CN113867016B - 基于fp谐振腔耦合系统的pt对称全光纤光隔离器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器及方法，包括端口一、端口二、有源光纤、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅以及第三光纤布拉格光栅；第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅构成第一法布里‑珀罗谐振腔，第二光纤布拉格光栅和第三光纤布拉格光栅构成第二法布里‑珀罗谐振腔，第一法布里‑珀罗谐振腔与第二法布里‑珀罗谐振腔耦合。本发明利用均匀光纤布拉格光栅构成两个相互耦合的法布里‑珀罗谐振腔系统；通过控制泵浦光的光功率，基于对两个谐振腔的增益和损耗强度的调节，实现该全光纤光隔离器内的宇称‑时间对称的各种相位形式的调节，并且在宇称‑时间对称破缺状态下实现光信号非互易传输。

Description

基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器及方法

技术领域

本发明属于光纤器件技术领域，具体涉及基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器及方法。

背景技术

光隔离器是只允许光信号沿一个方向传播而阻止其向相反方向传播的光学器件，主要作用是防止在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造成不良影响。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。传统的基于磁光效应的磁光隔离器由于磁光材料集成不兼容以及需要外加强磁场等问题，导致磁光隔离器的集成化和小型化受到限制。基于时空调制的无磁方案也已被提出，但是其复杂的外部控制电路以及器件的高能耗等问题使其应用受限。宇称-时间(Parity-time，简称PT)对称理论源于量子力学领域，如今延伸到光学领域用以探究宇称-时间对称系统中的非互易性。量子系统中，将厄米共轭的条件换成弱化的更加物理的宇称-时间对称条件后，一大类复的哈密顿量即使非厄米共轭在对称状态转变阈值之下也能拥有完全的实谱。在满足其对称破全条件时，在特定谐振腔内会产生场强局域化，导致谐振腔内的增益饱和非线性效应被大幅度增强，从而实现光信号的非互易传输。基于谐振腔耦合系统的宇称-时间对称光隔离器不受磁光材料及外部磁场需求的限制，具有尺寸小、全光可控、光隔离度可调、光隔离方向可切换等优势，因此在新型的无磁光隔离器发展领域有着重要的研究价值和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的主要目的在于克服传统光隔离器制作工艺复杂、难以集成的缺点，本发明提供一种基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器及方法，该光隔离器为全光纤结构，具有全光可控、光隔离度可调、光隔离方向可切换、制备工艺简单、成本低和易于集成到光纤通信链路的特性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器，包括端口一、端口二、有源光纤、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅以及第三光纤布拉格光栅；

第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅构成第一法布里-珀罗谐振腔，第二光纤布拉格光栅和第三光纤布拉格光栅构成第二法布里-珀罗谐振腔，第一法布里-珀罗谐振腔与第二法布里-珀罗谐振腔耦合；

端口一为探测光正向通过光隔离器的入射端口，端口二为探测光反向通过光隔离器的入射端口；泵浦光始终从端口二进入光隔离器。

进一步的，有源光纤具体为铒镱共掺光纤。

进一步的，第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅以及第三光纤布拉格光栅均为均匀光纤布拉格光栅，均匀光纤布拉格光栅的刻写方法为相位掩模板法。

进一步的，第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅以及第三光纤布拉格光栅的长度均为4mm。

进一步的，第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅以及第三光纤布拉格光栅的反射率均为94％。

进一步的，第一法布里-珀罗谐振腔和第二法布里-珀罗谐振腔的物理长度均为10mm。

本发明还包括基于本发明提供的光隔离器的光隔离方法，包括以下步骤：

S1、制备基于法布里-珀罗谐振腔耦合系统的器件；采用相位掩膜板法，用193nm的准分子激光器在铒镱共掺光纤的纤芯上刻写三个级联的均匀光纤布拉格光栅，两两均匀光纤布拉格光栅之间的间距均为10mm；

