CN109581595B - 同侧耦合反馈式可调光学微腔延时器 - Google Patents

Abstract

本分案申请涉及光延时器领域，现有的芯片可集成型的光延时器系统复杂度高，多个微腔耦合状态同步调节困难。针对上述问题，本分案公开了一种同侧耦合反馈式可调光学微腔延时器，包括光信号输入端、光信号输出端、光学微腔、耦合器件、第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器的端口A与光信号输入端相连，端口B通过耦合器件与光学微腔耦合，端口C与第二耦合器的端口C相连，第二耦合器的端口A通过耦合器件与光学微腔耦合，端口B与光信号输出端相连。本分案利用反馈机制将出射光反馈并注入光学微腔的腔内，增加了光信号传输的有效路径以及额外色散的可调延时，系统复杂度低，延时效果好，可通过对反馈条件的控制，进一步调节延时效果，从而达到延时可调。

Description

同侧耦合反馈式可调光学微腔延时器

本申请为申请号201610255740.9、申请日2016年4月20日、发明名称“反馈式可调光学微腔延时方法及延时器”的分案申请。

技术领域

本发明涉及光延时器领域，具体为一种同侧耦合反馈式可调光学微腔延时器。

背景技术

光延时器作为一种光无源器件在通讯领域和相控阵雷达领域都发挥着重要作用。在光通讯时分复用系统中，光延时器用于产生高比特率的复用信号和实现光缓冲区，减少分组丢失，提高通讯系统的性能；在相控阵雷达中，光延时器在减少天线阵列重量，提高雷达分辨率、识别能力、解决多目标成像、抗电磁干扰、简化结构等方面具有巨大的优势。

光延时器的传统光路一般采用增加光路长度的方式得到合适的延时，以获得预期的延时效果。

近年来，随着现代通讯系统和相控阵雷达系统对系统尺寸、功耗等方面的要求不断提高，芯片可集成型的光延时器成为了目前光延时系统的主要研究方向。但是，光延时器的尺寸直接限制了延时器中所能获得的光路长度，导致芯片可集成型的光延时器除了利用传统光路的延时方式外还需进一步利用额外色散造成的延时。这种类型的光延时器通常集成光学微谐振腔(简称光学微腔)，利用其对光波的谐振效应，使光波在环形腔内往返多次传输从而对光波产生一定的延时，此外，芯片的延时器件要求在微小的频率范围内需产生较大的相位突变，才能获得较好的延时效果，因此高品质系数(Q)的回音壁模式光学微腔成为目前芯片可集成型光延时器的首选。但是传统光路下单个光学微腔Q值有限，因此研究者逐步发展采用串联光学微腔或者耦合光学微腔波导的形式来获得更长的延时，通常通过合理设计微环腔结构和级联一定数目的微环腔就可以达到对延时量的良好控制，如中国专利公开号CN101881859A和CN101576634的发明专利申请所描述的设计，但是无论光延时器采用何种级联方案必然带来光延时器的复杂程度的急剧增加，均进一步提高了延时系统对光源的功率要求，并且需要面临对多个微腔耦合状态进行同步调节和控制的技术难题，同时必然大幅度增加光延时器的封装难度，影响光延时器在工业界的大规模应用。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种结构简单，无须级联多个光学微腔的反馈式可调光学微腔延时方法及延时器。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种反馈式可调光学微腔延时方法，光信号通过耦合器件注入光学微腔并从光学微腔耦合输出，输出的光信号再次通过耦合器件重新注入光学微腔后并从光学微腔最终输出，从而实现对光信号的延时。

该延时方法具备以下优点：

利用反馈机制将出射光反馈并注入光学微腔腔内，增加了光信号传输的有效路径以及额外色散的可调延时，在不增加系统复杂度的情况下改善了光学微腔延时器的效果；同时能够通过对反馈条件的控制，进一步调节光学微腔延时器的延时效果，从而达到光学微腔延时器的可调。

作为优选，所述光信号两次注入光学微腔从光学微腔的同一位置注入；同一位置耦合，耦合结构简单。

作为优选，所述光信号两次注入光学微腔从光学微腔的不同位置注入；不同位置耦合，耦合部分调节更加灵活多变。

为实现上述延时方法，本发明提供一种反馈式可调光学微腔延时器，技术方案包括两种：

第一种技术方案为：一种反馈式可调光学微腔延时器，包括光信号输入端、光信号输出端和光学微腔，还包括耦合器件、第一耦合器和第二耦合器，所述第一耦合器的端口A与光信号输入端相连，端口B通过耦合器件与光学微腔耦合，端口C与第二耦合器的端口C相连，所述第二耦合器的端口A通过耦合器件与光学微腔耦合，端口B与光信号输出端相连。

