tài)下的折射率，消光系數也存在明顯差異。

圖3 GST 晶態(tài)與非晶態(tài)下不同波長的折射率n 與消光系數kFigure 3 Refractive index n and extinction coefficient k of diffierent wavelengths in GST crystalline and amorphous state

通過控制相變材料的溫度可以實現這兩種相位狀態(tài)之間的相互轉化。通常采用施加光脈沖或電脈沖的方法作為加熱手段，這兩種方法誘導相變的本質都是改變GST 的溫度，進而實現相態(tài)間的切換。本文采用的是脈沖激光改變GST 相態(tài)。

幅值較低且脈寬較大的脈沖激光束將GST 加熱至溫度介于結晶溫度與熔融溫度之間并持續(xù)足夠長的時間。由于在較高的溫度下原子的遷移率增加，因此原子能夠重新排列成有序的晶體結構，這一過程能夠實現GST 的晶化；較高能量且脈寬較小的脈沖激光束產生的熱量使GST 快速達到熔融態(tài)，從而打亂了內部的原子排列，將其變成散亂的分子結構。脈沖持續(xù)時間非常短，使熔融態(tài)的材料能夠以大于臨界冷卻速度的條件迅速淬火，其溫度迅速降低至結晶溫度下，此時由熔融態(tài)直接轉換為非晶態(tài)，這一過程能夠實現GST 的非晶化。

1.2.3 多級存儲機理

將晶化過程定義為“寫入”過程，非晶化過程定義為“擦除”過程，當GST 部分非晶化時，GST 呈現部分非晶態(tài)，其介電常數與GST 非晶化部分占整體體積的比例有關。部分非晶態(tài)的等效介電常數可以通過有效介質理論[27]近似表達為

式中：εc和εa分別為GST 在晶態(tài)和非晶態(tài)下的介電常數，m為GST 薄膜中非晶態(tài)部分所占比例。

從式(4) 中可以看出，通過控制m的變化，GST 的等效介電常數也會隨之發(fā)生變化，進而使材料折射率、反射率等光學性質發(fā)生變化，實現連續(xù)調控光學元件的光學性質。本文利用反射率差異實現光存儲，因此可以在晶態(tài)與非晶態(tài)之間連續(xù)調制出具有不同反射率的多個穩(wěn)定的GST 狀態(tài)。

建立GST 薄膜模型，用來模擬由SMF 和MMF 結合產生的光纖貝塞爾光束調制GST的過程。其中，GST 厚度為0.1 μm，半徑為52.5 μm。將圖2 中多模光纖端面上光強沿半徑分布的數據導出并進行歸一化處理，再與不同照度的光作積，獲得不同強度的貝塞爾光束。光照度依次從55 μW/μm2變化至65 μW/μm2，變化步長為1 μW/μm2，脈寬為10 ns，最終得到如圖4 所示的GST 薄膜的溫度場分布仿真結果圖。

圖4 不同脈沖光功率下GST 薄膜的溫度場分布圖Figure 4 Temperature field distribution plot of GST film under diffierent pulsed optical powers

將GST 薄膜中溫度大于890 K 的部分視作非晶態(tài)，即圖4 中的深紅色區(qū)域，隨著脈沖光功率的增加，GST 非晶態(tài)的面積逐漸增大，將差異最大的兩個狀態(tài)分別定義為完全晶態(tài)和完全非晶態(tài)。

采用有限元分析法對上述光纖貝塞爾光束在GST 處于不同狀態(tài)下的光傳播過程進行仿真模擬。單模光纖與多模光纖纖芯折射率n1=1.466 1，包層折射率n2=1.455 3。當檢測光的波長為1 530 nm 時，GST 處于完全晶態(tài)下的折射率nc=5.62，消光系數kc=0.940；GST處于完全非晶態(tài)下的折射率na=3.72，消光系數ka=0.002，調控過程如圖5 所示?？梢钥闯龉庠诙嗄９饫w內發(fā)生干涉，在端面產生類貝塞爾光束，GST 完全晶態(tài)時結構處于最高反射率狀態(tài)，GST 完全非晶態(tài)時結構處于最低反射率狀態(tài)。

