阅读说明：本技术 一种微环芯器件及光孤子产生系统 (Micro-ring core device and optical soliton generation system ) 是由 姜校顺 肖龙甫 赵巾一 王瀚 肖敏 于 2019-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供一种微环芯器件及光孤子产生系统,微环芯器件包括：微环芯,所述微环芯包括微环芯中间部和微环芯腔,所述微环芯腔围绕所述微环芯中间部一周设置；所述微环芯腔呈环状,环状的所述微环芯腔的外侧半径与内侧半径的差值小于40μm；所述微环芯中间部呈圆盘状,圆盘状的所述微环芯中间部的厚度小于10μm；所述微环芯腔用于产生光孤子。本发明实施例提供一种微环芯器件及光孤子产生系统,以实现提供一种便于集成的光孤子产生器件,并减小光孤子产生器件的体积。(The embodiment of the invention provides a micro-ring core device and an optical soliton generation system, wherein the micro-ring core device comprises: the micro-ring core comprises a micro-ring core middle part and a micro-ring core cavity, and the micro-ring core cavity is arranged around the micro-ring core middle part for one circle; the micro-ring core cavity is annular, and the difference value between the outer radius and the inner radius of the annular micro-ring core cavity is less than 40 micrometers; the middle part of the micro ring core is disc-shaped, and the thickness of the disc-shaped middle part of the micro ring core is less than 10 mu m; the micro-ring core cavity is used for generating optical solitons. The embodiment of the invention provides a micro-ring core device and an optical soliton generation system, so as to provide an optical soliton generation device convenient to integrate and reduce the volume of the optical soliton generation device.)

一种微环芯器件及光孤子产生系统

技术领域

本发明实施例涉及光孤子技术，尤其涉及一种微环芯器件及光孤子产生系统。

背景技术

光孤子是一种在传播过程中可以保持其形态的一种光脉冲。光孤子时域上是光脉冲，而频域上则是一个个梳齿，这些梳齿相位相干。光孤子已经被大量应用在精密测量、天文学、超快光谱学、相干光通信等领域，拥有非常好的商用前景。

目前主要产生光孤子的仪器为锁模激光器，传统的锁模激光器需要一个额外的饱和吸收体，并且体积大，功率高，不利于集成。

发明内容

本发明实施例提供一种微环芯器件及光孤子产生系统，以实现提供一种便于集成的光孤子产生器件，并减小光孤子产生器件的体积。

第一方面，本发明实施例提供一种微环芯器件，包括：

微环芯，所述微环芯包括微环芯中间部和微环芯腔，所述微环芯腔围绕所述微环芯中间部一周设置；所述微环芯腔呈环状，环状的所述微环芯腔的外侧半径与内侧半径的差值小于40μm；所述微环芯中间部呈圆盘状，圆盘状的所述微环芯中间部的厚度小于10μm；所述微环芯腔用于产生光孤子。

可选地，还包括：基底，用于承载所述微环芯；所述基底的材料为硅，所述微环芯的材料为二氧化硅。

第二方面，本发明实施例提供一种光孤子产生系统，包括第一方面所述的微环芯器件；

所述光孤子产生系统还包括激光源，所述激光源出射的光注入到所述微环芯器件的微环芯腔中产生光孤子。

可选地，所述激光源包括泵浦激光器和辅助激光器，所述泵浦激光器出射泵浦光，所述辅助激光器出射辅助光，用于抑制所述微环芯器件中微环芯腔在所述泵浦光作用下的热效应。

可选地，所述光孤子产生系统还包括：

第一光纤放大器，位于所述泵浦激光器的出光方向上，所述第一光纤放大器的光输入端与所述泵浦激光器光路连接，用于放大所述泵浦光；

第一偏振控制器，所述第一偏振控制器的光输入端与所述第一光纤放大器的光输出端光路连接，用于调整所述泵浦光的偏振态；所述第一偏振控制器的光输出端出射的泵浦光注入到所述微环芯器件的微环芯腔中；

第二光纤放大器，位于所述辅助激光器的出光方向上，所述第二光纤放大器的光输入端与所述辅助激光器光路连接，用于放大所述辅助光；

第二偏振控制器，所述第二偏振控制器的光输入端与所述第二光纤放大器的光输出端光路连接，用于调整所述辅助光的偏振态；所述第二偏振控制器的光输出端出射的辅助光注入到所述微环芯器件的微环芯腔中。

