CN109791341B - 非互易性光传播***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学谐振器***，包括光学谐振器(30)和用于以在第一波和第二波之间产生非线性相互作用的总强度从而破坏对称性地将反向传播波耦合到谐振器中的装置(32、42、44)，在第一和波第二反向传播波之间建立不同的谐振频率，从而在相反方向上产生不同的光学效应。共同的光源，例如激光器(32)，与放大器(40)和调制器(50)一起使用，或者可以采用不同的光源。

Description

非互易性光传播***和方法
本发明涉及光学谐振器***和方法，并且更具体地，涉及具有非线性光学谐振器中的反向传播光波的对称性破坏的***和方法。
论文：A.E.Kaplan,P.Meystre,Enhancement of the Sagnac effect due tononlinearly induced nonreciprocity(由于非线性引起的非互易性而增强Sagnac效应)，Optics Letters，6,590-2(1981)，公开了一种非线性环形干涉仪，其中反向传播波的非线性引起的非互易性是由非线性介质中的折射率光栅的形成导致的。
US 2003/0123780 A1公开了在集成环形谐振器中实现克尔效应，其中波在相反方向上传播。在一个方向上行进的光调制在另一方向上的功率。所使用的功率不足以产生对称性破坏并且没有差分谐振偏移。
许多现有技术文献公开了不是谐振器的光学环路布置，例如WO00/54080A、WO2010/025258A1、JP H08334800A、US 5677767A和EP3046191A1。
本发明的各方面寻求提供一种用光控制光的有效方式。
根据本发明的第一方面，提供了一种谐振器***，包括：光学环路谐振器，所述光学环路谐振器由具有非互易性光学非线性材料制成，使得反向传播光的存在引起比相同强度的同向传播光更强的谐振频率变化；装置，用于将来自至少一个光源的第一光波和第二光波在相反方向上以使得在第一和第二反向传播波之间产生非线性相互作用的总强度引入到谐振器中，从而为两个不同的光传播方向建立不同的谐振频率。
光波由一个或多个激光器产生。
优选地，第一和第二反向传播波具有相应的谐振频率，所述谐振频率之间的差异与第一和第二光波的频率之间的差异(如果有的话)不同。
在本发明的实施方式中，对称性破坏对应于谐振频率***，所述谐振频率***允许两个反向传播(但在其他方面相同)光波中的仅一个在谐振器中循环。等效地，对称性破坏可以被视为驻波的坍缩并且转变为谐振器内的行波。所产生的效应具有允许广泛的实际应用的优点。
非线性相互作用优选地通过克尔效应产生。可替代地，它可以通过另一非线性效应产生，诸如布里渊散射或拉曼散射，其将允许使用环形或线性谐振器。可替代地，非线性效应可以通过其他破坏反向传播光波之间对称性的光学非线性产生。
优选地，所述谐振器包括环形谐振器，并且波以顺时针和逆时针方向耦合到谐振器中。术语“环形”并不意味着谐振器需是圆形的。本发明的优选实施方式的优点是谐振器是单片的，并且不需要镜子。
该***优选地包括用于将顺时针传播波引入到谐振器中的第一臂和用于将逆时针传播波引入到谐振器中的第二臂。臂可以由共同的激光源馈送。这具有提供紧凑、可控的设备的优点。
可替代地，臂可以由在谐振器中的谐振的相同或不同频率下操作的不同光源馈送。
对于共同的源，臂中的一个优选地包括衰减和/或调制装置，例如，Mach-Zehnder调制器。这允许调制光功率(即强度)的比率和/或馈送到各个臂的频率。
每个臂优选地包括连接到相应测量装置的相应分光装置。分光装置将来自谐振器的光分离，并能够例如使用光电二极管测量谐振器的顺时针和/或逆时针谐振器功率。可替代地，或者另外，可以测量顺时针和逆时针频率或相位。
根据本发明的第二方面，提供了一种在由具有非互易性光学非线性材料制成的光学环路谐振器在相反方向上产生不同光学效应的方法，包括在相反方向上将第一和第二光波从至少一个光源引入到谐振器中，以使得在第一和第二波之间产生非线性相互作用的总强度，从而在第一和第二反向传播波之间建立不同的谐振频率。
