用于调节光波的偏振的偏振改变装置和方法与流程

本发明的实施例涉及偏振改变装置、偏振控制装置、偏振传感器、电光芯片、用于调节光波的偏振的方法以及用于感测光波的偏振方向的变化的方法。因此，本发明涉及光子学和光通信领域。

背景技术：

1、光子学被视为光通信和数据处理的关键使能技术。光子学基于光子和光作为信息载体，而不是传统使用的电流和电子电路，旨在为数据通信和数据处理以及计算应用提供技术。这种技术需要以高灵敏度的方式控制、切换和/或感测光波的参数。此外，将光子学用于这样的应用将通过用于建立所需光网络的装置的小型化而变得容易，特别是用于控制和切换用于携带和处理信息的光波的特性的装置。所述小型化的目标是将这种装置集成在芯片中，即集成电路，类似于传统的电子芯片和集成电路。要控制或切换的光波的一个参数可以是所述光波的偏振。

技术实现思路

1、因此，本发明的技术问题是提供用于以高度灵敏的方式控制、切换和/或感测光波的偏振的装置和方法。

2、这个问题通过具有在各个独立权利要求中指定的特征的装置和方法来解决。从属权利要求和说明书中指定优选实施例。

3、本发明的一个实施例涉及一种偏振改变装置，包括具有处于谐振波长和线宽的谐振模式的谐振器腔。谐振器构造成不呈现与强度无关的双折射或呈现与强度无关的双折射，与强度无关的双折射对限制在谐振器中的光波的影响小于谐振模式的线宽。谐振器还构造成呈现克尔非线性，克尔非线性适于由于对称性破坏而针对限制在谐振器腔中的光强度超过阈值强度的光波产生额外的偏振分量，其中额外的偏振分量的偏振方向与耦合至谐振器腔中的光波的初始偏振分量正交。

4、本发明的另一实施例涉及一种用于提供具有特定偏振的光波的偏振控制装置。偏振控制装置包括根据实施例的偏振改变装置，以及用于调节耦合到偏振改变装置中的光波的强度和/或中心波长的输入调节元件，其中输入调节元件构造为通过调节耦合到谐振器腔中的光波的功率和/或中心波长来控制光波耦合出谐振器腔的部分的偏振。

5、本发明的又一实施例涉及一种用于感测光波的偏振方向的变化的偏振传感器。偏振传感器包括根据实施例的偏振改变装置。偏振传感器还包括光源，用于将线性偏振的光波耦合到偏振改变装置中，使得限制在偏振改变装置的谐振器腔中的光波的强度超过克尔非线性的阈值强度，以及偏振分析器，用于分析光波耦合出偏振改变装置的部分的偏振，并且基于耦合出谐振器腔的光波的偏振的测量的变化，确定耦合到偏振改变装置的谐振器腔中或者限制在偏振改变装置的谐振器腔内的光波的偏振变化。

6、本发明的又一实施例涉及一种电光芯片，电光芯片包括根据实施例的偏振改变装置和/或偏振控制装置和/或偏振传感器。电光芯片可以可选地是小型化芯片。

7、本发明的又一实施例涉及一种用于调节具有线性偏振的光波的偏振的方法。方法包括将光波耦合至谐振器腔中，谐振器腔具有处于谐振波长和线宽的谐振模式，其中谐振器腔不呈现与强度无关的双折射或呈现与强度无关的双折射，与强度无关的双折射对限制在谐振器中的光波的影响小于谐振的线宽。方法还包括增加限制在谐振器腔中的光波的强度，以超过谐振器腔的克尔非线性的阈值强度，从而由于对称性破坏而针对限制在谐振器腔中的连续光波产生额外的偏振分量，其中额外的偏振分量的偏振方向与耦合至谐振器腔中的光波的初始偏振分量正交。

8、本发明的又一实施例涉及一种用于调节具有中心波长和线性偏振的光波的偏振的方法。方法包括将光波耦合至具有处于谐振波长和线宽的谐振的谐振器腔中，其中谐振器腔不呈现与强度无关的双折射或呈现与强度无关的双折射，与强度无关的双折射对限制在谐振器中的光波的影响小于谐振的线宽。方法还包括提供限制在谐振器腔中的光波的强度，以超过谐振器腔的克尔非线性的阈值强度，从而由于对称性破坏而产生额外的偏振分量，其中额外的偏振分量的偏振方向与耦合至谐振器腔中的光波的初始偏振分量正交。方法还包括调节耦合至谐振器腔中的光波的中心波长，以便与由于对称性破坏而分开的几个不同谐振波长中的一个重叠。