可选地，所述光孤子产生系统还包括：

第一滤波器，所述第一滤波器的光输入端与所述第一偏振控制器的光输出端光路连接，所述第一滤波器的光输出端出射的泵浦光注入到所述微环芯器件的微环芯腔中，用于过滤所述第一光纤放大器导致的噪声；

第二滤波器，所述第二滤波器的光输入端与所述第二偏振控制器的光输出端光路连接，所述第二滤波器的光输出端出射的辅助光注入到所述微环芯器件的微环芯腔中，用于过滤所述第二光纤放大器导致的噪声。

可选地，所述光孤子产生系统还包括：

第一衰减器，所述第一衰减器的光输入端与所述第一光纤放大器的光输出端光路连接，所述第一衰减器的光输出端与所述第一偏振控制器的光输入端光路连接；

第二衰减器，所述第二衰减器的光输入端与所述第二光纤放大器的光输出端光路连接，所述第二衰减器的光输出端与所述第二偏振控制器的光输入端光路连接。

可选地，所述光孤子产生系统还包括：

第一环路器，包括第一端、第二端和第三端，所述第一端与所述泵浦激光器光路连接，所述泵浦激光器出射的泵浦光由所述第一端进入所述第一环路器，并由所述第二端注入到所述微环芯器件的微环芯腔中；

第二环路器，包括第四端、第五端和第六端，所述第四端与所述辅助激光器光路连接，所述辅助激光器出射的辅助光由所述第四端进入所述第二环路器，并由所述第五端注入到所述微环芯器件的微环芯腔中。

可选地，所述光孤子产生系统还包括：

第一耦合器、第一功率计、光纤锥和示波器；所述第一耦合器的光输入端与所述泵浦激光器光路连接，所述第一耦合器的第一光输出端与所述第一功率计光路连接，所述第一耦合器的第二光输出端与所述第一端光路连接，所述第二端与所述光纤锥光路连接，并通过所述光纤锥将所述泵浦光注入到所述微环芯器件的微环芯腔中，所述第三端与所述示波器光路连接；

第二耦合器、第二功率计、第三耦合器和光谱仪；所述第二耦合器的光输入端与所述辅助激光器光路连接，所述第二耦合器的第一光输出端与所述第二功率计光路连接，所述第二耦合器的第二光输出端与所述第四端光路连接，所述第五端与所述光纤锥光路连接，并通过所述光纤锥将所述辅助光注入到所述微环芯器件的微环芯腔中，所述第六端与所述第三耦合器的光输入端光路连接，所述第三耦合器的第一光输出端与光谱仪光路连接，所述第三耦合器的第二光输出端与所述示波器光路连接。

可选地，所述光孤子产生系统还包括氮气盒，所述氮气盒的容纳腔内包括氮气，所述微环芯器件位于所述氮气盒的容纳腔内。

本发明实施例提供的微环芯器件中，微环芯腔的外侧半径与内侧半径的差值小于40μm，微环芯腔的厚度比较小，可以用于产生光孤子。由于微环芯腔为形成在微环芯中间部周围的部件，微环芯腔的厚度与微环芯中间部高度相关，为适配微环芯腔的厚度，本发明实施例还设置微环芯中间部的厚度小于10μm。本发明实施例提供的微环芯器件与微盘腔相比至少具有如下优点：微盘腔的表面比较粗糙，Q值(Q值是微腔的品质因子，Q值越高，代表微腔做的越光滑，光在里面的耗散越小)低，而要达到较高的Q值需要经过复杂的技术处理来使其表面光滑，微盘腔的处理技术例如刻蚀、清洗等表面处理技术。这些技术比较繁琐和复杂。微环芯腔可以由微盘腔激光烧融形成，激光烧融形成的微环芯腔的表面比较光滑，Q值高。需要说明的是，现有技术中也存在微环芯腔，但是现有技术中的微环芯腔的厚度比较大，光的模式数量较多，多种模式的光相互干扰，形成模式极化，不利于光孤子的产生。现有技术中的微环芯腔一般用于增强光与材料的相互作用，提高光的功率密度，而不易产生光孤子。面对一个大厚度用于功率放大的微环芯腔，研究人员通过改变微环芯腔的厚度达到了一个意想不到的技术效果，即首次在微环芯腔中产生了光孤子。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种微环芯器件的立体结构示意图；

