CN105652378B - 光环行器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种光环行器。该光环行器包括：第一光纤、第二光纤和有源光学微腔，所述第一光纤和第二光纤分别位于所述有源光学微腔的两侧，且均与所述有源光学微腔耦合；当波长为所述光环行器的工作波长的探测光从所述第二光纤的第一端口输入时，从所述第一光纤上与该所述第一端口相邻的第二端口输出；当所述探测光从所述第一光纤的所述第二端口输入时，从所述第一光纤的第三端口输出。本方案基于单个有源光学微腔和两根光纤实现，利用有源光学微腔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，并通过光场的倏逝波与两根光纤耦合，实现光环行，制备简单，且容易集成。

Description

光环行器
技术领域
本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种光环行器。
背景技术
光环行器是一种多端口非互易光学器件，作用是将光按照顺序通过所有的中间端口。例如，当光从端口1输入时，从端口2输出，从端口2输入时，从端口3输出。光环行器在双向通信中具有重要作用，它可以完成正向和反向的光信号的分离，在光通信、光信息处理、光纤传感以及精密光学测量中具有重要的作用。
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、以及光计算等功能的微光学元件的需求越来越紧迫，光环行器就是其中必不可少的元件。
现有的光环行器都是基于光隔离器实现的，典型的如基于法拉第磁光效应的光环行器。
现有的光环行器存在的缺陷在于：不能很好的在微纳尺度上集成，而且需要在光隔离器的前后两面都集成上偏振片，制备较难，其应用价值大大受限。
发明内容
本发明实施例提供一种光环行器，以提高光环行器的集成度，降低制备难度。
本发明实施例提供了一种光环行器，包括：第一光纤、第二光纤和有源光学微腔，所述第一光纤和第二光纤分别位于所述有源光学微腔的两侧，且均与所述有源光学微腔耦合；
当波长为所述光环行器的工作波长的探测光从所述第二光纤的第一端口输入时，从所述第一光纤上与该所述第一端口相邻的第二端口输出；
当所述探测光从所述第一光纤的所述第二端口输入时，从所述第一光纤的第三端口输出。
进一步地，所述第一光纤与所述有源光学微腔的耦合强度大于所述有源光学微腔的线宽；
所述第二光纤与所述有源光学微腔的耦合强度小于所述有源光学微腔的线宽。
进一步地，所述有源光学微腔中掺杂Er3+离子，掺杂浓度为1018-1020cm-3。
进一步地，所述光环行器的指向性大于5dB，插入损耗低于10dB。
进一步地，所述有源光学微腔可包括：微环芯型光学微腔、微盘腔或微球腔。
进一步地，所述有源光学微腔的直径可以为20-90μm。
进一步地，所述第一光纤和所述第二光纤均可为单模光纤。
进一步地，所述第一光纤和所述第二光纤的直径均可为1-5μm。
进一步地，还可包括：温度控制系统，与所述有源光学微腔连接，用于调谐工作波长的调谐范围。
进一步地，所述温度控制系统可具体用于调谐工作波长的调谐范围至0.5nm。
本发明实施例提供的光环行器，基于单个有源光学微腔和两根光纤实现，利用有源光学微腔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，并通过光场的倏逝波与两根光纤耦合，实现光环行，容易集成；无需采用光隔离器，相应的更不需要在光隔离器的前后两面都集成上偏振片，因此制备简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明，下面将对本发明中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光环行器的结构示意图；
图2为本发明实例提供的光环行器实现光隔离对应的正反向透射谱；
图3上图为本发明实例提供的光环行器中探测光从第一端口进入，从第二端口测得的透射谱；下图为本发明实例提供的光环行器中探测光从第二端口进入，从第一端口测得的透射谱；