9、本发明的又一实施例涉及一种用于感测光波的偏振方向的变化的方法。方法包括提供具有处于谐振波长和线宽的谐振的谐振器腔，其中谐振器腔不呈现与强度无关的双折射或呈现与强度无关的双折射，与强度无关的双折射对限制在谐振器中的光波的影响小于谐振的线宽。方法还包括将光波耦合至谐振器腔中，使得光波以超过导致对称性破坏的克尔非线性的阈值强度的强度被限制在谐振器腔中。方法还包括测量光波耦合出谐振器腔的部分的偏振，并基于耦合出谐振器腔的光波的偏振的测量的变化，确定耦合至谐振器腔中或限制在谐振器腔内的光波的偏振变化。

10、光波是一种电磁辐射波，也称为光学波。光波和光学波这两个术语在这篇手稿中被当作同义词使用。光波可以具有可见的和/或不可见的光谱成分。例如，光波可以具有在红外、可见或紫外光谱区中的中心波长。例如，光波可以具有1.55μm的中心波长。光波包括相干光或由相干光组成，其中相干长度比根据实施例的偏振改变装置中的光波的光路更长。光波可选地提供为激光辐射，可选地提供为连续激光波。

11、谐振器的谐振模式是满足用于限制在具有特定波长的谐振器中的光波的谐振条件的模式。谐振模式的线宽对应于满足谐振条件的光谱宽度。谐振导致光学波在谐振器腔内建立驻波。

12、没有与强度无关的双折射的谐振器腔意指限制在谐振器腔中的光学波在谐振器腔中不经历与光波的强度无关的任何双折射。换句话说，对于限制在谐振器腔中的光波的所有偏振方向，谐振器腔的线性折射率均是相同的。谐振器腔可以构造成自然地不呈现与强度无关的双折射，或者可以包括用于消除谐振器腔的与强度无关的双折射的其他可能出现的额外手段。可替代地，允许的与强度无关的双折射水平小于谐振模式的线宽，这意指任何可能剩余的与强度无关的折射足够小，而不会显著影响限制在谐振器腔中的光波的谐振条件。特别地，可能剩余的与强度无关的双折射被限制在不会驱使受限光波相对于谐振器腔的谐振波长脱离谐振的值。

13、具有克尔非线性的谐振器腔意指谐振器腔呈现与强度相关的双折射，其中与强度相关的双折射对于超过阈值强度的受限光学波表现出显著的影响。换句话说，克尔非线性提供了这样的效应，即对于超过阈值强度的光学波的强度，谐振器腔呈现出双折射，即取决于光学波的偏振方向并且取决于强度的折射率。克尔非线性可以提供为形成谐振器的光纤或波导的材料属性。例如，具有中心对称晶体结构和高三阶磁化率的材料可能适合于提供克尔非线性。用于谐振器腔和/或光纤或波导的合适材料通常可以是：熔融石英、氮化硅、氮化铝、氟化钙和氟化镁。当光波的强度超过克尔非线性的阈值强度时，克尔非线性影响光波的偏振。常见材料中阈值强度的典型值在一定范围中，该范围可以在输入功率在1μw到100mw的范围内的高q谐振器中实现。

14、对称性破坏意指谐振器腔的谐振关于受限光学波的偏振方向的对称性被取消。换句话说，尽管对于低于阈值强度的强度，谐振器腔的一些或所有谐振模式关于它们的偏振简并，即，对于不同的偏振方向，谐振模式关于它们的谐振波长相同，但是当受限光波的强度超过阈值强度时，对于不同的偏振方向，谐振模式不同。特别地，当受限光学波的强度超过克尔非线性的阈值强度时，对于不同的偏振方向，谐振模式在谐振波长或谐振频率方面可能不同。

15、初始偏振分量与耦合到谐振器腔中的光波的偏振分量有关。初始偏振分量被描述为单个分量，尽管偏振分量可以被描述为包括几个分量。初始偏振分量可以是预定偏振方向的线性偏振。