图2为图1中所示微环芯器件剖视图；

图3为本发明实施例提供的一种光孤子产生系统的结构示意图；

图4为图3中所示微环芯器件和光纤锥的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种光孤子产生系统的结构示意图；

图6为采用图5所示光孤子产生系统探测到的泵浦光和辅助光的透过率随时间的变化曲线图；

图7为泵浦光波长锁定在蓝移区时的光谱图；

图8为泵浦光波长锁定在红移区时的光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。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结构。

目前主要产生光孤子的仪器为锁模激光器，传统的锁模激光器需要一个额外的饱和吸收体，并且体积大，功率高，不利于集成。另外，现有技术中也存在一些其他的产生光孤子的结构，例如采用微盘腔、微柱腔和微球腔来产生光孤子，但是微柱腔和微球腔的体积比较大，不是平面的结构，不能集成在例如硅片等器件上，不利于集成。而微盘腔工艺非常复杂与苛刻。

针对上述问题，本发明实施例提供一种微环芯器件，图1为本发明实施例提供的一种微环芯器件的立体结构示意图，图2为图1中所示微环芯器件剖视图，参考图1和图2，微环芯器件30包括微环芯10，微环芯10包括微环芯中间部11和微环芯腔12，微环芯腔12围绕微环芯中间部11一周设置。微环芯腔12呈环状，环状的微环芯腔12的外侧半径R2与内侧半径R1的差值D小于40μm，即D＜40μm。微环芯中间部11呈圆盘状，圆盘状的微环芯中间部11的厚度小于10μm，微环芯腔12用于产生光孤子。

本发明实施例提供的微环芯器件中，微环芯腔的外侧半径与内侧半径的差值小于40μm，微环芯腔的厚度比较小，可以用于产生光孤子。由于微环芯腔为形成在微环芯中间部周围的部件，微环芯腔的厚度与微环芯中间部高度相关，为适配微环芯腔的厚度，本发明实施例还设置微环芯中间部的厚度小于10μm。本发明实施例提供的微环芯器件与微盘腔相比至少具有如下优点：微盘腔的表面比较粗糙，Q值(Q值是微腔的品质因子，Q值越高，代表微腔做的越光滑，光在里面的耗散越小)低，而要达到较高的Q值需要经过复杂的技术处理来使其表面光滑，微盘腔的处理技术例如刻蚀、清洗等表面处理技术。这些技术比较繁琐和复杂。微环芯腔可以由微盘腔激光烧融形成，激光烧融形成的微环芯腔的表面比较光滑，Q值高。需要说明的是，现有技术中也存在微环芯腔，但是现有技术中的微环芯腔的厚度比较大，光的模式数量较多，多种模式的光相互干扰，形成模式极化，因此不利于光孤子的产生。现有技术中的微环芯腔一般用于增强光与材料的相互作用，提高光的功率密度，而不易产生光孤子。面对一个大厚度用于功率放大的微环芯腔，研究人员通过改变微环芯腔的厚度达到了一个意想不到的技术效果，即首次在微环芯腔中产生了光孤子。本发明实施例提供的微环芯器件，基于回音壁模式光学微腔产生的光孤子可以基于微环芯腔的三阶非线性效应，所以并不需要额外的饱和吸收体，同时体积小，阈值低，并且结构紧凑，便于集成。

可选地，参考图1和图2，微环芯器件30还包括基底20，基底20用于承载微环芯10。基底20的材料为硅，微环芯10的材料为二氧化硅。微环芯10例如可以通过氧化基底20中的硅为二氧化硅来形成。微环芯10集成于硅基底上，微环芯器件可以为硅集成器件。在其他实施方式中，微环芯器件可以为其他例如的集成器件，例如锗集成器件。

本发明实施例还提供一种光孤子产生系统，包括上述实施例中的微环芯器件。图3为本发明实施例提供的一种光孤子产生系统的结构示意图，参考图1、图2和图3，光孤子产生系统包括微环芯器件30。光孤子产生系统还包括激光源，激光源出射的光注入到微环芯器件30的微环芯腔12中产生光孤子。激光源可以为半导体激光器、光纤激光器或者钛宝石激光器等。