图4上图为本发明实例提供的光环行器中探测光从第一端口进入，从第三端口测得的透射谱；下图为本发明实例提供的光环行器中探测光从第二端口进入，从第三端口测得的透射谱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
请参阅图1，为本发明实施例提供的一种光环行器的结构示意图。该光环行器包括：第一光纤1、第二光纤2和有源光学微腔3，所述第一光纤1和第二光纤2分别位于所述有源光学微腔3的两侧，且均与所述有源光学微腔3耦合。
当波长为所述光环行器的工作波长的探测光从所述第二光纤2的第一端口输入时，从所述第一光纤1上与该所述第一端口相邻的第二端口输出；
当所述探测光从所述第一光纤1的所述第二端口输入时，从所述第一光纤1的第三端口输出。
有源光学微腔3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，并通过光场的倏逝波与两根光纤(即第一光纤1和第二光纤2)耦合。
本实施例的技术方案，基于单个有源光学微腔和两根光纤实现，利用有源光学微腔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，并通过光场的倏逝波与两根光纤耦合，实现光环行，容易集成；无需采用光隔离器，相应的更不需要在光隔离器的前后两面都集成上偏振片，因此制备简单。
在上述方案中，所述第一光纤1与所述有源光学微腔3的耦合强度大于所述有源光学微腔3的线宽；
所述第二光纤2与所述有源光学微腔3的耦合强度小于所述有源光学微腔3的线宽。
需要说明的是，所述有源光学微腔3中所掺杂的离子决定了所述光环行器的工作波长。可以根据实际需要，在所述有源光学微腔3中掺杂合适的离子。
在上述方案中，所述有源光学微腔3中掺杂Er3+离子，掺杂浓度可为1018-1020cm-3，泵浦后能提供增益。相应的，所述光环行器的工作波长为1550.3nm。
进一步地，所述光环行器的指向性大于5dB，插入损耗低于10dB。
在上述方案中，所述有源光学微腔3可包括：微环芯型光学微腔、微盘腔或微球腔。
其中，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。
进一步地，所述有源光学微腔3的直径可以为20-90μm。
进一步地，所述第一光纤1和所述第二光纤2均可为单模光纤。
进一步地，所述第一光纤1和所述第二光纤2的直径均可为1-5μm。
使用时，泵浦光和探测光需同时进入有源光学微腔3。探测光的频率与有源光学微腔3在泵浦光增益范围内的模式的谐振频率相等。光环行器的工作波长即为探测光波长。两根光纤与腔的间距对应于各自的耦合强度，且都是可调的，并影响隔离度与指向性；探测光与泵浦光的功率均可调且影响隔离度及指向性。
在上述方案中，还可包括：温度控制系统，与所述有源光学微腔连接，用于调谐工作波长的调谐范围。
进一步地，所述温度控制系统具体可用于调谐工作波长的调谐范围至0.5nm。
实例
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、搭建光路，使探测光和泵浦光经过波分复用器(Wavelength DivisionMultiplexing，WDM)合成一束进入第一光纤1的第二端口，从第一光纤1的第三端口出来接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、由掺Er3+离子的氧化硅溶胶凝胶薄膜制得高品质因子、高增益的有源光学微腔，泵浦光波长1469.3nm，泵浦模式品质因子为1.7×106，在1550nm附近有增益,信号光波长1550.3nm，信号模式品质因子为7.7×105；
4、将有源光学微腔3放置到纳米位移台上，并置于温度控制系统中，找到合适的光纤位置，调节位移台使有源光学微腔3与第一光纤1耦合，调节耦合强度使探测光和泵浦光都得到合适的谐振谱线；
5、同样的方法拉制第二光纤2，并置于位移台上，通过调节位移台使第二光纤2与有源光学微腔3耦合，将从第二光纤2的第一端口出来的光用WDM分开，接探测器和示波器，监测透射谱的变化；
6、泵浦光从第一光纤1的第二端口进入，并将泵浦光锁定在谐振波长处；
7、探测光先进入第一光纤1的第二端口，在第二光纤2的第一端口接探测器，通过示波器监测透射谱线。归一化后透射谱线如图2上图所示；
