CN104133270B - 基于有源-无源光学微腔耦合系统的片上可调谐光隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有源‑无源光学微腔耦合系统的片上可调谐光隔离器，包括有源光学微腔（1）、无源光学微腔（2）、第一光纤（3）和第二光纤（4），第一光纤（3）和有源光学微腔（1）耦合，有源光学微腔（1）和无源光学微腔（2）耦合，第二光纤（4）与无源光学微腔（2）耦合。本发明的光隔离器具有灵敏度高、可调范围广、制备简单和易集成的特性。

Description

基于有源-无源光学微腔耦合系统的片上可调谐光隔离器

技术领域

本发明属于微光学元件领域，具体涉及一种芯片上的微环芯型光学微腔式可调谐光隔离器。

背景技术

光隔离器，类似于电二极管，是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的器件，作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响。光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要的作用。随着光子芯片的快速发展，光子学向着集成化方向发展，对能够实现片上光通信、光存储、光开关、光计算等功能的微光学元件的需求越来越紧迫，光隔离器就是其中必不可少的元件。

传统的大型隔离器不能在微纳尺度上集成，曾经有基于法拉第效应的一维磁光光子晶体光隔离器，然而需要在隔离器的前后两面都集成上偏振片，应用价值大大受限。之前在波导中也观测到了单向光反射，即一端光的反射被衰减，而另一端反射被放大。也在有Kerr非线性的系统中发现光传播的单向性。但这些光隔离需要较高的探测光功率，隔离度也不容易调节，制备较难。

随着光学微腔的快速发展，微加工工艺的不断进步，光学微腔在制作微光学元件方面有着尺寸小、制备简单、易于集成和可调节的优势。本发明的基于有源-无源光学微腔耦合系统的片上可调谐光隔离器有着易于集成、灵敏度高、可调参数范围大、隔离方向可切换等独特的优势。

因此，需要一种新的光隔离器以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对传统光隔离器难集成、难控制、灵敏度低的缺点，提供一种基于有源-无源光学微腔耦合系统的片上可调谐光隔离器。

为实现上述发明目的，本发明基于有源-无源光学微腔耦合系统的片上可调谐光隔离器可采用如下技术方案：

一种基于有源-无源光学微腔耦合系统的片上可调谐光隔离器，包括有源光学微腔、无源光学微腔、第一光纤和第二光纤，所述第一光纤和所述有源光学微腔耦合，所述有源光学微腔和所述无源光学微腔耦合，所述第二光纤与所述无源光学微腔耦合。

更进一步的，所述第一光纤和第二光纤均为单模光纤。单模光纤的纤芯要比多模细很多。光在单模光纤传播过程中，能量集中在纤芯中间，传播至拉细的部分时，能量不会有太多的损耗。

更进一步的，所述第一光纤和第二光纤的直径均为1-5μm。

更进一步的，所述有源光学微腔和无源光学微腔的直径均为55μm -60μm。对于本发明的隔离系统，关键是要看有源光学微腔和无源光学微腔是否存在某个相同的谐振波长。

更进一步的，所述有源光学微腔和无源光学微腔均为微环芯型光学微腔。微环芯型光学微腔是一种回音壁光学微腔，它是由普通的微盘经过激光回流制得。微盘的边缘在回流过程中卷缩，形成微环芯光学微腔。微环芯的表面光滑，因而它的品质因子较之于微盘要高出很多。其中，D. K. Armani, T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, K. J. Vahala发表在“Nature, vol. 421, pp. 925-928, 2003”（翻译：2003年自然杂志，421卷，925-928页）的文章“Ultra-High-Q Toroid Microcavity on A Chip”（翻译：具有超高Q值的微环芯型光学微腔）公开了微环芯型光学微腔的结构和具体制备方法。

更进一步的，所述有源光学微腔中掺杂Er⁺³离子。泵浦后能提供增益，无源光学微腔提供损耗。

有益效果：本发明的基于有源-无源光学微腔耦合系统的片上可调谐光隔离器具有灵敏度高、可调范围广、制备简单和易集成的特性。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是本发明的光隔离器实现光隔离对应的正反向透射谱。