16、偏振控制装置是用于以受控方式保持或改变光学波的偏振的装置。偏振控制装置能够改变偏振方向和/或将线性偏振转换成椭圆偏振和/或圆偏振和/或改变椭圆偏振或圆偏振的旋向性。偏振传感器是用于感测光学波的偏振和/或光学波的偏振变化的装置。

17、本发明提供的优点在于，它允许以高灵敏度的方式测量光学波的偏振变化，这反过来允许提供具有高灵敏度的偏振传感器。此外，用于测量偏振的高灵敏度允许以高灵敏度的方式测量其他物理参数，这些物理参数对测量的光学波的偏振方向具有直接或间接的影响。例如，相应的传感器可以具有致动器元件，致动器元件将待确定的物理参数(例如电场和/或磁场)转换为光学波的偏振变化，然后可以以高灵敏度的方式确定该物理参数。

18、此外，本发明提供的优点在于，可以以紧凑和小的构造来提供实施例，从而允许实施例的小型化。这反过来使得能够在光子电路中使用这些装置，并因此在这种光子电路中提供感测和/或控制光学波的偏振的选择。此外，实施例可以允许这种高度的小型化，以将偏振传感器和/或控制器集成在片上装置中，例如光子集成电路，并且因此可以有利于光通信和光逻辑装置。

19、本发明还提供的优点是，它可以应用于具有中等功率和中等强度的光学波，和/或可以使用具有中等功率和中等强度的光学波来实现实施例。谐振器腔的使用允许达到限制在允许利用非线性光学效应(例如克尔效应)的谐振器腔内的光学波的强度和功率，尽管耦合到谐振器腔中的光学波仅具有中等功率和强度。因此，即使对于具有中等功率的连续光学波，本发明也可以允许利用非线性光学效应，例如克尔效应。因此，本发明为具有中等强度的光学波(例如连续波)的偏振的测量和/或控制提供了非线性增强。

20、根据可选实施例，谐振器腔呈现至少两种简并偏振谐振模式，至少两种简并偏振谐振模式在低于阈值强度的强度下共享相同的谐振波长，并且它们的偏振方向或偏振旋向性不同。换句话说，对于低于阈值强度的光学波的强度，用于不同偏振方向或偏振旋向性的几个谐振模式简并。

21、这些简并偏振谐振模式在限制在谐振器腔中的光波的强度超过克尔非线性的阈值强度时分开。当分开时，用于不同偏振方向或旋向性的谐振模式的谐振波长可能不同。因此，在阈值强度以上，共享相同光学频率但偏振方向或旋向性不同的两个或更多个光学波将经历不同的谐振条件，其中具有第一偏振方向或旋向性的光学波或分量将比具有第二偏振方向或旋向性但波长相同的光学波或分量更接近谐振器腔的谐振条件。这种效应的出现是由于克尔非线性为偏振方向或旋向性不同的光学波或分量提供不同的折射率。因此，这提供了这样的优点，即可以通过调节限制在谐振器中的光学波的强度来提供偏振方向和/或旋向性的选择性。此外，这提供了这样的优点，即通过将限制在谐振器腔中的光学波的强度或功率增加到超过阈值强度，可以相对于耦合至谐振器腔中的光学波改变或切换谐振器腔中以及耦合出谐振器腔的光波的偏振方向或旋向性。

22、根据可选实施例，谐振器腔还包括至少两个高反射镜。这允许有效地将光学波限制在谐振器腔中，以达到高功率和强度，即使对于仅具有中等功率和强度的耦合至谐振器腔中的光学波。因此，这允许通过仅具有中等功率和强度的光学波(例如连续波)来利用克尔非线性。可选地，谐振器腔具有至少100的精细度。例如，谐振器腔可以是法布里-珀罗谐振器腔。谐振器腔可以被提供为包括非线性克尔介质的自由空间腔。

23、根据可选实施例，谐振器腔适合作为光纤腔或波导腔。这提供了这样的优点，即谐振器腔和偏振改变装置可以以紧凑和稳定的方式进行适配。这有利于偏振改变装置的小型化，并且可以减少外部影响对偏振改变装置的稳定性和功能的影响。此外，这种实施方式可以允许将偏振改变装置集成在纤维光学系统中。此外，这允许将呈现克尔非线性的谐振器腔提供为材料选择。