根据本发明的第三方面，提供了一种在静态光学谐振器中调整反向传播的波之间的相对功率的方法，包括：将基本相同的波在相反方向上以在所述波之间发生非线性相互作用的总强度耦合到谐振器中，其中谐振器受到外部效应的作用，所述外部效应对所述两个波的效应有差异并且检测所述差异。
非线性相互作用优选地涉及克尔效应。
优选地，谐振器是环形谐振器，并且波以顺时针方向和逆时针方向耦合到谐振器中。
波可以以不同的功率和/或频率和/或偏振和/或耦合位置耦合到谐振器中。这使得能够产生作为光学触发器、二进制存储器单元、功率比较器、可开关环形器或隔离器的设备。
可替代地，可以将基本相同的波耦合到谐振器中，并且谐振器受到对两个波的效应有差异的外部效应的作用，并且检测到所述差异。可以测量检测到的差异。这使得能够产生作为旋转传感器、接近度传感器(proximity sensor)、粒子传感器或折射率传感器的设备。
谐振***可以用作Sagnac效应传感器。所述谐振器可以相对于所述谐振***的其他部件旋转，或者实质上整个***可以被配置成旋转。
根据本发明的第四方面，提供了一种在光学谐振器中调整反向传播的波之间相对功率的方法，所述光学谐振器具有使得在波之间发生非线性相互作用的总强度，所述方法包括借助于非线性光学效应或光学增益在谐振器自身内生成反向传播波中的至少一个的步骤。
本发明的实施方式提供了一种操作具有腔线宽的光学谐振器的方法，并且所述包括将第一和第二光波在相反方向上使得在所述波之间产生非线性相互作用的总强度引入到谐振器中，并且将波调谐成谐振，该谐振将一个方向上的谐振频率与另一方向上的谐振频率分离超过腔线宽。
如果光学谐振器材料在所需波长下是透明的，则波可以处于红外、可见或紫外区域。应相应地解释术语“光”。
现在将参考随附附图，仅通过示例的方式描述本发明的优选实施方式，在附图中：
图1示出了非线性克尔介质中的反向传播光束之间的相互作用；
图2示出了在低功率下的双向泵浦；
图3和图4示出了在较高功率下的双向泵浦；
图5示出了随着功率增加而***的谐振频率；
图6示出了根据本发明的谐振器***的实施方式；
图7和8示出了谐振器***的两种可能的状况；
图9示出了用谐振器***可获得的滞后效应；
图10a和图10b示出了对于一系列不同的总入射功率值放大功率不平衡的实际和理论结果；
图11示出了最大耦合功率差相对于总入射功率的对应曲线；
图12a和图12b示出了耦合功率相对于激光频率偏移的理论曲线和实际曲线；
图13示出了根据本发明的第二实施方式的谐振器***；
图14示出了根据本发明的第三实施方式的谐振器***；
图15a示出了根据本发明的第四实施方式的谐振器***；
图15b是与图15a有关的频率图；以及
图16是有益于解释本发明实施方式的各种实际应用的图。
图1中显示了在非线性克尔介质10中具有功率PA和PB的反向传播光波之间的非线性相互作用，其示出了在没有谐振器的情况下在反向传播光之间由克尔非线性介导的相互作用的原理。两个具有相同频率的反向传播但空间重叠的光波将根据它们的功率(PA、PB)经历不同的有效折射率变化Δn。具有较低光学功率(PB)的光波经历更强的折射率增加，这导致更短的波长。因此，在两个光波的功率不平衡的情况下，在非线性克尔介质外具有相等波长的两个反向传播光波在介质内具有不同的波长。这可以通过两个光波之间的交叉相位调制来解释，其中较弱的光波经历更强的折射率变化。更具体地，由非线性相互作用引起的折射率变化Δ的由下式给出：
Figure GDA0003904292210000051
下标A、B表明具有功率PA和PB的两个反向传播波，n2是介质的非线性折射率，并且Aeff是有效模式横截面。重要的是要注意，与自相位调制引起的折射率变化相比，反向传播光波的存在引起两倍更强的折射率变化。因此，考虑到所采用的功率，在反向传播波的情况下，克尔效应有效地加倍，与US 2003/0123780A1中采用的正常克尔效应形成对比。