图3是本发明的光隔离器的隔离度随光纤二和无源腔的耦合强度变化关系图。

图中：1、有源光学微腔，2、无源光学微腔，3、第一光纤，4、第二光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1、图2和图3所示，本发明的基于有源-无源光学微腔耦合系统的片上可调谐光隔离器,包括有源光学微腔1、无源光学微腔2、第一光纤3和第二光纤4，第一光纤3和有源光学微腔1耦合，有源光学微腔1和无源光学微腔2耦合，第二光纤4与无源光学微腔2耦合。其中，优选的，第一光纤3和第二光纤4均为单模光纤，直径均为1-5μm。光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔，它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应，将光限制在一个很小的区域。光学微腔分为有源光学微腔和无源光学微腔。

有源光学微腔1和无源光学微腔2均为微环芯型光学微腔，直径均为55μm-60μm。有源光学微腔1中掺杂Er⁺³离子。泵浦后能提供增益，无源光学微腔提供损耗。微环芯型光学微腔是一种回音壁光学微腔，它是由普通的微盘经过激光回流制得。微盘的边缘在回流过程中卷缩，形成微环芯光学微腔。微环芯的表面光滑，因而它的品质因子较之于微盘要高出很多。其中，D. K. Armani, T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, K. J. Vahala发表在“Nature, vol. 421, pp. 925-928, 2003”（翻译：2003年自然杂志，421卷，925-928页）的文章“Ultra-High-Q Toroid Microcavity on A Chip”（翻译：具有超高Q值的微环芯型光学微腔）公开了微环芯型光学微腔的结构和具体制备方法。

作为光隔离器使用时，泵浦光和探测光需同时进入有源光学微腔1。探测光的频率与有源光学微腔1和无源光学微腔2的谐振频率均相等。光纤与腔、腔与腔之间的间距都是可调的且影响隔离度；测光与泵浦光的功率均可调且影响隔离度。

实施例：

本发明的基于有源-无源光学微腔耦合系统的片上可调谐光隔离器实现可控光隔离的过程如下：

1）、用高温拉伸法拉制直径1-5μm的单模光纤，并将光纤水平悬空固定在位移台上；

2）、搭建合适的光路，使探测光和泵浦光经过波分复用器(WDM)合成一束进入port1，从port 2出来接WDM将探测光和泵浦光分开分别接探测器和示波器，以监测透射谱的变化；

3）、制备和挑选合适的有源与无源微腔，并对基底形状进行加工，便于微腔靠近耦合。它们在1553.0nm附近有波长差小于0.2nm的模式，品质因子腔1为5.75×105，腔2为5.33×10⁶，有源腔由掺Er⁺³离子的氧化硅溶胶凝胶薄膜制得，泵浦波长1478.7nm，品质因子为2.24×10⁶，在1553.0nm附近有增益；

4）、将有源光学微腔1放在热电制冷器（TEC）上再放到纳米位移台上，找到合适的光纤位置，调节位移台使有源光学微腔1与第一光纤3耦合，调节耦合强度和偏振使探测光和泵浦光都得到合适的谐振谱线。

5）、将无源光学微腔2放在TEC上再放到纳米位移台上，调节位移台使无源光学微腔2与有源光学微腔1耦合，调节温度使两个微腔的谐振波长近似相等约1553.0nm，探测光透射谱线上出现两个劈裂的谷，参阅图2所示；

6）、增加泵浦光功率，提高增益，透射谱线上劈裂的谷变为劈裂的峰，在此过程中因为热光效应腔1谐振频率会有漂移，需同时调节腔2的温度以保证两个峰的高度相等，即两个腔谐振频率一致。

7）、用高温拉伸法拉制直径1-5μm的单模光纤4并将光纤水平悬空固定在位移台上与腔2耦合。

8）、探测光先经过衰减器a进入port 1，在port 4接探测器，通过示波器监测透射谱线。归一化后透射谱线如图2左图所示。

9）、探测光再经过衰减器b进入port 4，在port 1接探测器，通过示波器监测透射谱线。调节衰减器a和b保证步骤8）和9）进入微腔前的探测光功率相等。测到的透射谱线归一化后如图2右图所示。可见步骤8）和9）测到的谱线峰值有明显差异，表示有隔离，隔离度为7.8dB。