该延时器具备以下优点：

利用反馈机制将出射光反馈并注入光学微腔腔内，增加了光信号传输的有效路径以及额外色散的可调延时，在不增加系统复杂度的情况下改善了光学微腔延时器的效果；同时能够通过对反馈条件的控制，进一步调节光学微腔延时器的延时效果，从而达到光学微腔延时器的可调。

第二种技术方案为：一种反馈式可调光学微腔延时器，包括光信号输入端、光信号输出端和光学微腔，还包括2个耦合器件和耦合器，所述光信号输入端和耦合器的端口A通过其中一个耦合器件在光学微腔的一侧与光学微腔耦合，所述光信号输出端和耦合器的端口C通过另一个耦合器件在光学微腔的另一侧与光学微腔耦合。

该延时器具备以下优点：除具有第一种技术方案的优点外，与第一种技术方案相比：结构更为简单，光学微腔耦合位置有两个，耦合部分调节更加灵活多变。

上述两种技术方案中：

作为优选，所述光学微腔的结构为微环、微球、微盘、微柱、微芯圆环和变形腔的任意一种；光学微腔多种结构可选，根据不同结构的特点，选择适合的场合应用。

作为优选，所述光学微腔的制成材料为二氧化硅、聚合物、半导体和氟化钙的任意一种；根据不同制成材料各自的优点，选择适合的场合应用。

作为优选，所述耦合器件为光纤锥、一端斜抛光的光纤、波导和棱镜的任意一种；多种耦合器件可选，根据不同耦合器件各自的特点，选择适合的场合应用。

作为优选，所述第一耦合器为光纤型耦合器、微器件型耦合器、平面波导耦合器和倏逝波导耦合器的任意一种；根据不同类型耦合器各自的优点，选择适合的场合应用。

作为优选，所述第二耦合器为光纤型耦合器、微器件型耦合器、平面波导耦合器的任意一种；根据不同类型耦合器各自的优点，选择适合的场合应用。

作为优选，所述耦合器为光纤型耦合器、微器件型耦合器、平面波导耦合器的任意一种；根据不同类型耦合器各自的优点，选择适合的场合应用

附图说明

图1是实施例1的结构示意图；

图2是实施例1的光场示意图；

图3是实施例2的结构示意图；

图4是实施例2的光场示意图；

附图标记：1.光信号输入端、2.光信号输出端、3.光学微腔、4.耦合器件、5.第一耦合器、6.第二耦合器、7.耦合器。

具体实施方式

结合图1和图2，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图1所示，一种反馈式可调光学微腔延时器，包括光信号输入端1、光信号输出端2、光学微腔3、耦合器件4、第一耦合器5和第二耦合器6；第一耦合器5的端口A与光信号输入端1相连，端口B通过耦合器件4与光学微腔3耦合，端口C与第二耦合器6的端口C相连；第二耦合器6的端口A通过耦合器件4与光学微腔3耦合，端口B与光信号输出端2相连。

其中，光学微腔3采用微环结构，耦合器件4采用光纤锥。

工作时，光信号的传输过程为：

1.光信号输入端1的光信号由第一耦合器5的端口A输入到第一耦合器5，然后从端口B输出；

2.第一耦合器5端口B输出的光信号通过耦合器件4注入到光学微腔3，然后再通过耦合器件4耦合输出到第二耦合器6的端口A；

3.进入第二耦合器6的光信号一部分通过端口B直接输出到光信号输出端2，另一部分通过与第一耦合器5相连的端口C重新注入到第一耦合器5；

4.达到稳定输出的总延时后的光信号由光信号输出端2输出。

光信号的延时效果，具体计算方法如下：

如图2所示，为实施例1的光场示意图。

设E_in1为光信号输入光场，E_in2为输入光场与反馈光通过第一耦合器耦合的光场，E_s为光学微腔内的光场，E_out1为光学微腔耦合的输出光场，E_out2为整个系统的输出光场。

设p、k为对光场E_in2输入到光学微腔的透射系数和耦合系数，p′、k′为光场E_s输入到光学微腔的透射系数和耦合系数，有p＝p′，k＝k′且p²+k²＝1。α₀为光学微腔的线性衰减因子，光学微腔半径长度为α，L₀＝2πα为腔的长度，n_s为腔内折射率，c为光速，光学微腔的延时