在具有χ(3)非线性的光学谐振器的情况下，折射率变化的差异导致由反向传播模式经历的两个不同光程长度。这反映在顺时针(clockwise，CW)和逆时针(counterclockwise，CCW)模式的谐振频率的***中，如图3和4所示。当在CW和CCW两个方向上同时以相同功率泵浦时，这种谐振器20表现出对称性破坏。这可以如下地解释。为了使谐振器稳定地热锁定到泵浦光，其假设两个方向具有相同的频率，光必须从谐振的中心蓝失谐。在这种情况下，如果更多的功率恰好在CW方向上耦合，则CCW谐振在频率上向下偏移(远离泵浦)超过CW谐振，进一步增加耦合功率之间的差异并导致模式***的自放大。
本发明的实施方式中的谐振器优选具有χ(3)非线性，其中非线性折射率n2>0.8×10-20m2/W。
图2示出了在低功率下的回音壁模式谐振器20的双向泵浦，生成驻波。对于低和相等的泵浦功率(如图2所示)，不会引起***，并且CW和CCW循环功率保持为相等。然而，在某个阈值泵浦功率之上，具有相等耦合功率的状态变得不稳定，并且***反而坍缩成图3和图4中所示的两种状态中的一种，破坏了CW-CCW对称性。图2至4中的线22表明泵浦激光器的频率。
图5显示了随着功率增加而***的谐振频率。对于小循环功率两个方向的频率相同。在阈值功率之上，对称性破坏，导致两个方向的不同频率偏移，并且一个耦合到谐振器中比另一个更多。谐振频率***将与US2003/0123780A1中公开的谐振频率偏移区分开。
在数量上，被耦合到回音壁谐振器的顺时针和逆时针循环模式的光学功率通过以下耦合方程给出：
Figure GDA0003904292210000061
Figure GDA0003904292210000062
这里，Pin,CW和Pin,CCW是入射泵浦功率，δ是激光频率相对于没有克尔偏移的谐振频率的失谐，γ是谐振的加载半线宽，等于内在和耦合引起的半线宽的和γ0+κ，并且η＝4κγ0/γ2是耦合效率。量P0＝πn0Aeff/(QF0n2)是发生非线性效应的耦合功率。这里，n0和n2是谐振器的线性和非线性折射率，Aeff是模式的有效横截面积，Q是加载品质因数，而F0是内在精细度。重要的是，方程(2、3)显示，与反向传播光波的非线性相互作用的强度是自相位调制引起的相互作用的两倍。这可以从方程(2)中的项PCW+2PCCW中的两个因子中看出。此外，方程(2、3)的分析显示，对于Pin,CW＝Pin,CCW，当在δ/γ的范围上
Figure GDA0003904292210000071
时对称性破坏发生，δ/γ取决于ηPin,CW/P0的值，并且在阈值泵浦功率下，这个范围限于单个点
Figure GDA0003904292210000072
图6中示出了本发明的实施方式，其基于2.7mm直径的高Q的回音壁模式熔融石英微棒谐振器30。谐振器具有约7x107的品质因数Q0和约60μm2的有效模态横截面积Aeff。来自放大的连续波外腔二极管激光器32的在1.55μm波长范围内的光，经由掺铒光纤放大器40、环臂42、44和锥形光学光纤34在两个方向上耦合到谐振器中。光以谐振器30的腔模式中的一个谐振或几乎谐振。两个光学环形器36、38将来自微谐振器的光分离，并且能够使用两个光电二极管46和48来测量微谐振器的顺时针和逆时针谐振频率。可以在示波器52上显示和比较光电二极管46和48的输出。可以使用调幅器50来调节反向传播泵浦光之间的相对功率。光纤耦合Mach-Zehnder电光调制器允许调制泵浦功率Pin,CW与Pin,CCW的比率。
优选的品质因数在106以上并且优选地在106至109的范围内。优选的有效模态横截面积Aeff低于100μm2并且优选地在40至100μm2的范围内。
根据本发明的***在1微瓦至10瓦的范围内操作，优选地在1毫瓦至100毫瓦的范围内。
自发对称性破坏在图7和8中显示，其示出了通过锥形光纤34的传输与在具有完全相同的实验配置的两次连续扫描中采用的激光频率的对比，其中PiCW＝PiCCW并且ηPiCW/P0≈4。尽管在两个方向上具有相等的泵浦功率，但***自发地“选择”两种可能的配置中的一种。当垂直轴远离谐振器时，垂直轴线归一化为锥形的传输。