10）、改变第一光纤3和有源光学微腔1、有源光学微腔1和无源光学微腔2、无源光学微腔2和第二光纤4之间的耦合，改变探测光和泵浦光的功率，隔离度发生变化，说明本发明的隔离器可调参数多、范围大。当探测光功率从几纳瓦到几十微瓦，也测到明显隔离，说明灵敏度高。只改变2和4之间的耦合时，隔离的方向可以发生改变，如图3所示，说明我们的隔离器隔离方向可切换。

发明原理：请参阅图1和图3所示，第一光纤3与有源光学微腔1耦合，有源光学微腔1再与无源光学微腔2耦合，第二光纤4与无源光学微腔2耦合，形成光纤-腔-腔-光纤的耦合结构。泵浦光从第一光纤3的一端通入，同一束调谐的探测光先沿正向从port 1进入，探测port 4处透射探测光强度，后沿反向从port 4进入，探测port 1处的透射探测光强度，正向与反向探测光最大透射率的比值称为隔离度。调节有源光学微腔1、无源光学微腔2、第一光纤3和第二光纤4之间的耦合强度与探测光、泵浦光的强度，隔离度也随之改变。

本发明的基于有源-无源光学微腔耦合系统的片上可调谐光隔离器具有灵敏度高、可调范围广、制备简单和易集成的特性。

Claims (1)

1.一种基于有源-无源光学微腔耦合系统的片上可调谐光隔离器，其特征在于：包括有源光学微腔(1)、无源光学微腔(2)、第一光纤(3)和第二光纤(4)，所述第一光纤(3)和所述有源光学微腔(1)耦合，所述有源光学微腔(1)和所述无源光学微腔(2)耦合，所述第二光纤(4)与所述无源光学微腔(2)耦合，所述第一光纤(3)的两端为port1和port2，所述第二光纤(4)的两端为port3和port4；

其中所述有源光学微腔(1)和无源光学微腔(2)的直径均55μm-60μm；所述有源光学微腔(1)和无源光学微腔(2)均为微环芯型光学微腔；有源光学微腔(1)中掺杂Er⁺³离子；泵浦后能提供增益；无源光学微腔提供损耗；微环芯型光学微腔是一种回音壁光学微腔，它是由普通的微盘经过激光回流制得；微盘的边缘在回流过程中卷缩，形成微环芯光学微腔；

该片上可调谐光隔离器的制备方法包括：

1)、用高温拉伸法拉制直径1-5μm的第一光纤(3)，并将第一光纤(3)水平悬空固定在位移台上，第一光纤(3)为单模光纤；

2)、搭建合适的光路，使探测光和泵浦光经过波分复用器合成一束进入第一光纤(3)的port 1，从port 2出来接波分复用器将探测光和泵浦光分开分别接探测器和示波器，以监测透射谱的变化；

3)、制备和挑选有源光学微腔(1)和无源光学微腔(2)，并对基底形状进行加工，便于微腔靠近耦合；所述有源光学微腔(1)由掺Er⁺³离子的氧化硅溶胶凝胶薄膜制得；

4)、将有源光学微腔(1)放在热电制冷器上再放到纳米位移台上，找到合适的光纤位置，调节位移台使有源光学微腔(1)与第一光纤(3)耦合，调节耦合强度和偏振使探测光和泵浦光都得到合适的谐振谱线；

5)、将无源光学微腔(2)放在热电制冷器上再放到纳米位移台上，调节位移台使无源光学微腔(2)与有源光学微腔(1)耦合，调节温度使两个微腔的谐振波长近似相等，探测光透射谱线上出现两个劈裂的谷；

6)、增加泵浦光功率，提高增益，透射谱线上劈裂的谷变为劈裂的峰，在此过程中因为热光效应有源光学微腔(1)谐振频率会有漂移，需同时调节无源光学微腔(2)的温度以保证两个峰的高度相等，即两个腔谐振频率一致；

7)、用高温拉伸法拉制直径1-5μm的第二光纤(4)，并第二光纤(4)水平悬空固定在位移台上与无源光学微腔(2)耦合，第二光纤(4)为单模光纤。