8、探测光再进入第二光纤2的第一端口，在第一光纤1的第二端口接探测器，通过示波器监测透射谱线。调节光路衰减保证步骤7和8进入有源光学微腔3前的探测光功率相等。测到的透射谱线归一化后如图2下图所示。可见步骤7和8测到的谱线峰值有明显差异，表示隔离度高，隔离度为20dB，并且插入损耗最低只有1.25dB。
9、在取得较高隔离度的情况下，进一步调节第一光纤1和第二光纤2与有源光学微腔3之间的耦合，可以实现光环行器。此时，同时观察第一端口、第二端口和第三端口的透射谱，可以发现探测光从第一端口进入时，主要从第二端口出来，如图3所示，探测光从第二端口进入时，主要从第三端口出来，如图4所示，实现了光环行，指向性达到了8dB。
10、调节第一光纤1、第二光纤2与有源光学微腔3的耦合，改变探测光和泵浦光的功率，指向性发生变化，说明本发明的光环行器可调参数多、范围大。当探测光功率从几纳瓦到几十微瓦，也测到明显光环行，说明灵敏度高。
11、通过温度控制系统调节光环行器的环境温度，可实现对工作波长的调节。
发明原理：请参阅图1，第一光纤1与有源光学微腔3耦合，有源光学微腔3与第二光纤2耦合，形成光纤-腔-光纤的耦合结构。泵浦光从第一光纤1的一端通入，同一束调谐的探测光先沿正向从第二光纤2的第一端口进入，探测第一光纤的第二端口处透射探测光强度，后沿反向从第二端口进入，探测第一端口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为隔离度。当探测光从第一端口进入时，主要从第二端口出来，此时第二端口与第三端口透射率的比值为正向指向性，探测光从第二端口进入时，主要从第三端口出来，此时第三端口与第一端口的透射率的比值为反向指向性。调节有源光学微腔3、第一光纤1和第二光纤2之间的耦合强度与探测光、泵浦光的强度，隔离度和指向性也随之改变。
本实例提供的基于单个有源光学微腔耦合系统的片上可调谐光环行器具有隔离度高、指向性好、插入损耗低、灵敏度高、可调范围广、制备简单和易集成的特性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；实施例中优选的实施方式，并非对其进行限制，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光环行器，其特征在于，包括：第一光纤、第二光纤和有源光学微腔，所述第一光纤和第二光纤分别位于所述有源光学微腔的两侧，且均与所述有源光学微腔耦合；
当波长为所述光环行器的工作波长的探测光从所述第二光纤的第一端口输入时，从所述第一光纤上与该所述第一端口相邻的第二端口输出；
当所述探测光从所述第一光纤的所述第二端口输入时，从所述第一光纤的第三端口输出；
所述第一光纤与所述有源光学微腔的耦合强度大于所述有源光学微腔的线宽；
所述第二光纤与所述有源光学微腔的耦合强度小于所述有源光学微腔的线宽。
2.根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于，所述有源光学微腔中掺杂Er3+离子，掺杂浓度为1018-1020cm-3。
3.根据权利要求2所述的光环行器，其特征在于，所述光环行器的指向性大于5dB，插入损耗低于10dB。
4.根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于，所述有源光学微腔包括：微环芯型光学微腔、微盘腔或微球腔。
5.根据权利要求4所述的光环行器，其特征在于，所述有源光学微腔的直径为20-90μm。
6.根据权利要求4所述的光环行器，其特征在于，所述第一光纤和所述第二光纤均为单模光纤。
7.根据权利要求6所述的光环行器，其特征在于，所述第一光纤和所述第二光纤的直径均为1-5μm。
8.根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于，还包括：温度控制系统，与所述有源光学微腔连接，用于调谐工作波长的调谐范围。
9.根据权利要求8所述的光环行器，其特征在于，所述温度控制系统具体用于调谐工作波长的调谐范围为0-0.5nm。
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