双稳态机制的特征是滞后，其在图9中示出。顺时针波CW由虚线表示，并且逆时针波CCW由实线表示。***图示表明两种状态下的功率流。在双稳态机制内维持激光频率恒定，Pin,CCW在5kHz下调制±25％。观察到的滞后可以通过两个稳定状态之间的谐振频率***来解释。为了克服谐振***并切换到另一个状态，最初较弱的泵浦方向必须显著增加到远高于反向传播光的功率的水平。这种滞后的存在很重要，因为它允许***用作全光学触发器或二进制存储器单元。而且，在稳定状态中的每个下的非互易性光传播可用于实现可切换的光学环形器或隔离器。
用于放大功率失衡的实际和理论结果显示在图10a和图10b中。图10a示出了耦合到谐振器中的用于增加入射功率的光的作为激光频率的函数的量。较高的功率导致顺时针和逆时针模式的***增加。入射功率在顺时针方向上高10％，以避免由相对功率的波动导致的切换。这里，在总泵浦功率Pin,T＝Pin,CW+Pin,CCW的谐振范围上对激光频率进行扫描，同时保持比率Pin,CCW/Pin,CW固定在0.9。对于低于非线性阈值的Pin,T，两个反向传播模式在扫过谐振时显示出相同的功率增加(图10a中的最低功率曲线)。进一步增加功率，交叉相位调制引起的克尔偏移的效应导致耦合功率之间的强度差异超过60％，尽管实际泵浦功率差异仅为10％。图10b中所示的理论结果使用与图10a中实际采用的相同的参数。频率的热偏移，与耦合功率之和成比例，并且为克尔偏移的大约70倍的强度，也包括在计算中。
最大耦合功率差对比总泵浦功率Pin,T的拟合，如图11所示，与测量的功率***非常一致。图11显示了作为总输入功率的函数的顺时针和逆时针耦合功率之间的最大差。圆点显示了实验测量结果，而曲线是0.9的泵浦功率比率的理论拟合。图10a和图10b中的曲线之间的小偏差可以归因于使用谐振频率的热偏移是立即的假设来对***建模，而实际上它发生在时间尺度的范围上。另外的误差可能源自模式横截面积或Q因子的测量结果。
通过图12a中的理论图总结了上述效应。图12a示出了以顺时针方向耦合到谐振器中的功率PCW的理论预测，该功率为归一化激光失谐频率δ/γ的函数。入射功率失衡由对应于CW方向上的较高功率的左上阴影以及对应于CCW方向上的较高功率的右***影表示。从左下延伸到右上的中间线130示出了对于相等泵浦功率的对称性破坏(在两条线202、204之间的双稳态区域中)。在该区域中存在用于功率失衡范围的两种稳定的解决方案。线202、204内的中央较浅阴影区包含不稳定的解决方案。示出了ηPin,CW/P0＝1.8的图，略高于非线性模式***的阈值1.54。在由线202、204划分的双稳态区域之外，任何泵浦功率失衡都在耦合功率之间的差异中被放大。当接近线202、204时，增益因子发散，致使***对精确的泵浦功率和失谐以及谐振器中的损耗极其敏感。这使得它非常适用于例如，折射率或差分功率的增强感知的应用。要注意的是，由于Sagnac效应导致的谐振频率的***也被放大，使得能够构建光学陀螺仪。图12b中的实际数据证明了这些不同的机制，其中在频率扫描期间泵浦功率比率被调制大约统一±3％。激光频率在谐振上扫描，而在设置中的反向散射引起的干涉效应使Pin,CCW/Pin,CW在激光频率中的～170MHz的频率周期上产生整体上大约±3％的改变。在线202、204之外，耦合功率差由于非互易性克尔偏移相对于入射功率失衡增强。该增强增加接近双稳态机制，其中***开始在两个稳定配置之间跳转。插图显示了在具有相等功率的微谐振器模式中的扫描，导致对应于图12a中的线130的“气泡”形对称性破坏。在第一区域中，耦合功率表现出振荡的增强，震荡越接近线202就越强。在该线的右侧，***通过瞬间穿过不稳定区域在两个稳定的解决方案之间切换来响应振荡。在CW和CCW模式之间的最大***区域中，功率调制不足以引起状态之间的切换。这使得能够在CW或CCW状态下独立于光功率波动而稳定操作。在具有相等功率的双向泵浦的情况下，观察到图12b的插图中所示的***，这与理论计算(图12a中的线130)很一致。
可以对上面公开的实际布置进行各种修改。除了回音壁模式振荡器之外，可以采用其他非线性光学谐振器，只要它们支持反向传播光学模式。例如，谐振器可以包括具有非线性元件的光纤环路、波导环路、光纤腔和/或自由空间腔中的一个或多个。一个特别有益的示例是芯片集成的光子波导环路。
