CN106338797B - 一种光隔离器光路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光隔离器技术领域，尤其涉及一种光隔离器光路系统，本发明利用光参量放大的相位匹配条件来实现光的非互易性传输，即利用正向传输信号光满足相位匹配条件，而反向传输的信号光无法满足相位匹配。由于二氧化硅的反演对称性，使得微腔中光参量放大是由四波混频通过三阶非线性效应来实现的，在这一过程中，两个简并的泵浦光子分裂为一个信号光子和一个闲频光子，该过程必须满足能量守恒和动量守恒。正是由于上述的动量守恒也就是我们常说的相位匹配条件，才实现了光的互易性传输，而当正向传输的信号光满足相位匹配条件时，向相反方向传输的光的波矢相反，根本无法满足动量守恒，正是基于该效应，本发明实现了光隔离。

Description

一种光隔离器光路系统
技术领域
本发明涉及光隔离器技术领域，尤其涉及一种光隔离器光路系统。
背景技术
光隔离器是一种允许光向一个方向传输而阻止其向相反方向传输(非互易性)的一种光学器件。其在光通信与精密光学测量系统中有着极其重要的作用，例如：光隔离器可以减小光通信系统中多路信道之间的相互干扰；防止反射光损坏激光器的灵敏部件；影响光路系统的稳定性。
光隔离是通过打破光路系统的时间反演对称来实现的。传统的光隔离是通过磁光晶体的法拉第效应来实现的，但是大部分材料中的磁光效应是很弱的，需要较大的尺寸和较强的磁场，不利于集成到芯片或者微纳结构中，在光子芯片、量子通信与计算机的发展趋势下，这类光隔离的应用大大受限。
回音壁模式光学微腔是一种重要的微纳光子器件，在低阈值激光器、腔光力学和生物传感等方面有着广泛的应用。特别地，在集成光学领域，由于中红外光学和非线性光学存在巨大的潜在应用价值，因此为了在芯片或者更小尺寸的结构上利用磁光材料实现光隔离，人们提出将磁光材料集成到微腔中的方法，包括沉积、晶片键合、粘合等。不可否认,随着微纳米加工技术的引入，确实可以用此方法制备出微纳光隔离器，但是这种方法仍旧采用的是磁光效应，其无法避免外磁场与其附近光场的相互作用，对于精密光学测量系统，这是需要避免的。为了克服磁光效应的限制，就需要选择其它物理原理来实现光的非互易性传输。有报道利用PT对称的波导、拉曼放大、受激布里渊散射和kerr效应等非线性特性来实现光的非互易性传输。但是利用上述非线性效应实现的非互易性都只是在当光单方向正向传输或者反向传输时证实，无法证实当光同时正向或者反向传输时的光的非互易性，短板较为明显，其商用价值一般。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用光参量放大原理来实现的光隔离器光路系统，解决了现有技术中当光同时向相反方向传输时无法实现光隔离这一实际问题，同时也避免了传统磁光效应对于光路的限制。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种光隔离器光路系统，包括信号光传输和泵浦光传输，其中信号光经第一衰减器后与第一耦合器的输入口连接，信号光一部分由第一耦合器的一个输出口输出与第一功率计连接，信号光另一部分由第一耦合器的另一个输出口输出后经第二耦合器分成正向信号光和反向信号光，其中：
正向信号光由第二耦合器的一个输出口输出后经第三衰减器和第三偏振控制器后与第四耦合器的一个输入口连接，所述第四耦合器的输出口与第二光环行器的第一端口连接，正向光信号由所述第二光环行器的第二端口进入光路耦合系统的第一端口，正向光信号一部分由所述光路耦合系统的第三端口耦合输出，另一部分由所述光路耦合系统的第二端口平行输出；其中，由光路耦合系统的第三端口耦合输出的该部分正向光信号由第一光环行器的第二端口输入，然后由所述第一光环行器的第三端口输出与第五耦合器的输入端口连接，所述第五耦合器的一个输出端口与光谱仪连接，另一个输出端口与第六耦合器的输入端口连接，所述第六耦合器的一个输出端口经第一滤波器后与第一光电探测器相连，所述第六耦合器的另一个输出端口与第二光电探测器连接；由光路耦合系统的第二端口输出的该部分正向光信号经光开关后与第七耦合器的输入端口连接，所述第七耦合器的一个输出端口经第三滤波器后与第四光电探测器连接；