24、根据可选实施例，谐振器腔包括作为腔镜的两个光纤布拉格镜。这种镜提供的优点是，可以实现谐振器腔的高反射率，从而实现谐振器腔的高精细度。可选地，谐振器腔具有至少100的精细度。此外，光纤布拉格光栅提供的优点是，它们可以集成在光纤腔的光纤中，因此，谐振器腔和可选地整个偏振改变装置可以集成在单根光纤中。

25、根据可选实施例，谐振器腔包括光纤偏振控制器，用于减少或消除谐振器腔的任何与强度无关的双折射。这种光纤偏振控制器允许关于谐振器腔的与强度无关的双折射的不存在或受限有效且高效地调节谐振器腔的与强度无关的偏振守恒，从而有效且高效地满足标准。因此，光纤偏振控制器可以确保在谐振器腔中发生的唯一的双折射或偏振改变效应基本上源于与强度相关的克尔非线性。偏振控制器可以构造成以受控方式弯曲谐振器腔的光纤，以便最小化谐振器腔的与强度无关的双折射。

26、根据可选实施例，谐振器腔是或者包括微谐振器。该实施例提供的优点是，可以提供高度紧凑和稳定的谐振器腔。此外，该实施例提供的优点是，有利于谐振器腔以及可选地整个偏振改变装置的小型化。因此，可选地，偏振改变装置集成在芯片中。集成在芯片中的偏振改变装置可以例如通过由对电光效应或法拉第效应敏感的材料制成的芯片的一部分来提供。

27、根据可选实施例，偏振控制装置还包括光源，其中输入调节元件构造为控制光源，用于调节耦合至偏振改变装置中的光波的强度和/或中心波长。这允许调节限制在谐振器腔中的光学波的强度或功率，以选择性地超过或不超过克尔非线性的阈值强度。因此，通过产生额外的偏振分量而改变耦合至谐振器腔中并限制在谐振器腔中的光学波的偏振，可以通过调节由光源提供的光学波的强度或功率来控制。这提供了改变或控制特别是在光子电路中的光学波的偏振方向或旋向性的选择。特别地，当使用二极管激光器或任何其他电泵浦的激光源时，由光源发射的光学波的强度以及因此耦合出谐振器腔的光学波的偏振可以通过改变施加到光源的电流和/或电压来调节，这因此允许通过改变和控制电流或电压来控制偏振。根据偏振控制装置的可选实施例，光源适于发射连续光波。这允许提供用于耦合至谐振器腔中的连续光学波。

28、本领域技术人员应该理解，上述特征和以下描述和附图中的特征不仅公开在明确公开的实施例和组合中，而且本发明的公开内容还包括其他技术上可行的组合以及独立的特征。在下文中，参照附图描述了本发明的几个优选实施例和本发明的具体示例，用于说明本发明，而不是将本发明限制于所描述的实施例。

29、在下文中，提供了关于对称性破坏、自发对称性破坏和克尔非线性的背景信息。

30、自发对称性破坏(ssb)是基础物理学中的重要概念，例如通过希格斯机制解释玻色子质量的起源、超导电性和物质的相位。ssb的特征在于系统的拉格朗日和初始状态是对称的(在某种变换下是不变的)，但是系统演化到的最低能量状态不共享这种对称性。

31、一些非线性光学相互作用也呈现出ssb，如脉冲泵浦环形腔中的时间反转对称性破坏；光孤子之间的时间反转对称性破坏：以及微谐振器的反向传播模式之间的时间反转对称性破坏。

32、根据本发明的一些实施例，使用了在没有双折射的光纤腔的线性偏振输入光的交叉圆偏振分量之间的新形式的ssb。在不超过克尔非线性的阈值强度的低功率下，系统保持其对称性，使得谐振器腔场的偏振与输入的光波的偏振相匹配。然而，在阈值功率或强度以上，非线性克尔效应，也称为克尔非线性，导致不稳定性，使得腔偏振形成旋向性，尽管输入没有旋向性。

33、这些偏振相互作用在数学上类似于反向传播光之间的偏振相互作用，因此这种效应可以类似地用于信息的全光学处理和存储(例如参见出版物德尔比诺(del bino)等人：非线性谐振器中反向传播光的对称性破坏，科学报告7，1–6，doi:10.1038/srep43142(2017).1607.01194；和希尔(hill)等人：自相位调制和交叉相位调制对环形谐振器中光的自发对称性破坏的影响。物理评论a 101，13823，doi:10.1103/physreva.101.013823(2020))。