代替具有单个共同的激光源32，可以采用两个激光源，一个激光源用于每一个反向传播波。
在采用单个激光源32的情况下，激光的光可以由以下中的一个或多个来***：光学分束器、基于光纤的耦合器、波导耦合器、偏振分束器、双折射材料、部分反射镜、空间光调制器、一个或多个光栅和/或一个或多个波长相关的多路复用器。
代替锥形光纤34，光可以通过波导、棱镜、自由空间、倾斜切割光纤(angle-cleaved fibre)、切割光纤、部分反射镜中的一个或多个，或通过倏逝波耦合技术，而在一个或多个位置处耦合到谐振器中和耦合出谐振器。
代替将光耦合到谐振器中，谐振器中的光波中的一个或多个可以通过谐振器自身中的非线性光学效应或光学增益来生成。非线性光学效应可以是拉曼散射、布里渊散射、参量下转换、四波混频、二次谐波生成，三次谐波生成、光频梳生成、和频生成或差频生成中的一种或多种。可以通过掺杂谐振器材料并以合适的波长泵浦来产生光学增益。代替Mach-Zehnder设备50，反向传播光波之间的频率差异可以通过另一类型的电光调制器、声光调制器或通过将一个激光器的频率或相位锁定至另一激光器来产生。
谐振器中的损耗或增益可以受到改变其Q因子的影响。可以增加谐振器的损耗，通过将物体放置得紧密邻近(1μm量级)谐振器，以干扰谐振模式的倏逝电场。人们还可以用增益补偿损失，例如，通过在谐振器中掺杂发射所用波长的光的原子，诸如1550nm的铒，并泵浦它们。
代替环形器36、38，进入和离开谐振器的光波可以通过其他装置分离，例如光纤耦合器、波导耦合器、二向色镜中的一个或多个，或者通过分束器，例如偏振分束器。
图13示出了根据本发明的另一实施方式，其避免了使用环形装置。与光纤34不同的锥形光纤334用于检测与在每个方向上耦合到谐振器中的光成比例的信号。该信号由光电二极管336和338测量。
图14示出了根据本发明的又一实施方式，其也避免了对环形装置的需要。第一锥形光纤434耦合进顺时针波；它还耦合出顺时针波到第一光电二极管436。第二锥形光纤534耦合进逆时针波；它还耦合出逆时针波到第二光电二极管438。
在图6、13和14的所有实施方式中，可以在谐振器30周围的其他位置处提供附加的锥形光纤(或其他耦合装置)，以用于耦合进和/或耦合出波。
可以例如使用平衡光电二极管检测离开谐振器(与其相互作用)的光波的以下特性中的一个或多个：功率、相位、绝对频率、反向传播光波之间的频率差异、偏振、相对相位和/或相对功率。
谐振器30的材料可以包括以下中的一种或多种：熔融二氧化硅、氮化硅、氟化钙、氟化镁、硅、结晶二氧化硅、氧化锗、氧化钡、水、砷化铝镓、金刚石、蓝宝石、硫系玻璃、掺杂玻璃、铌酸锂、硒化锌、硒化镓、氟锆酸盐玻璃、氟碲酸盐玻璃和/或氮化铝，或其他非线性光学材料。
以下是本发明实施方式的实际应用：
A)光学二极管。光学二极管或隔离器是允许光只在一个方向上流动的二端口设备。图15a所示的一个这样的布置有益于防止从输出设备反射回来的信号到达发射信号的激光器。到达端口3的激光信号通过锥形光纤耦合器734耦合到谐振器30中。这在谐振器中建立CCW谐振状态，并且输出信号被提供给端口1处的诸如光电二极管检测器之类的输出设备(未示出)。实际上，一小部分信号在端口1反射回来。鉴于谐振器30中占主导的非互易性状况，任何倾向于耦合回谐振器的反射波在CW方向上不处于谐振频率并且破坏性地干涉其自身。因此，从端口1反射回来的波主要传递到端口2，并且对于二极管的操作更重要的是，穿过谐振器30的波被显著抑制，使得基本上没有波在端口3处传递回激光器。应当注意，即使在端口1处反射的波相对较弱，谐振器仍然表现出其非互易性非线性行为，因为它是顺时针和逆时针波的总功率，其是显著的。该因素适用于本发明的所有实施方式。
图15b示出了顺时针波和逆时针波的谐振频率，以及图15a中所示***的激光频率。
图15a和图15b的光学二极管布置可用于有利地代替采用法拉第旋转器的传统光学二极管或隔离器。特别的优点是它可以与谐振器***的其他部件一起集成到微芯片上。