S2、搭建器件测试光路，正向入射时，使探测光经过波分复用器进入端口一，使泵浦光经过波分复用器进入端口二，从端口二透射的探测光接光矢量分析仪，以监测透射谱的变化；反向入射时，使探测光经过波分复用器进入端口二，使泵浦光经过波分复用器进入端口二，从端口一透射的探测光接光矢量分析仪，以监测透射谱的变化；

S3、将基于法布里-珀罗谐振腔耦合系统的器件放置在微位移平台上，将第一法布里-珀罗谐振腔固定在微位移平台上；

S4、调节光纤偏振控制器，使探测光的偏振态与基于法布里-珀罗谐振腔耦合系统的快轴或者慢轴平行，使探测光透射谱线上每个谐振模式的谐振峰的数量由四个减小为两个；

S5、利用微位移平台对第一法布里-珀罗谐振腔进行拉伸，使两个法布里-珀罗谐振腔的谐振波长接近1552.16nm，使探测光透射谱线上每个谐振模式的谐振峰的数量由两个减小为1个；

S6、对基于法布里-珀罗谐振腔耦合系统的器件进行泵浦，泵浦光波长为980nm，通过光矢量分析仪监测透射谱线；

调节泵浦光功率，使第一法布里-珀罗谐振腔和第二法布里-珀罗谐振腔视为净损耗腔和净增益腔，当满足第一法布里-珀罗谐振腔的损耗强度与第二法布里-珀罗谐振腔的增益强度相等，且大于两腔的耦合强度时，整个系统满足宇称-时间对称破缺条件；

S7、在前向传输测量时，泵浦光经过端口二对器件进行泵浦，探测光通过端口一进入器件，经端口二透射的探测光接光矢量分析仪，通过光矢量分析仪监测透射谱线；

S8、在后向传输测量时，泵浦光也经过端口二对器件进行泵浦，探测光通过端口二进入器件，经端口一透射的探测光接光矢量分析仪，通过光矢量分析仪监测透射谱线；

保证步骤S7和S8进入法布里-珀罗谐振腔前的探测光功率相等；

S9、在步骤S6、S7以及S8的基础上进一步调节泵浦光功率，同时对第二法布里-珀罗谐振腔施加弯曲损耗，当满足第一法布里-珀罗谐振腔的损耗强度与第二法布里-珀罗谐振腔的增益强度相等，且小于两腔的耦合强度时，整个系统满足宇称-时间对称未破缺条件；

S10、改变探测光的功率，隔离度随探测光功率变化而变化，即隔离器的隔离度在大参数范围内可调节；改变泵浦光的泵浦方向，光隔离的方向发生改变，即具有全光可控的特性。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明为不需要磁光材料和外加磁场偏置的基于法布里-珀罗(Fabry-Perot，简称FP)谐振腔耦合系统的宇称-时间对称全光纤光隔离器，通过调节泵浦光功率实现对称破缺实现非互易，调节方法简单，具备制备工艺简单、成本低和易于集成到光纤通信链路的特性。

2、本发明提供了具有全光可控、光隔离度可调、光隔离方向可切换等优势的新型全光纤光隔离器。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2a是本发明的光隔离器实现光隔离对应的正向透射谱；

图2b是本发明的光隔离器实现光隔离对应的反向透射谱；

图3a是本发明的光隔离器在未破缺条件下对应的正向透射谱；

图3b是本发明的光隔离器在未破缺条件下对应的反向透射谱；

图4是本发明的光隔离器的隔离度随入射信号光功率变化关系图；

附图标号说明：1-有源光纤；2-第一光纤布拉格光栅；3-第二光纤布拉格光栅；4-第三光纤布拉格光栅；5-第一法布里-珀罗谐振腔；6-第二法布里-珀罗谐振腔。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

术语说明：

FP：法布里-珀罗，英文为Fabry-Perot，简称FP；

PT：宇称-时间，英文为Parity-time，简称PT。

本发明提供一种基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器，利用相位掩膜板法在有源光纤上刻写三个级联的均匀光纤布拉格光栅，从而构成两个相互耦合的法布里-珀罗谐振腔系统；通过控制泵浦光的光功率，基于对两个谐振腔的增益和损耗强度的调节，实现该全光纤光隔离器内的宇称-时间对称的各种相位形式的调节，并且在宇称-时间对称破缺状态下实现光信号非互易传输。

