基于线性阵列多芯光纤的二维集成式光纤在线存储器

摘要

本发明提供的是一种基于线性阵列多芯光纤的二维集成式光纤在线存储器。由单模光纤（7）连接一段阵列多芯侧抛光纤（2）构成，利用光学微加工技术在裸露的多个纤芯（3）表面形成金属梯度光栅结构（4）。本发明的原理是基于彩虹局域效应，即利用梯度光栅的色散效应将不同波长的等离激元谐振局域在不同的空间位置，不同波段的光将停在光纤侧抛平面不同的二维空间位置，可以实现可见光到红外波段的光信号在线二维存储。该器件体积小，结构简单，集成度高，易于实现全光纤集成，在光纤在线存储领域中具有重要应用。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光纤在线存储器，特别涉及一种基于线性阵列多芯光纤的二维集成 式光纤在线存储器，主要用于光存储及通信中的滤波器。

背景技术

表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)是由外部电磁场与金属表面自 由电子相互作用形成的一种相干共振，具有巨大的局部场增强效应。它能够克服衍射极限， 产生许多新颖的光学现象，如负折射、超高分辨率成像、透射增强等。这些复杂的现象有可 能预示着新原理、新理论、新技术。当改变金属表面结构时，表面等离子体激元的性质、色 散关系、激发模式、耦合效应等都将产生重大的变化。通过SPPs与光场之间相互作用，能够 实现对光传播的主动操控。利用表面等离子体激元开发的光子器件在小型化方面具有明显的 优势。SPPs为发展新型光子器件、宽带通讯系统、表面等离子体光子芯片、微小光子回路、 调制器和开关、数据存储、显微镜、新型光源、太阳能电池、新型光子传感器等提供了可能。 目前，基于SPPs的亚波长光学成为光学和光子学中发展最为迅速的研究方向之一。金属表面 等离子体的光学器件受到了越来越多的关注。

光纤表面等离子传感器（见美国专利No.5,647,030和No.5,327,225）亦有很多报道。利 用金属光栅实现耦合激发表面等离子激元也有报道，但均是用于单峰波长调制器件，是透射 或反射式器件，不具有存储功能。传统波导基底上利用金属微纳光栅结构的表面等离子产生 的彩虹捕获效应在可见光波段已得到了实验验证（Applied Physics Letters，2011，98,251103）， 该效应将在下一代光存储中具有重要意义。但目前的结构很难与现有光通信系统进行互联， 且多数是一维束缚，将彩虹局域效应应用到光纤器件中还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现可见光到红外波段的光信号在线二维存储的基于线 性阵列多芯光纤的二维集成式光纤在线存储器。

本发明的目的是这样实现的：

基于线性阵列多芯光纤的二维集成式光纤在线存储器由单模光纤7连接一段阵列多芯侧 抛光纤2构成，利用光学微加工技术在裸露的多个纤芯3表面形成金属梯度光栅结构4。

所述梯度金属光栅结构4是在侧抛光纤纤芯表面直接制作突起的梯度金属光栅结构；或 是埋入式金属光栅结构，即先利用光刻技术在侧抛光纤纤芯表面刻梯度光栅结构的微槽，然 后将金属沉积在微槽中。

所述梯度金属光栅结构是指金属光栅周期Λ和金属光栅单元5的栅宽t是定值，金属光 栅单元5的栅高h是梯度变化的。

金属材料为金、银、铝等。

金属光栅4周期Λ范围200-700纳米，金属光栅单元5的栅高h为5-1000纳米，金属光 栅单元5的栅宽t为10-300纳米。

阵列多芯光纤与单模光纤的耦合是在阵列多芯光纤梯度金属光栅高度h较小的一侧与单 模光纤通过熔融拉锥在来实现的。

阵列多芯侧抛光纤2的各个纤芯上的金属梯度光栅结构具有相同的梯度。

阵列多芯侧抛光纤2的各个纤芯上的金属梯度光栅结构的梯度不同。

所述的阵列多芯光纤各个纤芯间距d值较大，保证各个纤芯间无串扰；各个纤芯的尺寸 可以相同，也可以不同；各个纤芯的折射率可以相同，也可以不同。

本发明的的全光纤的基于彩虹局域效应的二维集成式光纤在线存储器的原理与传统光存 储器不同，它是基于彩虹局域效应，即利用梯度光栅将不同波长的等离激元谐振局域在不同 的空间位置，不同波段的光将停在不同的二维空间位置，可以实现可见光到红外波段的光信 号在线二维存储。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、该存储器体积小，结构简单，易于实现全光纤集成，与现有光纤技术进行互联，在光 纤在线存储领域中具有重要应用；