可选地，参考图3，激光源包括泵浦激光器41和辅助激光器51，泵浦激光器41出射泵浦光，辅助激光器51出射辅助光，用于抑制微环芯器件30中微环芯腔12在泵浦光作用下的热效应。微环芯腔12中光孤子的产生需要泵浦光泵浦在红移区。当泵浦光注入到微环芯腔12中时，微环芯腔12会吸热，产生极强的热效应。对于热光系数很大的二氧化硅材料而言，微环芯腔12在泵浦光作用下的热效应更为严重。本发明实施例中，通过设置辅助激光器51抑制微环芯腔12的热效应，即利用双泵浦技术来抑制微环芯腔12的热效应，从而有利于泵浦光泵浦到微环芯腔12的红移区，有利于在微环芯腔12中产生光孤子。

图4为图3中所示微环芯器件和光纤锥的结构示意图，参考图3和图4，光孤子产生系统还可以包括光纤锥61，光纤锥61与微环芯器件30中微环芯腔12的距离比较近，从而光能量可以在光纤锥61与微环芯腔12之间相互耦合。泵浦激光器41出射的泵浦光可以通过光纤锥61注入到微环芯腔12中，辅助激光器51出射的辅助光可以通过光纤锥61注入到微环芯腔12中。在其他实施方式中，还可以使用自由光耦合的方式将泵浦光以及辅助光注入到微环芯腔12中，本发明实施例对此不作限定。

可选地，参考图3，光孤子产生系统还包括第一光纤放大器42、第一偏振控制器44、第二光纤放大器52和第二偏振控制器54。第一光纤放大器42位于泵浦激光器41的出光方向上，第一光纤放大器42的光输入端与泵浦激光器41光路连接，用于放大泵浦光。第一偏振控制器44的光输入端与第一光纤放大器42的光输出端光路连接，用于调整泵浦光的偏振态。第一偏振控制器44的光输出端出射的泵浦光注入到微环芯器件30的微环芯腔12中。第二光纤放大器52位于辅助激光器51的出光方向上，第二光纤放大器52的光输入端与辅助激光器51光路连接，用于放大辅助光。第二偏振控制器54的光输入端与第二光纤放大器52的光输出端光路连接，用于调整辅助光的偏振态。第二偏振控制器54的光输出端出射的辅助光注入到微环芯器件30的微环芯腔12中。本发明各实施例中的“光路连接”例如可以为光纤连接，或者自由空间光照射产生的光路连通。

可选地，参考图3，光孤子产生系统还包括第一滤波器45和第二滤波器55。第一滤波器45的光输入端与第一偏振控制器44的光输出端光路连接，第一滤波器45的光输出端出射的泵浦光注入到微环芯器件30的微环芯腔12中，第一滤波器45用于过滤第一光纤放大器42导致的噪声。第二滤波器55的光输入端与第二偏振控制器54的光输出端光路连接，第二滤波器55的光输出端出射的辅助光注入到微环芯器件30的微环芯腔12中，第二滤波器55用于过滤第二光纤放大器52导致的噪声。

可选地，参考图3，光孤子产生系统还包括第一衰减器43和第二衰减器53。第一衰减器43的光输入端与第一光纤放大器42的光输出端光路连接，第一衰减器43的光输出端与第一偏振控制器44的光输入端光路连接。第二衰减器53的光输入端与第二光纤放大器52的光输出端光路连接，第二衰减器53的光输出端与第二偏振控制器54的光输入端光路连接。第一衰减器43和第二衰减器53为光能量的控制器件，有利于在产生光孤子的过程中对泵浦光和辅助光的光能量的大小进行控制。

可选地，参考图3，光孤子产生系统还包括第一环路器46和第二环路器56。第一环路器46包括第一端461、第二端462和第三端463，第一端461与泵浦激光器41光路连接。泵浦激光器41出射的泵浦光由第一端461进入第一环路器46，并由第二端462注入到微环芯器件30的微环芯腔12中。示例性地，第一端461可以通过第一光纤放大器42、第一衰减器43、第一偏振控制器44以及第一滤波器45与泵浦激光器41光路连接。第二环路器56包括第四端561、第五端562和第六端563，第四端561与辅助激光器51光路连接，辅助激光器51出射的辅助光由第四端561进入第二环路器56，并由第五端562注入到微环芯器件30的微环芯腔12中。示例性地，第四端561可以通过第二光纤放大器52、第二衰减器53、第二偏振控制器54以及第二滤波器55与辅助激光器51光路连接。第一环路器46的第二端462与第二环路器56的第五端562可以与同一光纤锥61光路连接，且泵浦激光器41出射的泵浦光与辅助激光器51出射的辅助光分别从光纤锥61的相对两端注入到到微环芯器件30的微环芯腔12中，避免了泵浦光与辅助光之间的相互干扰。

