阮雙琛，閆培光，郭春雨，韋會峰

1)深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，深圳市激光工程重點實驗室，深圳 518060;

2)長飛光纖光纜有限公司研發(fā)中心，武漢 430073

光子晶體光纖超連續(xù)譜光源

阮雙琛1，閆培光1，郭春雨1，韋會峰2

1)深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，深圳市激光工程重點實驗室，深圳 518060;

2)長飛光纖光纜有限公司研發(fā)中心，武漢 430073

介紹該課題組近兩年在光子晶體光纖超連續(xù)譜方面的主要研究成果，包括基于連續(xù)波泵浦研制全光纖化超連續(xù)譜源，利用級聯(lián)一段高非線性正常色散光纖，通過光纖的受激拉曼散射效應(yīng)實現(xiàn)超連續(xù)譜的平坦化;基于皮秒鎖模光纖激光器實現(xiàn)全光纖化5 W輸出超連續(xù)譜源;拉制一段145 m的錐形光子晶體光纖，利用自制的納秒光纖激光器與錐形光子晶體光纖熔接，制備輸出功率2.2 W的寬帶超連續(xù)譜源;利用自制的網(wǎng)狀光子晶體光纖和全固態(tài)光子帶隙光纖，分別研究亞微米薄壁上偏振相關(guān)的超連續(xù)譜產(chǎn)生，以及基于四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生的超連續(xù)譜.

光電子與激光技術(shù);光纖激光器;光子晶體光纖;超連續(xù)譜;錐形光纖;色散

超連續(xù)譜 (supercontinuum，SC)光源在生物醫(yī)學(xué)、多信道通信光源、高精密光學(xué)頻率測量及激光雷達(dá)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用.1970年，Alfano和Shapiro首次利用Nd玻璃激光器倍頻得到530 nm的GW級皮秒激光，泵浦塊狀BK7光學(xué)玻璃，得到覆蓋400～700 nm整個可見光范圍的超連續(xù)譜.與塊狀材料中產(chǎn)生超連續(xù)譜相比，光纖介質(zhì)具有非線性作用距離長，光束質(zhì)量好等優(yōu)勢，更適合產(chǎn)生超連續(xù)譜.超連續(xù)譜的產(chǎn)生機(jī)理涉及高階孤子分裂、孤子自頻移 (soliton self-frequency shift，SSFS)、受激拉曼散射 (stimulated Raman scattering，SRS)、四波混頻 (four-wave mixing，F(xiàn)WM)和非孤子輻射(non-solitonic radiation，NSR)等非線性效應(yīng)，需要介質(zhì)具有高非線性系數(shù)并滿足色散匹配條件.1996年光子晶體光纖 (photonic crystal fiber，PCF)問世［1］.通過調(diào)整PCF中纖芯周圍空氣孔的直徑及周期結(jié)構(gòu)，可控制其零色散波長達(dá)到可見光波長區(qū)域，且可在寬帶保持單模傳輸，大大提高其光束質(zhì)量.高非線性設(shè)計的PCF可有效拓展超連續(xù)譜產(chǎn)生的波長范圍，PCF的出現(xiàn)使超連續(xù)譜的研究煥發(fā)了活力___［2-9］，其輸出功率可達(dá)數(shù)十瓦.2008年Taylor J R小組研制成功50 W超連續(xù)譜輸出［10-11］.目前，超連續(xù)譜研究的方向，一方面是提高功率，另一方面是使光譜范圍向中紅外和藍(lán)紫光擴(kuò)展.新型PCF設(shè)計和研制的不斷涌現(xiàn)，引發(fā)了超連續(xù)譜產(chǎn)生機(jī)理的復(fù)雜性，從而成為非線性光學(xué)領(lǐng)域研究的熱點.

本文介紹該課題組近兩年在全光纖化連續(xù)波、皮秒脈沖泵浦PCF中產(chǎn)生超連續(xù)譜、納秒脈沖泵浦錐形PCF中超連續(xù)譜產(chǎn)生，以及在網(wǎng)狀PCF和全固態(tài)光子帶隙光纖中超連續(xù)譜產(chǎn)生的主要研究成果.