2、该存储器可以实现可见光到红外波段的光信号在线存储；

3、该存储器可以实现二维在线存储集成。

附图说明

图1（a）是梯度金属光栅突起结构的光纤二维在线存储器结构示意图；

图1（b）是金属光栅突起结构的光纤二维在线存储器侧抛图；

图1（c）是金属光栅单元示意图；

图1（d）是金属光栅突起结构的光纤二维在线存储器俯视图；

图1（e）是侧抛多芯光纤横截面；

图1（f）是单模光纤与多芯光纤的耦合示意图；

图2（a）是各个纤芯具有相同尺寸的阵列多芯光纤横截面；

图2（b）是各个纤芯尺寸周期变化的阵列多芯光纤横截面；

图2（c）是各个纤芯尺寸线形变化的阵列多芯光纤横截面；

图3（a）是各个纤芯上的金属梯度光栅结构具有不同梯度的俯视图；

图3（b）是纤芯4-1上的金属梯度光栅的侧抛图；

图3（c）是纤芯4-2上的金属梯度光栅的侧抛图；

图4是金属光栅埋入式二维在线存储器侧抛图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实施例1：

基于线性阵列多芯光纤的二维集成式光纤在线存储器结构如图1所示，由单模光纤7连 接一段阵列7芯光纤1构成，其中阵列7芯光纤1被加工成侧抛光纤2，即光纤包层5和纤 芯均被抛掉一半，裸露于外界的多个纤芯3利用光学微加工技术在表面形成突起的金属梯度 光栅结构4。7个纤芯3具有相同的折射率和相同的尺寸，纤芯直径4000纳米，7个纤芯表 面的梯度金属光栅均相同，其周期Λ和金属光栅单元5的栅宽t为定值，分别为340纳米和 110纳米。金属光栅单元5的栅高5-785纳米共40个周期，栅高梯度为20纳米。阵列多芯 光纤1与单模光纤7的耦合是在阵列多芯光纤梯度金属光栅高度h较小的一侧与单模光纤通 过熔融拉锥使各个纤芯功率相同。多波长光源从单模光纤一端注入，不同波长的光将被局域 在不同的空间位置，波长较短的光停在金属光栅高度h较小的一侧，波长λ₁和λ₂分别停在光 纤轴向不同位置，实现二维在线存储。

实施例2：

基于线性阵列多芯光纤的二维集成式光纤在线存储器结构如图1和4所示，由单模光纤 7连接一段阵列5芯光纤1构成，其中阵列5芯光纤1被加工成侧抛光纤2，即光纤包层5和 纤芯均被抛掉一半，裸露于外界的多个纤芯3利用光学微加工技术在表面形成埋入式金属梯 度光栅结构4。5个纤芯具有相同的折射率但不同的尺寸，纤芯直径从3000-4000纳米，5个 纤芯表面的梯度金属光栅均相同，其周期Λ和金属光栅单元5的栅宽t为定值，分别为340 纳米和110纳米。金属光栅单元5的栅高5-785纳米共40个周期，栅高梯度为20纳米。阵 列多芯光纤1与单模光纤7的耦合是在阵列多芯光纤梯度金属光栅高度h较小的一侧与单模 光纤通过熔融拉锥使各个纤芯功率相同。多波长光源从单模光纤一端注入，因各个纤芯尺寸 不同，其相应的有效折射率会有所不同，不同波长的光将被局域在不同的二维空间位置，波 长λ₁和λ₂分别停在光纤抛面的不同位置，实现真正的二维在线存储。

实施例3：

基于线性阵列多芯光纤的二维集成式光纤在线存储器结构如图1和3所示，由单模光纤 7连接一段阵列5芯光纤1构成，其中阵列5芯光纤1被加工成侧抛光纤2，即光纤包层5和 纤芯均被抛掉一半，裸露于外界的多个纤芯3利用光学微加工技术在表面形成埋入式金属梯 度光栅结构4。5个纤芯具有相同的折射率和相同的尺寸，纤芯直径为4000纳米，5个纤芯 表面的梯度金属光栅其周期Λ和金属光栅单元5的栅宽t为定值，分别为340纳米和110纳 米。但金属光栅栅高梯度各不相同。阵列多芯光纤1与单模光纤7的耦合是在阵列多芯光纤 梯度金属光栅高度h较小的一侧与单模光纤通过熔融拉锥使各个纤芯功率相同。多波长光源 从单模光纤一端注入，因各个纤芯表面光栅4-1，4-2，4-3，4-4，4-5栅高梯度不同，每个 纤芯金属光栅的色散也不同，不同波长的光将被局域在不同的二维空间位置，波长λ₁、λ₂、 λ₃和λ₄分别停在光纤抛面的不同位置，实现真正的二维在线存储。