实施例

如图1所示，本发明，基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器，包括有源光纤1、第一光纤布拉格光栅2、第二光纤布拉格光栅3以及第三光纤布拉格光栅4；

第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅构成第一法布里-珀罗谐振腔5，第二光纤布拉格光栅和第三光纤布拉格光栅构成第二法布里-珀罗谐振腔6，第一法布里-珀罗谐振腔与第二法布里-珀罗谐振腔耦合；端口一为探测光正向通过光隔离器的入射端口，端口二为探测光反向通过光隔离器的入射端口；泵浦光始终从端口二进入光隔离器。

如图1、图2a、图2b以及图4所示，泵浦光从端口二的一端通入，同一束调谐的探测光先沿正向端口一进入，探测端口二处透射探测光强度，后沿反向从端口二进入，探测端口一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。调节探测光和泵浦光的功率，隔离度也随之改变。改变泵浦光的泵浦方向，隔离方向也随之改变。

在本实施例中，有源光纤具体为铒镱共掺光纤；铒镱共掺光纤中掺杂Er³⁺和Yb³⁺，泵浦后能够提供增益。铒镱共掺光纤的泵浦效率远远高于掺铒光纤，在光纤长度较短的前提下，用高功率的泵浦激光器对铒镱光纤进行泵浦能够对信号光提供更高的增益。

第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅以及第三光纤布拉格光栅均为均匀光纤布拉格光栅，均匀光纤布拉格光栅的刻写方法为相位掩模板法。其原理是聚焦的光束通过相位掩模板发生衍射，由于相位掩模板特殊的结构，0级衍射光被抑制，±1级衍射光被增强，±1级衍射光进一步发生干涉照射在光纤的纤芯上，致使纤芯的折射率发生改变而形成光纤光栅。

第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅以及第三光纤布拉格光栅的长度均为4mm，反射率均为94％；第一法布里-珀罗谐振腔和第二法布里-珀罗谐振腔的物理长度均为10mm，以确保第一法布里-珀罗谐振腔和第二法布里-珀罗谐振腔具有某个相同的谐振波长。

第一法布里-珀罗谐振腔5与端口一的耦合是通过第一光纤布拉格光栅2实现，第二法布里-珀罗谐振腔6与端口二的耦合是通过第三光纤布拉格光栅4实现，第一法布里-珀罗谐振腔与第二法布里-珀罗谐振腔的耦合是通过第二光纤布拉格光栅实现。

作为光隔离使用时，泵浦光和探测光需同时进入法布里-珀罗谐振腔，探测光的波长与法布里-珀罗谐振腔和法布里-珀罗谐振腔的谐振波长均相等。探测光的光功率和泵浦光的光功率均可调且影响光隔离度。第二法布里-珀罗谐振腔的光纤弯曲程度是可调的且影响光隔离度。

在另一个实施例中，提供了基于上述实施例所述隔离器的基于法布里-珀罗谐振腔耦合系统的宇称-时间对称全光纤光隔离方法，包括以下步骤：

S1、制备基于法布里-珀罗谐振腔耦合系统的器件；采用相位掩膜板法，用193nm的准分子激光器在铒镱共掺光纤的纤芯上刻写三个级联的均匀光纤布拉格光栅，两两均匀光纤布拉格光栅之间的间距均为10mm；

S2、搭建器件测试光路，正向入射时，使探测光经过波分复用器进入端口一，使泵浦光经过波分复用器进入端口二，从端口二透射的探测光接光矢量分析仪，以监测透射谱的变化；反向入射时，使探测光经过波分复用器进入端口二，使泵浦光经过波分复用器进入端口二，从端口一透射的探测光接光矢量分析仪，以监测透射谱的变化；