1 連續(xù)波泵浦的平坦超連續(xù)譜產(chǎn)生

光譜寬度和光譜平坦度是衡量超連續(xù)譜光譜質(zhì)量的兩個主要參數(shù)，由于實現(xiàn)高平坦連續(xù)波超連續(xù)譜的條件非?？量獭仨毷构饫w零色散波長非常接近泵浦波長，同時泵浦功率一般要大于50 W，致使高平坦超連續(xù)譜輸出難以獲得［10-11］.本課題組利用20 W單模摻鐿光纖激光器泵浦200 m高非線性PCF實現(xiàn)輸出功率10.3 W，10 dB譜寬為360 nm(1 055～1 415 nm)，3 dB譜寬為62 nm(1 067～1 129 nm)的高功率單模超連續(xù)譜光源.其光譜如圖1(a).在PCF之后級聯(lián)一段高非線性正常色散光纖，利用其級聯(lián)受激拉曼散射效應(yīng)使PCF之后輸出的超連續(xù)譜光譜平坦度得到大大提高，如圖1(b).實現(xiàn)了3 dB譜寬為340 nm(1 072～1 412 nm)的單模超連續(xù)譜輸出，輸出功率為8 W，其光譜功率密度達(dá)到23 mW/nm，同時得到0.7 dB的210 nm(1 175 ～1 391 nm)超平坦光譜［12］.通過光譜平坦化，超連續(xù)譜光譜向長波方向擴(kuò)展60 nm，3 dB譜寬增加280 nm，泵浦區(qū)附近的峰值光譜強(qiáng)度下降5 dB，低于長波區(qū)的光譜強(qiáng)度.與英國帝國理工學(xué)院［4］利用50 W連續(xù)波泵浦實現(xiàn)了340 nm的3 dB譜寬相比，本課題組在低的泵浦功率下得到相同寬帶的平坦光譜輸出，其光譜平坦化技術(shù)促進(jìn)了超連續(xù)譜光源在更多領(lǐng)域的應(yīng)用.圖2為平坦化前后超連續(xù)譜的色散圖及輸出光斑模式圖，可見平坦化后在長波產(chǎn)生了更多的新頻率成分，且超連續(xù)譜均為基模輸出.

圖1 平坦前后的超連續(xù)譜光譜對比Fig.1 Comparision of the flattened and non-flattened supercontinuum

2 皮秒脈沖泵浦超連續(xù)譜產(chǎn)生

圖2 平坦化前后超連續(xù)譜色散及輸出光斑模式圖Fig.2 Dispersed output spectra of the supercontinua(left is short and right is long wavelengths)and far-field profiles at the pump wavelength with the non-flattened case at the top and the flattened case at the bottom

連續(xù)光泵浦容易實現(xiàn)高功率輸出，但該泵浦方式的缺點是光譜成分中缺少藍(lán)移成分，光譜展寬和平坦度不夠理想.皮秒脈沖光纖激光器能夠?qū)崿F(xiàn)超過100 W的激光輸出［13］，產(chǎn)生的超連續(xù)譜具有寬波長和平坦光譜分布的特性［14-15］，因此，在實現(xiàn)高功率和高質(zhì)量的超連續(xù)譜光源方面具有極大潛力.基于3級MOPA結(jié)構(gòu)皮秒光纖激光器泵浦一段長30 m的國產(chǎn)PCF，為避免空間耦合方式對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，將PCF與皮秒光纖激光器后隔離器的輸出尾纖直接熔接，通過仔細(xì)尋找最佳放電時間與放電強(qiáng)度，使PCF氣孔微微塌陷，形成平滑的過渡區(qū)域，達(dá)到最優(yōu)化的高功率超連續(xù)譜產(chǎn)生，實現(xiàn)了全光纖化結(jié)構(gòu)的超連續(xù)譜光源［16］，獲得最高功率為5 W的穩(wěn)定超連續(xù)譜輸出，如圖3.

圖3 連續(xù)譜光源的輸出功率特性Fig.3 Output power characteristic of supercontinuum source

超連續(xù)譜的光譜演變?nèi)鐖D4.在最大輸出功率5 W時，短波展寬至600 nm，長波超過1 700 nm，長波方向光譜密度比短波方向大5 dB以上.通過減小脈沖重復(fù)頻率或提高泵浦平均功率進(jìn)一步增加脈沖峰值功率，可使短波方向進(jìn)一步藍(lán)移，光譜更加平坦.

圖4 不同輸出功率下的輸出光譜Fig.4 Supercontinuum spectra at different output power

3 納秒脈沖泵浦錐形PCF中超連續(xù)譜產(chǎn)生

錐形PCF沿光纖長度方向改變色散，其零色散波長逐漸向短波方向移動，這一特性可使產(chǎn)生的超連續(xù)譜向更短波長處擴(kuò)展［17-19］.2011年，本課題組在拉絲塔上通過連續(xù)改變拉絲速度，制作出一根145 m長的錐形PCF，其入口端與出口端的掃描電子顯微鏡 (scanning electron microscope，SEM)圖像如圖5.其外徑從110 μm減小到80 μm，錐形光纖入口端面纖芯的3條對角線長分別為L11=5.6 μm、L12=4.43 μm 和L13=4.6 μm，出口纖芯 3 條對角線長分別為L21=4.13 μm、L22=3.33 μm 和L23=3.36 μm，3 個錐度 (L1x/L2x，x=1，2，3)都接近1.36.利用有限元法計算得到，當(dāng)錐形光纖外徑從110 μm下降到80 μm時的色散曲線如圖6.零色散波長從光纖入口處的1 000 nm下降到出口處的915 nm.計算也表明，在1 060 nm處的非線性系數(shù)從 17 W-1·km-1提高到 30 W-1·km-1.