传播过程中额外获取的相位

δ_c为由于耦合模式引起的损耗，δ₀为腔内的本征损耗，ω为输入光的频率，ω₀为光学微腔内的共振频率，Δω为光学微腔中心频率的失谐，Δω＝ω₀-ω。

对于外反馈的情况，设n为光纤中的折射率，α₁为外反馈部分线性衰减因子，

为外反馈部分附加相移，L₁为E_out1到E_in2的总长度，τ₁为L₁段光纤延时，满足

为E_out1到第二耦合器附加相移，L₂为E_out1到第二耦合器的长度，τ₂为L₂段光纤延时，满足

η₁为输入光与第一耦合器的耦合系数，η₂为第二耦合器与输出光的耦合系数。

光场基本方程有：

E_out1(t)＝pE_in2(t)+jk′E_s(t)

经过对上述光场基本方程的推导，可以得到基于此反馈式可调光学微腔延时器的总延时τ的表达式为：

其中：

我们可以通过调节耦合器耦合比η₁和η₂、光纤延时τ₁、τ₂等参数来实现对延时效果的调节，以满足我们对延时大小调节的需求。

结合图3和图4，详细说明本发明的实施例2，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图3所示，一种反馈式可调光学微腔延时器，包括光信号输入端1、光信号输出端2、光学微腔3、2个耦合器件4和耦合器7；光信号输入端1和耦合器7的端口A通过其中一个耦合器件4在光学微腔3的一侧与光学微腔3耦合，光信号输出端2和耦合器7的端口C通过另一个耦合器件4在光学微腔3的另一侧与光学微腔3耦合。

其中，光学微腔3采用微环结构，耦合器件4采用光纤锥。

工作时，光信号的传输过程为：

1.光信号输入端1的光信号通过一个耦合器件4注入到光学微腔3；

2.注入到光学微腔3的光信号通过2个耦合器件4分别从光学微腔3的两侧耦合输出，两条输出路径分别为：A.与耦合器7的端口A相连的一侧，光信号进入耦合器7，然后一部分从端口B直接输出，另一部分从端口C输出然后通过耦合器件4重新注入到光学微腔3；B.与光信号输出端2相连的一侧，光信号直接输出到光信号输出端2；

3.达到稳定输出的总延时后的光信号由光信号输出端2输出。

光信号的延时效果，具体计算方法如下：

如图4所示，为实施例2的光场示意图。

设E_in为光信号输入光场，透过光纤锥与光学微腔耦合，E₁₁为输入光场与光学微腔耦合的光场，E₂₁为光场E₁₁经过半周长光学微腔损耗后的光场，E₂₂为透过光纤锥光场E₃₂与光学微腔内光场E₂₁耦合的光场，E₁₂为光场E₂₂经过半周长光学微腔损耗后的光场，E₁₃为光学微腔上端口的输出光场，E₃₁为光场E₁₃经过一段长为L₁₃的光纤损耗后的光场，E_out1为光场E₃₁经过耦合器输出的光场，E₃₂为光场E₃₁经过耦合器耦合至光纤锥再经过另一段长为L₃₂的光纤损耗后的光场，E_out2为最终的输出光场。

设p₁、k₁为光场E_in输入到光学微腔的透射系数和耦合系数，p′₁、k′₁为光场E₁₂输入到光学微腔的透射系数和耦合系数，p₂、k₂为光场E₃₂输入到光学微腔的透射系数和耦合系数，p′₂、k′₂为光场E₂₁输入到光学微腔的透射系数和耦合系数，且有p₁＝p′₁，k₁＝k′₁且