反向信号光由所述第二耦合器的另一个输出口输出后经第四衰减器和第二偏振控制器后与所述第一光环行器的第一端口连接，然后反向光信号由第一光环行器的第二端口进入光路耦合系统的第三端口，反向信号光一部分由光路耦合系统的第一端口耦合输出，另一部分由光路耦合系统的第四端口平行输出；其中，由光路耦合系统的第一端口耦合输出的该部分反向信号光由所述第二光环行器的第二端口输入，然后由所述第二光环行器的第三端口输出，所述第二光环形器的第三端口经第二滤波器后与第三光电探测器连接；由光路耦合系统的第四端口平行输出的该部分反向信号光与第六光电探测器连接；
泵浦光经第二衰减器和第一偏振控制器后与第三耦合器的输入端口连接，第三耦合器的一个输出端口与第二功率计连接，另一个输出端口与所述第四耦合器的另一个输入端口连接，泵浦光经所述第四耦合器后与正向信号光以相同的路径进入光路耦合系统的第一端口，泵浦光由光路耦合系统的第二端口输出，然后经过所述光开关后与所述第七耦合器的输入端口连接，然后经所述第七耦合器的另一个输出端口与第五探测器连接；
所述第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器和第六光电探测器均与示波器连接。
作为优选，所述光路耦合系统包括光学微腔和两根与所述光学微腔耦合的光纤锥。
作为优选，所述光学微腔为二氧化硅微环芯腔。
本发明的有益效果：
本发明所搭建的光隔离器光路系统是利用光参量放大的相位匹配条件来实现光的非互易性传输，即利用正向传输信号光满足相位匹配条件，而反向传输的信号光无法满足相位匹配。由于二氧化硅的反演对称性，使得微腔中光参量放大是由四波混频通过三阶非线性效应来实现的，在这一过程中，两个简并的泵浦光子分裂为一个信号光子和一个闲频光子，该过程必须满足能量守恒和动量守恒。正是由于上述的动量守恒也就是我们常说的相位匹配条件，才实现了光的互易性传输，而当正向传输的信号光满足相位匹配条件时，向相反方向传输的光的波矢相反，根本无法满足动量守恒，正是基于该效应，本发明实现了光隔离。
附图说明
图1是本发明所述的光隔离器光路系统的结构示意图；
图2是本发明所述的光路耦合系统的结构示意图；
图3是本发明所述的由四波混频引起的参量放大光谱图；
图4是本发明所述的在泵浦功率关闭的情况下正反向信号光的透射谱；
图5是本发明所述的在泵浦功率打开的情况下正反向信号光的透射谱。
图中：
1-信号光源；2-第一衰减器；3-第一耦合器；4-第一功率计；5-第二耦合器；6-第三衰减器；7-第三偏振控制器；8-第四耦合器；9-第二光环行器；10-光路耦合系统；11-第一光环行器；12-第五耦合器；13-光谱仪；14-第六耦合器；15-第一滤波器；16-第一光电探测器；17-第二光电探测器；18第七耦合器；19-第三滤波器；20-第四光电探测器；21-第四衰减器；22-第二偏振控制器；23-第二滤波器；24-第三光电探测器；25-第六光电探测器；26-泵浦光源；27-第二衰减器；28-第一偏振控制器；29-第三耦合器；30-第二功率计；31-第五光电探测器；32-示波器；
101-光学微腔；102光纤锥。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明提供一种光隔离器光路系统，包括信号光传输和泵浦光传输，其中信号光由信号光源1发出后再经第一衰减器2后与第一耦合器3的输入口连接，信号光一部分由第一耦合器3的一个输出口输出与第一功率计4连接，信号光另一部分由第一耦合器3的另一个输出口输出后经第二耦合器5分成正向信号光和反向信号光，其中：