泵浦激光器41出射的泵浦光，经过第一环路器46的第一端461、第二端462后，经由光纤锥61，泵浦光在光纤锥61中传播时，被注入到微环芯器件30中微环芯腔12中，并产生光孤子，产生的光孤子经光纤锥61、第五端562后，由第六端563出射。

可选地，参考图3，光孤子产生系统还包括氮气盒62，氮气盒62的容纳腔内包括氮气，微环芯器件30位于氮气盒62的容纳腔内。由氮气盒62内的氮气对微环芯器件30进行保护，提供一个氮气环境，防止干扰。

图5为本发明实施例提供的另一种光孤子产生系统的结构示意图，参考图5，光孤子产生系统还包括第一耦合器71、第一功率计72、光纤锥61和示波器73。第一耦合器71的光输入端与泵浦激光器41光路连接。示例性地，第一耦合器71的光输入端可以通过第一光纤放大器42、第一衰减器43、第一偏振控制器44以及第一滤波器45与泵浦激光器41光路连接。第一耦合器71的第一光输出端与第一功率计72光路连接，第一耦合器71的第二光输出端与第一端461光路连接，第二端462与光纤锥61光路连接，并通过光纤锥61将泵浦光注入到微环芯器件30的微环芯腔12中，第三端463与示波器73光路连接。光孤子产生系统还包括第二耦合器74、第二功率计75、第三耦合器76和光谱仪77。第二耦合器74的光输入端与辅助激光器51光路连接。示例性地，第二耦合器74的光输入端第二光纤放大器52、第二衰减器53、第二偏振控制器54以及第二滤波器55与辅助激光器51光路连接。第二耦合器74的第一光输出端与第二功率计75光路连接，第二耦合器74的第二光输出端与第四端561光路连接，第五端562与光纤锥61光路连接，并通过光纤锥61将辅助光注入到微环芯器件30的微环芯腔12中，第六端563与第三耦合器76的光输入端光路连接，第三耦合器76的第一光输出端与光谱仪77光路连接，第三耦合器76的第二光输出端与示波器73光路连接。

可选地，参考图5，光孤子产生系统还可以包括与示波器73连接的第一探测器PD1和第二探测器PD2。第一探测器PD1和第二探测器PD2可以将探测到的光信号转变为电信号，并将电信号传递给示波器73。本发明各实施例中与示波器73的光路连接指的是，和与示波器73电连接的光电探测器件的光路连接。其中，辅助激光器51出射的辅助光，经过第二环路器56的第四端561、第五端562后，经由光纤锥61传播到第一环路器46的第二端462，并由第一环路器46的第三端463出射到第一探测器PD1，被第一探测器PD1探测。泵浦激光器41出射的泵浦光，经过第一环路器46的第一端461、第二端462后，经由光纤锥61传播到第二环路器56的第五端562，并由第二环路器56的第六端563出射到第二探测器PD2，被第二探测器PD2探测。

图6为采用图5所示光孤子产生系统探测到的泵浦光和辅助光的透过率随时间的变化曲线图，图7为泵浦光波长锁定在蓝移区时的光谱图，图8为泵浦光波长锁定在红移区时的光谱图，参考图6、图7和图8，实验中我们选择的辅助光的腔模中心波长为1554.64nm，泵浦光的腔模中心波长为1558.3nm，微环芯10的材料为二氧化硅，环状的微环芯腔12的外侧半径R2为195μm，环状的所述微环芯腔的外侧半径与内侧半径的差值为23μm，微环芯中间部11的厚度为8μm。透射谱中虚线左侧示意泵浦腔模(即泵浦光在微环芯腔12中的模式)蓝移区，虚线右侧示意泵浦腔模红移区。当泵浦光位于泵浦腔模蓝移区时，此时出现的光谱为混沌光谱，梳齿相位不相干，如图7所示。当泵浦光位于泵浦腔模的红移区时，此时光孤子产生，光谱的形状为sech²形态，如图8所示，梳齿之间相位相干。从图6中我们也可以看出泵浦光位于泵浦腔模的蓝移区时，此时噪声很大，位于泵浦腔模的红移区时噪声很小，符合混沌光梳和光孤子的特性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。