圖5 錐形PCF的入口端和出口段SEM圖Fig.5 SEM images of the input and output end of tapered PCF

圖 6 外徑從 110 μm 下降到 80 μm(間隔 10 μm)，對應(yīng)錐形PCF的色散曲線Fig.6 Dispersion curves as the out diameter decreases from 110 μm to 80 μm in step of 10 μm

利用本課題組研制的納秒調(diào)制半導(dǎo)體激光器作為種子源(重復(fù)頻率1.55 MHz，脈寬11.03 ns，中心波長1 060.14 nm，譜寬(半高全寬)0.63 nm，輸出功率3 mW)，經(jīng)3級放大后得到功率為18.2 W.將其直接與錐形PCF熔接，最大耦合入纖功率達(dá)8.6 W，對應(yīng)超連續(xù)譜功率隨入纖功率的變化曲線如圖7，超連續(xù)譜最大輸出功率為2.2 W.隨著耦合到PCF中功率的增大，輸出光譜逐漸展寬，形成超連續(xù)譜，在最大泵浦功率下，輸出超連續(xù)譜短波限達(dá)到440 nm，其輸出光譜如圖8.

圖7 超連續(xù)譜源的輸出功率特性Fig.7 Output power characteristic of supercontinuum source

4 網(wǎng)狀PCF超連續(xù)譜產(chǎn)生

圖8 超連續(xù)譜隨增加泵浦功率的演化Fig.8 Evolution of supercontinuum with increasing pump power

網(wǎng)狀PCF在納米化學(xué)和傳感領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景［20-21］.2011年本課題組研制出一種網(wǎng)狀PCF，其環(huán)繞中心的6條壁長度各為20 μm，其中一條厚度為0.55 μm的壁 (計算其TE00模均為正常色散，而TM00模具有兩個零色散波長，分別為570 nm和830 nm［22］)，如圖9.通過仔細(xì)調(diào)節(jié)，將鈦寶石飛秒激光器 (輸出脈沖中心波長800 nm，重復(fù)頻率76 MHz，脈沖寬度200 fs)耦合入壁中，改變飛秒激光的入射偏振方向，實驗獲得偏振相關(guān)的可見光超連續(xù)譜，如圖10.當(dāng)入射光與TE模方向夾角θ在0°～20°時，光譜展寬弱，且對稱展寬，分析認(rèn)為機(jī)制主要為正常色散區(qū)的自相位調(diào)制;從θ=30°開始，隨著耦合入TM模功率的增加，在TM模反常色散區(qū)內(nèi)的部分光脈沖能量將產(chǎn)生孤子頻移和色散波，導(dǎo)致光譜快速展寬，對應(yīng)輸出光斑的顏色相應(yīng)變化，如圖11.當(dāng)在入射光與TE模方向夾角為90°時，獲得超連續(xù)譜光譜范圍為350～950 nm.

圖9 網(wǎng)狀PCF的SEM圖Fig.9 The SEM images of nanoweb fiber and the 0.55μm-thickness membrane

5 全固光子帶隙光纖超連續(xù)譜產(chǎn)生

基于全內(nèi)反射光子晶體光纖(total internal reflection photonic crystal fiber，TIR-PCF)產(chǎn)生的超連續(xù)譜具有極強(qiáng)的光譜展寬，光譜寬度可超過2個倍頻程，但對光譜展寬的位置及寬度不能主動控制.而光子帶隙光纖的帶隙效應(yīng)具有光譜濾波特性，通過控制光纖帶隙的位置和寬度，可實現(xiàn)特定波長范圍的超連續(xù)譜產(chǎn)生，產(chǎn)生的光譜具有極好的穩(wěn)定性［23］.