圖5 貝塞爾光束調控GST 相態(tài)模擬結果。(a) GST 處于完全晶態(tài)；(b) GST 處于完全非晶態(tài)Figure 5 Simulation results of Bessel beams control GST phase state.(a) GST is in a fully crystalline state;(b) GST is in a completely amorphous state

GST 處于晶態(tài)下的反射率最高，將其視為歸一化的“1”；而處于非晶態(tài)下的反射率最低，將其視作歸一化的“0”。從圖6 中可以看出，當GST 的非晶化程度逐漸增加時，其反射率逐漸降低，兩者具有較好的反比關系。把信息編碼為反射率，每一個狀態(tài)均有不同的反射率，并對應一個存儲等級，于是通過探測輸出光實現信息的讀取，可實現多級存儲。

圖6 GST 不同狀態(tài)下的歸一化反射率Figure 6 Normalized reflectivity under diffierent states of GST

2 樣品制備與實驗裝置

2.1 結構制備與膜層表征

本實驗制備的光纖探頭如圖7(a) 所示，采用纖芯直徑為8 μm，包層直徑為125 μm 的單模光纖以及纖芯直徑為105 μm，包層直徑為125 μm 的階躍多模光纖，通過焊接制備結構，控制MMF 長度為1.5 mm，并利用光纖電弧焊接預放電對光纖端面進行加熱整形清潔，保證光纖結構端面平整且無雜質。

圖7 光纖探頭結構顯微鏡照片Figure 7 Microscope images of optical fiber probe structure

利用物理氣相沉積技術中的磁控濺射技術[28]，使通入的氣體在電場作用下發(fā)生輝光放電并電離。所產生的粒子在真空中不斷轟擊靶材，使得靶材原子濺出，脫離靶材后沉積在基片上，從而在多模光纖端面完成GST 薄膜的制備。

采用JGP-450B 型磁控濺射系統(tǒng)的射頻濺射方法使腔室內氣壓低于9×10-4Pa，通入氬氣并控制腔內氬氣氣壓維持在3 Pa，電壓調為200 V。在電壓作用下，氬氣電離出的氬離子不斷轟擊GST 靶材，出現起輝現象，持續(xù)時間為2 min。在多模光纖端面鍍制一層GST 薄膜，所有沉積均在室溫下進行，并鍍制ITO（射頻濺射方法，腔內氬氣氣壓0.5 Pa，電壓200 V，鍍膜時間2 min）保護GST 防止其氧化，鍍膜后結構如圖7(b) 所示。

相變材料膜層制備結束后，以石英玻璃片作為襯底，用ZYGO-7200 三維形態(tài)分析儀對GST 薄膜的微觀結構進行表征，薄膜的三維形貌分析如圖8 所示。圖8(b) 為薄膜的厚度表征圖，可見所鍍制薄膜厚度約為98 nm。

圖8 GST 薄膜三維形貌分析圖Figure 8 3D morphology analysis of GST film

2.2 實驗裝置

圖9 為測量光存儲器特性的實驗裝置示意圖。波長為1 530 nm 的連續(xù)激光源（Connect,VLSP-C-B-TL-20-FA）作為探測光，波長為1 550 nm 的脈沖激光源作為泵浦光源（Connect,VFLS-1550-M-DTS-1-FA）實現對GST 的全光調制。探測光經過衰減器（防止光功率過高改變GST 相態(tài)，對實驗結果造成干擾）衰減至0.2 mW，經過衰減后的探測光與泵浦光耦合后通過環(huán)形器作用在光纖端面上，反射光通過環(huán)形器返回輸出，利用濾波器將脈沖光濾除，防止脈沖光功率過高損壞后續(xù)探測設備；利用光電探測器（New focus,2117-FS,10 MHz）將反射光強轉換為電信號，在后端連接數據采集卡（National Instruments Corporation (UK) Ltd.USB-6009），對數據進行實時監(jiān)測，并進行后續(xù)探測光信號的處理與分析。