图16示出了具有两个锥形光纤634、734的光学二极管或隔离器的一般配置。端口1和2用作信号光的输入/输出。如果具有与信号相同或不同的频率并且具有高于信号的功率的控制光被注入端口3，则设备被设置为CCW状态。在这种状态下，信号光可以从1传递到2但不能从2传递到1。将控制光注入端口4反而允许信号从端口2传递到1，但反之不然。
对于信号使用端口1和3以及对于控制光使用端口2和4可以获得相同的作用。通过仅使用两个端口(例如1和2)可以获得类似的作用。将控制光发送进端口1将***设置为CW状态，其中光可以从端口2传递到1但不能从1传递到2。
如果需要，可以使用另外的端口来选择方向。
因此，该布置提供全光学切换或可切换光学二极管。
B)光学环形器。光学环形器是三端口设备，其将注入输入中的光路由到公共端口，并且将注入公共端口的任何光路由到输出端口。再次参考图16，将具有与信号相同或不同的频率并且具有高于信号的功率的控制光注入到端口3中。在谐振器处于CCW状态的该配置中，光从端口1传递到2，从端口2到4，从4到3，并且从3到1。替代的设置是可能的，其中光在操作期间从端口1发送到***中并且高于任何其他信号。在这种情况下，1是输入端口，3是公共端口，4是输出端口，而2不使用。
C)光学触发器。这采用了图9所示的滞后效应。该***在CW或CCW曲线中的一个的点P的区域中操作。如果另一方向上的功率增加，则操作的点朝向图9中的曲线的基本垂直区域R1、R2中的一个移动，并且传播可以改变到另一方向。
再次参考图16，1是设置输入，3是复位输入，4是Q输出，2是非-Q输出。该设备需要在两个输入端口上几乎相等的功率来工作，并且在对应的输入端口上的功率增加时，或者在相反的输入端口上功率减小时，信号可以传输。
保持设备活跃所必须的泵浦光和信号光可以具有不同的频率。
光学触发器可以在其保持通电的同时无限期地存储状态线1和0(在这种情况下为CW和CCW)。可以仅使用光束在设备上的该状态进行编程，并且如果需要，使用光电二极管将其读出。
D)光学功率比较器。在该设备用作比较器时，该设备可用于将光学功率差异放大直到无限增益，显示哪个光束具有更高的功率，具有比差分光电二极管更突出的灵敏度和精度。这里，***在图12a和图12b中的线202、204中的一个的区域中操作，即在增强区域的边缘处，其中没有或基本上没有滞后。如果***围绕线202或204振荡，则确保在一个点处，操作实际上在线上。
E)光学近场中的接近度传感器。图6的***适于在传感器中使用。光被捕获在谐振器的表面模式中，因此存在电磁场的位于谐振器外的一部分真正靠近表面(波长量级的长度，即几μm)。将物体放置在靠近谐振器的位置改变电磁场，由于非线性增强而可以检测到这种改变。如果人们可以确定物体相对于图2中所示的峰和谷的位置，则人们可以通过***的强度来检测其接近程度。
F)折射率传感器。该设备可用于以与应用E)类似的方式感测放置在微谐振器附近的材料的折射率变化。
G)单粒子传感器。类似于应用E)和F)，与谐振器接触的任何粒子都会改变谐振器的特性，并因此可以被检测到。
H)全光学振荡器。反向传播波之间的竞争导致产生由连续波光馈送的脉动光的振荡器。
I)功率限制器。一小部分入射光在相反方向上耦合；当达到某个功率水平时，发生饱和。可以给***添加至少一个更多的臂以测量该臂上的有效功率，并使用反馈布置来使该功率稳定。
J)增强旋转传感器。Sagnac效应对在旋转设置中的相对方向上行进的光产生谐振频率偏移，该谐振频率的偏移与旋转速度和光程所围绕的面积成正比。谐振器中的非线性增强了由Sagnac效应引起的偏移。此外，高Q因子使光在谐振器内行进数千圈，增加了有效路径长度和相关联的面积。由于Sagnac效应引谐振频率的***被放大，使得能够构建一种形式的光学陀螺仪。与上述Kaplan论文中公开的***对比，只有谐振器30及其相邻的联轴器需要旋转；***的其余部分可以保持为静态。波的反向传播仅仅发生在谐振器30内，因此谐振器本身感测到旋转。与Kaplan的布置不同，谐振器是波导环形谐振器或回音壁模式谐振器，并且不包括形成光学腔(以气体或真空作为介质)的四个镜子。