正向信号光由第二耦合器5的一个输出口输出后经第三衰减器6和第三偏振控制器7后与第四耦合器8的一个输入口连接，所述第四耦合器8的输出口与第二光环行器9的第一端口连接，正向光信号由所述第二光环行器9的第二端口进入光路耦合系统10的第一端口，正向光信号一部分由所述光路耦合系统10的第三端口耦合输出，另一部分由所述光路耦合系统10的第二端口平行输出；其中，由光路耦合系统10的第三端口耦合输出的该部分正向光信号由第一光环行器11的第二端口输入，然后由所述第一光环行器11的第三端口输出与第五耦合器12的输入端口连接，所述第五耦合器12的一个输出端口与光谱仪13连接，另一个输出端口与第六耦合器14的输入端口连接，所述第六耦合器14的一个输出端口经第一滤波器15后与第一光电探测器16相连，所述第六耦合器14的另一个输出端口与第二光电探测器17连接；由光路耦合系统10的第二端口输出的该部分正向光信号经光开关后与第七耦合器18的输入端口连接，所述第七耦合器18的一个输出端口经第三滤波器19后与第四光电探测器20连接；
反向信号光由所述第二耦合器5的另一个输出口输出后经第四衰减器21和第二偏振控制器22后与所述第一光环行器11的第一端口连接，然后反向光信号由第一光环行器11的第二端口进入光路耦合系统10的第三端口，反向信号光一部分由光路耦合系统10的第一端口耦合输出，另一部分由光路耦合系统10的第四端口平行输出；其中，由光路耦合系统10的第一端口耦合输出的该部分反向信号光由所述第二光环行器9的第二端口输入，然后由所述第二光环行器9的第三端口输出，所述第二光环形器9的第三端口经第二滤波器23后与第三光电探测器24连接；由光路耦合系统10的第四端口平行输出的该部分反向信号光与第六光电探测器25连接；
泵浦光由泵浦光源26发出后经第二衰减器27和第一偏振控制器28后与第三耦合器29的输入端口连接，第三耦合器29的一个输出端口与第二功率计30连接，另一个输出端口与所述第四耦合器8的另一个输入端口连接，泵浦光经所述第四耦合器8后与正向信号光以相同的路径进入光路耦合系统10的第一端口，泵浦光由光路耦合系统10的第二端口输出，然后经过所述光开关后与所述第七耦合器18的输入端口连接，然后经所述第七耦合器18的另一个输出端口与第五探测器31连接；
第一光电探测器16、第二光电探测器17、第三光电探测器24、第四光电探测器20、第五光电探测器31和第六光电探测器25均与示波器31连接。
如图2所示，上述光路耦合系统10包括光学微腔101和平行设置在光学微腔101两侧的光纤锥102，其中，光学微腔101为二氧化硅微环芯腔。本实施例采用双光纤耦合测试光的非互易性传输，这是由于相比于单光纤耦合，双光纤耦合可操控性更强并且更容易表现出非互易性。
如图3所示的是信号光模式和泵浦光模式是由于微腔的谐振条件而被选择出来。与本发明实验例所用的微腔的自由光谱图(FSR)相切合。闲频光产生在泵浦光的另外一侧，并且与泵浦光之间的间隔也为一个自由光谱区，这使得其便于在端口二处从信号光和泵浦光中通过滤波器而分离出来。
在测量该系统的光隔离效果时，我们先测量证实在泵浦光源26关闭的情况下，正反向信号光的互易性传输。正如我们所预测的，图4证实了无论正反向信号光同时传输或者分开传输，都表现出光的互易性传输。图4的透过率谱中单峰也证实了腔中的背向散射可以忽略(假使背向散射较大，便会出现模式劈裂)。然后打开泵浦光源26，通过调节泵浦光波长来锁进光学微腔101中以此实现对于信号光的光参量放大。由于光参量放大，在增益大于损耗的情况下正向传输的信号光相比于反向传输的信号光会从光路耦合系统10的第三端口中出射更大功率的信号光。