S3、将基于法布里-珀罗谐振腔耦合系统的器件放置在微位移平台上，将第一法布里-珀罗谐振腔固定在微位移平台上；

S4、调节光纤偏振控制器，使探测光的偏振态与基于法布里-珀罗谐振腔耦合系统的快轴或者慢轴平行，使探测光透射谱线上每个谐振模式的谐振峰的数量由四个减小为两个；

S5、利用微位移平台对第一法布里-珀罗谐振腔进行拉伸，使两个法布里-珀罗谐振腔的谐振波长近似相等约1552.16nm，使探测光透射谱线上每个谐振模式的谐振峰的数量由两个减小为1个，如图2a，图2b所示。

S6、对基于法布里-珀罗谐振腔耦合系统的器件进行泵浦，泵浦光波长为980nm，通过光矢量分析仪监测透射谱线；

调节泵浦光功率，使第一法布里-珀罗谐振腔和第二法布里-珀罗谐振腔视为净损耗腔和净增益腔，当满足第一法布里-珀罗谐振腔的损耗强度与第二法布里-珀罗谐振腔的增益强度相等，且大于两腔的耦合强度时，整个系统满足宇称-时间对称破缺条件；

S7、在前向传输测量时，泵浦光经过端口二对器件进行泵浦，探测光通过端口一进入器件，经端口二透射的探测光接光矢量分析仪，通过光矢量分析仪监测透射谱线；当整个系统的状态满足步骤S6的条件时，透射谱线如图2a所示。

S8、在后向传输测量时，泵浦光也经过端口二对器件进行泵浦，探测光通过端口二进入器件，经端口一透射的探测光接光矢量分析仪，通过光矢量分析仪监测透射谱线；

保证步骤S7和S8进入法布里-珀罗谐振腔前的探测光功率相等；保持系统的状态仍然满足步骤S6的条件，测到的透射谱线如图2b所示。可见步骤S7和步骤S8测到的谱线峰值有明显差异，表示实现了光学隔离，隔离度为8.58dB。

S9、在步骤S6、S7以及S8的基础上进一步调节泵浦光功率，同时对第二法布里-珀罗谐振腔施加弯曲损耗，当满足第一法布里-珀罗谐振腔的损耗强度与第二法布里-珀罗谐振腔的增益强度相等，且小于两腔的耦合强度时，整个系统满足宇称-时间对称未破缺条件；

在透射谱上可以观察到模式劈裂，但前向传输和后向传输测量得到的透射谱线峰值没有明显差异，表示在此状态下没有实现光学隔离。前向传输和后向传输的透射谱线分别如图3a、图3b所示。

S10、改变探测光的功率，隔离度随探测光功率变化而变化，说明本发明的隔离器的隔离度在大参数范围内可调节，结果如图4所示；改变泵浦光的泵浦方向，光隔离的方向可以发生改变，说明本发明具有全光可控的特性。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器，其特征在于，包括端口一、端口二、有源光纤、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅以及第三光纤布拉格光栅；

第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅构成第一法布里-珀罗谐振腔，第二光纤布拉格光栅和第三光纤布拉格光栅构成第二法布里-珀罗谐振腔，第一法布里-珀罗谐振腔与第二法布里-珀罗谐振腔耦合；

端口一为探测光正向通过光隔离器的入射端口，端口二为探测光反向通过光隔离器的入射端口；泵浦光始终从端口二进入光隔离器；

光隔离器实现PT对称包括：

对法布里-珀罗谐振腔耦合系统的器件进行泵浦，泵浦光波长为980nm；正向入射时，从端口二透射的探测光接光矢量分析仪，反向入射时，从端口一透射的探测光接光矢量分析仪，通过光矢量分析仪监测透射谱线；

调节泵浦光功率，使第一法布里-珀罗谐振腔和第二法布里-珀罗谐振腔视为净损耗腔和净增益腔，当满足第一法布里-珀罗谐振腔的损耗强度与第二法布里-珀罗谐振腔的增益强度相等，且大于两腔的耦合强度时，整个系统满足宇称-时间对称破缺条件；