p₂＝p′₂，k₂＝k′₂且

c为光速，光学微腔内部折射率为n_s，周长为2L₁₂，损耗系数为α_s，相移为

延时为2τ₁₂，ω为输入光的频率，ω₀为光学微腔共振频率，Δω为光学微腔中心频率的失谐，满足：τ₁₂＝2n_sL₁₂/c，

光纤折射率为n，损耗系数为α，L₁₃为E₁₃到E₃₁的总长度，长为L₁₃的相移为

传输用时为τ₁₃，满足

L₃₂为E₃₁到E₃₂的总长度，长为L₃₂的相移为

传输用时为τ₃₂，满足

τ为最终输出光场E_out2相对输入光场E_in的总延时，η为耦合器的耦合系数。

光场基本方程有：

经过对上述光场基本方程的推导，可以得到基于此反馈式可调光学微腔延时器的总延时τ的表达式为：

其中：

我们可以通过调节耦合器的耦合系数η以及光纤延时τ₁₃、τ₃₂等参数来实现对延时效果的调节，以满足我们对延时大小调节的需求。

上述两个实施例，具体实施时：

1.光学微腔3的结构也可采用除微环外的其他结构，例如微球、微盘、微柱、微芯圆环和变形腔等结构；

2.光学微腔3的制成材料可采用二氧化硅、聚合物、半导体和氟化钙的任意一种；

3.耦合器件4除可选用光纤锥外，也可选用一端斜抛光的光纤、棱镜和波导等其他光学微腔近场耦合器件；

4.第一耦合器5、第二耦合器6和耦合器7可选用各种类型的耦合器，如光纤型耦合器、微器件型耦合器、平面波导耦合器等。

综上所述，本发明具有以下优点：利用反馈机制将出射光反馈并注入光学微腔腔内，增加了光传输的有效路径以及额外色散的可调延时，在不增加系统复杂度的情况下改善了光学微腔延时器的效果；同时能够通过对反馈条件的控制，进一步调节光学微腔延时器的延时效果，从而达到光学微腔延时器的可调。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种同侧耦合反馈式可调光学微腔延时器，包括光信号输入端(1)、光信号输出端(2)和光学微腔(3)，其特征在于：还包括耦合器件(4)、第一耦合器(5)和第二耦合器(6)，所述第一耦合器(5)的端口A与光信号输入端(1)相连，端口B通过耦合器件(4)与光学微腔(3)耦合，端口C与第二耦合器(6)的端口C相连，所述第二耦合器(6)的端口A通过耦合器件(4)与光学微腔(3)耦合，端口B与光信号输出端(2)相连；

光信号输入端(1)的光信号由第一耦合器(5)的端口A输入到第一耦合器(5)，然后从端口B输出，第一耦合器(5)端口B输出的光信号通过耦合器件(4)注入到光学微腔(3)，然后再通过耦合器件(4)耦合输出到第二耦合器(6)的端口A，进入第二耦合器(6)的光信号一部分通过端口B直接输出到光信号输出端(2)，另一部分通过与第一耦合器(5)相连的端口C重新注入到第一耦合器(5)，达到稳定输出的总延时后的光信号由光信号输出端(2)输出；

上述延时器中，光信号的延时效果，具体计算方法如下：

设E_in1为光信号输入光场，E_in2为输入光场与反馈光通过第一耦合器耦合的光场，E_s为光学微腔内的光场，E_out1为光学微腔耦合的输出光场，E_out2为整个系统的输出光场；

设p、k为对光场E_in2输入到光学微腔的透射系数和耦合系数，p′、k′为光场E_s输入到光学微腔的透射系数和耦合系数，有p＝p′，k＝k′且p²+k²＝1，α₀为光学微腔的线性衰减因子，光学微腔半径长度为α，L₀＝2πα为腔的长度，n_s为腔内折射率，c为光速，光学微腔的延时

传播过程中额外获取的相位

δ_c为由于耦合模式引起的损耗，δ₀为腔内的本征损耗，ω为输入光的频率，ω₀为光学微腔内的共振频率，Δω为光学微腔中心频率的失谐，Δω＝ω₀-ω；

对于外反馈的情况，设n为光纤中的折射率，α₁为外反馈部分线性衰减因子，

为外反馈部分附加相移，L₁为E_out1到E_in2的总长度，τ₁为L₁段光纤延时，满足

为E_out1到第二耦合器附加相移，L₂为E_out1到第二耦合器的长度，τ₂为L₂段光纤延时，满足

η₁为输入光与第一耦合器的耦合系数，η₂为第二耦合器与输出光的耦合系数；

光场基本方程有：

E_out1(t)＝pE_in2(t)+jk′E_s(t)

经过对上述光场基本方程的推导，可以得到基于此反馈式可调光学微腔延时器的总延时τ的表达式为：

其中：

通过调节耦合器耦合比η₁和η₂、光纤延时τ₁、τ₂参数来实现对延时效果的调节。

2.根据权利要求1所述的同侧耦合反馈式可调光学微腔延时器，其特征在于：所述第一耦合器(5)和第二耦合器(6)均为光纤型耦合器、微器件型耦合器、平面波导耦合器的任意一种。

3.根据权利要求1所述的同侧耦合反馈式可调光学微腔延时器，其特征在于：所述光学微腔(3)的结构为微环、微球、微盘、微柱、微芯圆环和变形腔的任意一种。

4.根据权利要求1所述的同侧耦合反馈式可调光学微腔延时器，其特征在于：所述光学微腔(3)的制成材料为二氧化硅、聚合物、半导体和氟化钙的任意一种。

5.根据权利要求1所述的同侧耦合反馈式可调光学微腔延时器，其特征在于：所述耦合器件(4)为棱镜。

6.根据权利要求1所述的同侧耦合反馈式可调光学微腔延时器，其特征在于：所述耦合器件(4)为波导。

7.根据权利要求1所述的同侧耦合反馈式可调光学微腔延时器，其特征在于：所述耦合器件(4)为光纤锥。

8.根据权利要求1所述的同侧耦合反馈式可调光学微腔延时器，其特征在于：所述耦合器件(4)为一端斜抛光的光纤。

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