K)逻辑元件。使用图16，“或”门的示例为，来自端口1或端口4的输入可以使得谐振器高于阈值，以用于在CW和CCW状态之间切换。类似地，对于“与”门，该***可以操作为使得仅端口1和端口4的组合功率使***切换。还可以提供其他逻辑元件布置。
本发明的实施方式的所有各种实际应用的优点是它们可以集成到光子芯片上。
所描述的各种实施方式和修改以及权利要求的特征可以根据需要彼此替换或者组合。

Claims (16)

1.一种光学信号处理***，包括：光学环路谐振器，所述光学环路谐振器由具有非互易性光学非线性的材料制成，使得反向传播光的存在引起比相同强度的同向传播光更强的谐振频率变化；至少一个光源，所述至少一个光源耦接到第一臂以将第一光波引入到所述谐振器中，并且所述至少一个光源耦接到第二臂以将反向传播的第二光波引入到所述谐振器中，所述第二光波具有与所述第一光波相同的频率，所述第一光波和所述第二光波具有使得在所述第一光波和所述第二光波之间产生非线性相互作用的总强度，其中所述臂中的一个包括衰减装置或放大装置，从而为两个不同的光传播方向建立不同的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的光学信号处理***，采用克尔效应。
3.根据权利要求1或2所述的光学信号处理***，其中，所述臂由共同的光源馈送。
4.根据权利要求1或2所述的光学信号处理***，其中，每个臂包括连接到相应测量装置的光分离装置。
5.根据权利要求3所述的光学信号处理***，包括用于将所述第一光波引入到所述谐振器中的一个或多个另外的装置，和/或用于将所述第二光波引入到所述谐振器中的一个或多个另外的装置。
6.根据权利要求1或2所述的光学信号处理***，其中，所述谐振器具有腔线宽，并且其中，所述谐振频率相差至少所述腔线宽。
7.根据权利要求1或2所述的光学信号处理***，其所有组件都是静态的。
8.根据权利要求1或2所述的光学信号处理***，其中，借助于非线性光学效应或光学增益在所述谐振器自身内生成所述光波中的至少一个。
9.根据权利要求1或2所述的光学信号处理***，用于提供光学二极管或隔离器、光学环形器、光学触发器、光学功率比较器、接近度传感器、折射率传感器、粒子传感器、振荡器或功率限制器。
10.根据权利要求1或2所述的光学信号处理***，其中，所述谐振器能够相对于所述***的其他部件旋转。
11.一种Sagnac效应传感器，包括根据权利要求10所述的光学信号处理***。
12.一种在光学环路谐振器中在相反方向上产生不同光学效应的方法，所述光学环路谐振器由具有非互易性光学非线性的材料制成，所述方法包括：将第一光波和第二光波从至少一个光源在相反方向上以使得在第一光波和第二光波之间产生非线性相互作用的总强度引入到所述谐振器中，从而在第一反向传播光波和第二反向传播光波之间建立不同的谐振频率。
13.根据权利要求12所述的方法，用于在没有反射的情况下将光源连接到输出设备，其中，所述光源从经由第一耦合器在所述谐振器的第一方向上耦合的第一端口引入光，光从所述谐振器经由第二耦合器射出到所述输出设备，并且其中，从所述输出设备反射传递回所述第二耦合器的光不耦合回到所述谐振器中。
14.一种在静态光学谐振器中调整反向传播的光波之间的相对功率的方法，所述方法包括将相同的光波在相反方向上以使得在所述光波之间发生非线性相互作用的总强度耦合到所述谐振器中，其中，所述谐振器受到外部效应的作用，所述外部效应对两个所述光波具有不同的效应并且检测到该不同。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，调谐一个或每个光波的频率以变更所述不同的效应。
16.一种在光学谐振器中调整反向传播光波之间的相对功率的方法，所述光学谐振器具有使得在所述光波之间发生非线性相互作用的总强度，所述方法包括借助于非线性光学效应或光学增益在所述谐振器自身内生成所述反向传播光波中的至少一个的步骤。
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