圖9 光存儲實驗裝置圖Figure 9 Diagram of optical storage experimental setup

3 結果與分析

3.1 全光存儲器的光學特性

首先驗證存儲器的重復性并計算存儲器的光學對比度。良好的重復性是存儲器能否長期穩(wěn)定工作的關鍵，本文定義存儲器的兩個狀態(tài)是“0”和“1”，分別對應著光纖存儲單元的低反射率和高反射率。通過改變泵浦激光的功率來改變該光纖存儲器的狀態(tài)，定義GST 從非晶態(tài)轉換為晶態(tài)這一過程為存儲器的“寫入”數據過程，GST 從晶態(tài)轉換為非晶態(tài)的過程則為“擦除”數據過程。設置“寫入”脈沖參數為：光功率55 mW，脈寬10 ns，頻率1 kHz，個數100；“擦除”脈沖參數為：光功率65 mW，脈寬10 ns，頻率1 kHz，個數100。驗證重復性即一直重復上述“寫入”與“擦除”過程，本文重復了34 次，重復性驗證結果如圖10 所示，縱坐標為相對反射率變化R′=×100%，其中ΔR為反射率變化，即每一存儲等級下GST 的反射率與GST 處于非晶態(tài)時的反射率之差。

圖10 光存儲器重復性測試Figure 10 Test of optical memory repeatability

由于數據的大規(guī)模增長，實現更高密度的光存儲成為目前新一代光存儲技術研究的主要內容。多級光存儲在高密度光存儲領域具有代表性[29-30]，相變材料也由于具有多個可區(qū)分的中間態(tài)被廣泛應用于多級光存儲[31-32]。在本文中，對比度越高代表GST 具有越多中間態(tài)，可實現的光存儲的級次就越多，可見對比度也是光存儲器的重要指標，對比度C的公式為

式中：R為反射率，Rmax為GST 處于晶態(tài)時的反射率，Rmin為GST 處于非晶態(tài)時的反射率。光存儲對比度約為50%，該存儲器不僅具有較高的對比度，還具有良好的可逆性、穩(wěn)定性與重復性。根據實驗結果可以看出，數據“1”的穩(wěn)定性要高于數據“0”，這是由于晶態(tài)GST的穩(wěn)定性更好。

3.2 非易失性多級存儲性能測試

為了實現非易失性多級存儲，改變脈沖光的功率實現對GST 的多級切換，脈沖光功率從65 mW（P0）變化至55 mW（P10），功率變化的步長為1 mW，每個脈沖光功率對應不同存儲等級Li（i=0,1,2,···,10），其中最高存儲等級L10為完全晶態(tài)，最低存儲等級L0為完全非晶態(tài)，其他存儲等級對應于部分晶態(tài)，最終實現11 級的重復可逆切換，如圖11(a) 所示，不同的存儲等級具有不同的相對反射率。

圖11 非易失性多級存儲性能Figure 11 Performance of non-volatile multi-level storage

GST 的完全非晶態(tài)反射率定義為基線（0 級），將功率從P0依次降低至P10，可實現從0級依次升序至10 級，反之，即可實現10 級依次降低至0 級，通過晶化與非晶化步驟，每個級別均可從兩個方向達到，并且實驗結果具有良好的線性關系。

如圖11(b) 所示，每個級別也可以獨立地寫入和擦除，使用不同功率脈沖Pi，可以實現不同存儲等級的切換，并且每個級別不受前一狀態(tài)的影響，例如，依據P4的脈沖功率，可以采用非晶化步驟從6 級切換到4 級，同時也可以采用晶化步驟從0 級和2 級切換到4 級。實驗結果表明，任意一個級別都可以從所有其他等級中訪問，實現精準控制傳輸級別，并且每次達到同一級別，都具有幾乎相同的相對反射率，進一步驗證了存儲器具有良好的穩(wěn)定性。

4 結語

本文利用磁控濺射技術將GST 薄膜與單模-多模光纖探頭結構結合，通過產生的貝塞爾脈沖光調控GST 呈現不同相態(tài)，進而改變其反射率，實現11 級的全光纖非易失性存儲器，并證明了其精準訪問的能力，實現了存儲等級的隨機切換，且不受前一存儲狀態(tài)的影響。存儲器的光學對比度達到50%，具有較高的對比度；重復切換至少34 次，具有良好的可重復性。實驗結果表明，該存儲器賦予了光纖存儲的新功能，具有優(yōu)良的性能，為智能化光纖系統(tǒng)提供新的思路，對光存儲技術的發(fā)展具有重要意義。