圖10 泵浦功率460 mW時，θ從0°～90°記錄的光譜Fig.10 Recorded spectra for θ =0°to 90°at pump power 460 mW

圖11 不同入射偏振角度記錄的光斑圖Fig.11 Recorded mode photograph at different incident angle

2010年，本課題組拉制出一種全固光子帶隙光纖，光纖端面如圖12(a).包層周期中亮色區(qū)域為摻鍺區(qū)，黑色環(huán)形區(qū)域為摻氟區(qū)，纖芯和包層其它區(qū)域為純石英材料.用于拉制包層微結(jié)構(gòu)的預(yù)制棒的折射率分布如圖12(b).高折射率摻鍺玻璃柱折射率分布為拋物線形，其最大折射率差為0.033，摻氟折射率抑制層的折射率比基底材料低0.008.

利用基于PCF的寬帶光源，測量得到光纖在0.6～1.7 μm波長范圍內(nèi)存在著兩個透光窗口，如圖13.在1.2 μm處的高損耗峰對應(yīng)帶隙的截止波長，計算傳輸窗口2中光纖零色散波長為812 nm.

圖12 全固光子帶隙光纖SEM圖及折射率分布Fig.12 SEM image and refractive index profile of the all-solid photonic bandgap fiber

圖13 全固光子帶隙光纖的傳輸譜Fig.13 Transmission spectrum of all-solid photonic bandgap fiber

圖14 全固光子帶隙光纖輸出光譜隨泵浦功率的演變Fig.14 Evolution of supercontinuum with increasing pump power in all-solid photonic bandgap fiber

使用中心波長為800 nm的鈦寶石飛秒激光器在光纖正常色散區(qū)泵浦，獲得了基于四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生的寬帶非線性光譜展寬，如圖14.隨著泵浦功率的增加，信號光的相對強(qiáng)度逐漸增大，光譜寬度增加，峰值不斷向短波方向移動.在泵浦功率達(dá)到最大時，反斯托克斯光譜寬度超過120 nm(620～740 nm).由于設(shè)計的光纖在長波方向具有高損耗特性，阻止了斯托克斯光譜的產(chǎn)生，使產(chǎn)生的光譜被限制在可見光波段.

結(jié) 語

作為一種新型的非線性光學(xué)材料，PCF推動了超連續(xù)譜光源的研究，由于具有新性能PCF不斷被設(shè)計出來，對超連續(xù)產(chǎn)生機(jī)理和特性的研究仍是未來研究的熱點.隨著全光纖化技術(shù)的進(jìn)步，相信超連續(xù)譜光源的功率將很快達(dá)到百瓦級.

本文介紹該課題組近幾年在全光纖化超連續(xù)譜光源，及在網(wǎng)狀PCF和全固態(tài)光子帶隙光纖中超連續(xù)譜產(chǎn)生等方面的主要研究結(jié)果.下一步將繼續(xù)推進(jìn)新型結(jié)構(gòu)與功能PCF研制，深入研究實用化高功率白光超連續(xù)譜和中紅外超連續(xù)譜光源.

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Photonic crystal fiber supercontinuum source?

RUAN Shuang-chen1，YAN Pei-guang1，GUO Chun-yu1，and WEI Hui-feng2

1)College of Electronic Science and Technology Shenzhen Key Laboratory of Laser Engineering Shenzhen University Shenzhen 518060 P.R.China

2)Yangtze Optical Fibre and Cable-Company Ltd.，Wuhan 430073 P.R.China

This paper presents recent work on supercontinuum source based on photonic crystal fiber.A CW-pumped supercontinuum source is designed.The flattening of the supercontinuum through stimulated Raman scattering is realized by cascading a long zero-dispersion wavelength high-nonlinearity fiber.A power of 5 W all-fiber supercontinuum source pumped by picosecond pulse fiber laser is achieved.By designing and drawing a segment of 145 m tapered photonic crystal fiber，a 2.2 W supercontinuum source，which is realized by splicing the fiber to a self-made nanosecond fiber laser，is made.Researches have also been made on supercontinuum generation for new kinds of fibers.Studies have been on the polarization dependent supercontinuum generation in a nanoweb microstructure，and on supercontinuum generation by four wave mixing in an all-solid photonic bandgap fiber.

optoelectronics and laser technology;fiber laser;photonic crystal fibers;supercontinuum;tapered fibers;dispersion

TN 244

A

1000-2618(2011)04-0295-07

2011-05-31

國家自然科學(xué)基金資助項目 (61007054);廣東省自然科學(xué)基金資助項目 (9451806001002428)

阮雙琛 (1963-)，男 (漢族)，陜西省韓城市人，深圳大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師.E-mail:scruan@szu.edu.cn

Abstract:1000-2618(2011)04-0300-EA

? This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(61007054)and Natural Science Foundation of Guangdong Province(9451806001002428).

【中文責(zé)編:方 圓;英文責(zé)編:衛(wèi) 棟】