图5是在泵浦光源26打开的情况下实验测量出的典型的光的非互易性传输。图5中在正向传输信号光附近的透过率尖峰表明了参量放大的最大波长处。相对于其它利用谐振结构实现光的非互易性传输，本发明的光隔离可以通过调节系统的参数来进行控制，例如光纤锥102与光学微腔101的耦合度(κ1,κ2)和泵浦功率(Pp)。本实施例中泵浦光功率越高，其光隔离效果越好。该过程中的正反向信号光功率均为5.6μW。本发明所搭建的光隔离器光路系统是世界上第一次实现在正反向光同时传输情况下的光隔离。该光隔离器光路系统也表明了光隔离器的设计并不一定需要电的参与，意义重大。
本发明提供了一种应用光参量放大原理来实现的基于回音壁模式光学微腔的光隔离器光路系统，实现了在信号光双向传输存在情况下的光隔离。并且所搭建的光隔离器光路系统对比其他类型的光隔离器优势较为明显，具有体积小、集成度高、性能稳定、光隔离度高、正向隔离度不受反向光的影响等优点。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光隔离器光路系统，其特征在于，包括信号光传输和泵浦光传输，其中信号光经第一衰减器后与第一耦合器的输入口连接，信号光一部分由第一耦合器的一个输出口输出与第一功率计连接，信号光另一部分由第一耦合器的另一个输出口输出后经第二耦合器分成正向信号光和反向信号光，其中：
正向信号光由第二耦合器的一个输出口输出后经第三衰减器和第三偏振控制器后与第四耦合器的一个输入口连接，所述第四耦合器的输出口与第二光环行器的第一端口连接，正向光信号由所述第二光环行器的第二端口进入光路耦合系统的第一端口，所述光路耦合系统包括光学微腔和两根与所述光学微腔耦合的光纤锥，正向光信号一部分由所述光路耦合系统的第三端口耦合输出，另一部分由所述光路耦合系统的第二端口平行输出；其中，由光路耦合系统的第三端口耦合输出的正向光信号由第一光环行器的第二端口输入，然后由所述第一光环行器的第三端口输出与第五耦合器的输入端口连接，所述第五耦合器的一个输出端口与光谱仪连接，另一个输出端口与第六耦合器的输入端口连接，所述第六耦合器的一个输出端口经第一滤波器后与第一光电探测器相连，所述第六耦合器的另一个输出端口与第二光电探测器连接；由光路耦合系统的第二端口输出的正向光信号经光开关后与第七耦合器的输入端口连接，所述第七耦合器的一个输出端口经第三滤波器后与第四光电探测器连接；
反向信号光由所述第二耦合器的另一个输出口输出后经第四衰减器和第二偏振控制器后与所述第一光环行器的第一端口连接，然后反向光信号由第一光环行器的第二端口进入光路耦合系统的第三端口，反向信号光一部分由光路耦合系统的第一端口耦合输出，另一部分由光路耦合系统的第四端口平行输出；其中，由光路耦合系统的第一端口耦合输出的反向信号光由所述第二光环行器的第二端口输入，然后由所述第二光环行器的第三端口输出，所述第二光环形器的第三端口经第二滤波器后与第三光电探测器连接；由光路耦合系统的第四端口平行输出的反向信号光与第六光电探测器连接；
泵浦光经第二衰减器和第一偏振控制器后与第三耦合器的输入端口连接，第三耦合器的一个输出端口与第二功率计连接，另一个输出端口与所述第四耦合器的另一个输入端口连接，泵浦光经所述第四耦合器后与正向信号光以相同的路径进入光路耦合系统的第一端口，泵浦光由光路耦合系统的第二端口输出，然后经过所述光开关后与所述第七耦合器的输入端口连接，然后经所述第七耦合器的另一个输出端口与第五探测器连接；
所述第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器和第六光电探测器均与示波器连接。
2.根据权利要求1所述的光隔离器光路系统，其特征在于，所述光学微腔为二氧化硅微环芯腔。
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