保证进入法布里-珀罗谐振腔前的探测光功率相等；

进一步调节泵浦光功率，同时对第二法布里-珀罗谐振腔施加弯曲损耗，当满足第一法布里-珀罗谐振腔的损耗强度与第二法布里-珀罗谐振腔的增益强度相等，且小于两腔的耦合强度时，整个系统满足宇称-时间对称未破缺条件。

2.根据权利要求1所述的基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器，其特征在于，有源光纤具体为铒镱共掺光纤。

3.根据权利要求1所述的基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器，其特征在于，第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅以及第三光纤布拉格光栅均为均匀光纤布拉格光栅，均匀光纤布拉格光栅的刻写方法为相位掩模板法。

4.根据权利要求1所述的基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器，其特征在于，第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅以及第三光纤布拉格光栅的长度均为4mm。

5.根据权利要求1所述的基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器，其特征在于，第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅以及第三光纤布拉格光栅的反射率均为94%。

6.根据权利要求1所述的基于FP谐振腔耦合系统的PT对称全光纤光隔离器，其特征在于，第一法布里-珀罗谐振腔和第二法布里-珀罗谐振腔的物理长度均为10mm。

7.基于权利要求1-6任一项所述光隔离器的光隔离方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制备法布里-珀罗谐振腔耦合系统的器件；采用相位掩膜板法，用193nm的准分子激光器在铒镱共掺光纤的纤芯上刻写三个级联的均匀光纤布拉格光栅，两两均匀光纤布拉格光栅之间的间距均为10mm；

S2、搭建器件测试光路，正向入射时，使探测光经过波分复用器进入端口一，使泵浦光经过波分复用器进入端口二，从端口二透射的探测光接光矢量分析仪，以监测透射谱的变化；反向入射时，使探测光经过波分复用器进入端口二，使泵浦光经过波分复用器进入端口二，从端口一透射的探测光接光矢量分析仪，以监测透射谱的变化；

S3、将法布里-珀罗谐振腔耦合系统的器件放置在微位移平台上，将第一法布里-珀罗谐振腔固定在微位移平台上；

S4、调节光纤偏振控制器，使探测光的偏振态与法布里-珀罗谐振腔耦合系统的快轴或者慢轴平行，使探测光透射谱线上每个谐振模式的谐振峰的数量由四个减小为两个；

S5、利用微位移平台对第一法布里-珀罗谐振腔进行拉伸，使两个法布里-珀罗谐振腔的谐振波长接近1552.16nm，使探测光透射谱线上每个谐振模式的谐振峰的数量由两个减小为1个；

S6、对法布里-珀罗谐振腔耦合系统的器件进行泵浦，泵浦光波长为980nm，通过光矢量分析仪监测透射谱线；

调节泵浦光功率，使第一法布里-珀罗谐振腔和第二法布里-珀罗谐振腔视为净损耗腔和净增益腔，当满足第一法布里-珀罗谐振腔的损耗强度与第二法布里-珀罗谐振腔的增益强度相等，且大于两腔的耦合强度时，整个系统满足宇称-时间对称破缺条件；

S7、在前向传输测量时，泵浦光经过端口二对器件进行泵浦，探测光通过端口一进入器件，经端口二透射的探测光接光矢量分析仪，通过光矢量分析仪监测透射谱线；

S8、在后向传输测量时，泵浦光也经过端口二对器件进行泵浦，探测光通过端口二进入器件，经端口一透射的探测光接光矢量分析仪，通过光矢量分析仪监测透射谱线；

保证步骤S7和S8进入法布里-珀罗谐振腔前的探测光功率相等；

S9、在步骤S6、S7以及S8的基础上进一步调节泵浦光功率，同时对第二法布里-珀罗谐振腔施加弯曲损耗，当满足第一法布里-珀罗谐振腔的损耗强度与第二法布里-珀罗谐振腔的增益强度相等，且小于两腔的耦合强度时，整个系统满足宇称-时间对称未破缺条件；

S10、改变探测光的功率，隔离度随探测光功率变化而变化，即隔离器的隔离度在大参数范围内可调节；改变泵浦光的泵浦方向，光隔离的方向发生改变，即具有全光可控的特性。