雙芯光子晶體光纖寬帶平坦超連續(xù)譜光源

閆培光，黃詩(shī)盛，張格霖，李會(huì)權(quán)，林榮勇，韋會(huì)峰，羅 杰，陳抗抗

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先進(jìn)光學(xué)精密制造技術(shù)廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳518060;2)長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司研發(fā)中心，武漢430073;3)武漢安揚(yáng)激光技術(shù)有限責(zé)任公司，武漢430073

超連續(xù)譜(supercontinuum，SC)光源在生物醫(yī)學(xué)、高精密光學(xué)頻率測(cè)量、多信道通信光源、度量學(xué)及激光雷達(dá)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用［1-2］.超連續(xù)譜的產(chǎn)生與高階孤子分裂、受激拉曼散射(stimulated Raman scattering，SRS)、孤子自頻移(soliton self-frequency shift，SSFS)、四波混頻(fourwave mixing，F(xiàn)WM)和非孤子輻射(non-solitonic radiation，NSR)等非線性效應(yīng)有關(guān)，要求介質(zhì)具有高非線性系數(shù)并滿足色散匹配條件.光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)可提供高非線性系數(shù)、強(qiáng)模式限制和可控色散特性，能夠在可見光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)反常色散，且可在寬帶保持單模傳輸，有利于提高光束質(zhì)量.因此，利用目前已產(chǎn)業(yè)化的高功率光纖激光器作為泵浦源，可實(shí)現(xiàn)全光纖化、功率高、寬帶及平坦的超連續(xù)譜輸出.對(duì)于超連續(xù)譜光源，光譜的寬度和平坦度是衡量光譜質(zhì)量的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn).連續(xù)光泵浦雖容易實(shí)現(xiàn)高功率輸出，但其光譜缺少藍(lán)移成分，光譜寬度和平坦度不夠理想［3-4］.飛秒激光脈沖具有峰值功率高的特點(diǎn)，只需在低泵浦功率和較短的光纖長(zhǎng)度下便可得到有理想寬度和平坦度的超連續(xù)譜光源，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用及維護(hù)成本較高，平均功率也較難提高.而在皮秒脈沖光纖激光器的泵浦條件下，僅需瓦級(jí)甚至毫瓦級(jí)的泵浦功率就可以在幾米或幾十米的PCF中實(shí)現(xiàn)具有良好特性(如平坦光譜分布、寬波長(zhǎng)范圍)的超連續(xù)譜輸出，如陳抗抗等［5］采用主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)結(jié)構(gòu)的皮秒光纖激光器泵浦2 m長(zhǎng)PCF，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)范圍為400～2 250 nm的超連續(xù)譜輸出，但其空間耦合的方法導(dǎo)致超連續(xù)譜光源的穩(wěn)定性和可靠性較差.通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)皮秒脈沖泵浦源和超連續(xù)譜光源的結(jié)構(gòu)參數(shù)，陳勝平等［6］得到光譜范圍為650～1 700 nm的全光纖化超連續(xù)譜輸出.為使超連續(xù)譜光源的光譜特性得到進(jìn)一步提高，多芯PCF應(yīng)運(yùn)而生.對(duì)于多芯PCF，每個(gè)纖芯之間的模式耦合將產(chǎn)生超模［7］，當(dāng)輸出模式為每個(gè)纖芯傳輸模之間相位差為零的同相位超模時(shí)，超連續(xù)譜可輸出高質(zhì)量的光斑，其遠(yuǎn)場(chǎng)具有準(zhǔn)高斯分布［8］.韋會(huì)峰等［9］利用中心波長(zhǎng)為1 064 nm的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)鎖模摻鐿光纖激光器泵浦7芯PCF，實(shí)現(xiàn)譜寬超過(guò)1 000 nm、具有高光束質(zhì)量的全光纖化超連續(xù)譜輸出.但該7芯PCF存在零色散波長(zhǎng)(zero dispersion wavelength，ZDW)與泵浦源不匹配、非線性系數(shù)小及氣孔層數(shù)少等問題，加上泵浦源本身的不穩(wěn)定性，限制了超連續(xù)譜展寬程度的進(jìn)一步提高.2011年Larsen等［10］實(shí)驗(yàn)證實(shí)增益開關(guān)脈沖光纖激光器作為泵浦源有利于光譜的展寬.2013年本課題組利用增益開關(guān)皮秒脈沖光纖激光器作為泵浦源，抽運(yùn)經(jīng)優(yōu)化的不同占空比的雙包層7芯PCF，實(shí)現(xiàn)光譜寬度超過(guò)1 900 nm的全光纖化超連續(xù)譜輸出［11-12］.此外，多芯光子晶體光纖逐漸向百瓦量級(jí)的超連續(xù)譜輸出發(fā)展.

本研究報(bào)道了一種雙芯 PCF，其ZDW位于1 010 nm處，在1 060 nm處的非線性系數(shù)為6.82 W-1·km-1.利用中心波長(zhǎng)為1 060 nm且具有高穩(wěn)定性的增益開關(guān)皮秒脈沖全保偏光纖激光器作為泵浦源，抽運(yùn)35 m長(zhǎng)的雙芯PCF，得到光譜覆蓋480～2 200 nm、輸出功率為371.7 mW的高光束質(zhì)量全光纖化超連續(xù)譜源，其長(zhǎng)波方向10 dB譜寬為1140 nm(1060～2 200 nm)，短波方向3 dB譜寬為460 nm(580～1040 nm)，遠(yuǎn)場(chǎng)輸出為準(zhǔn)高斯分布.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup

產(chǎn)生超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，抽運(yùn)源是由武漢安揚(yáng)激光技術(shù)有限責(zé)任公司研發(fā)的增益開關(guān)皮秒脈沖全保偏光纖激光器，其中心波長(zhǎng)位于1 060 nm處，脈沖寬度為150 ps，重復(fù)頻率為1 MHz，光束質(zhì)量M2＜1.3，最大輸出功率為4.5 W.為提高激光器的運(yùn)行穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用全保偏光纖結(jié)構(gòu)，其輸出尾纖為芯徑20 μm的20/125熊貓型保偏光纖.將該尾纖與長(zhǎng)35 m的雙芯PCF熔接.雙芯PCF的尾端被切割成8°角，以避免激光反饋對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.超連續(xù)譜的輸出光譜和功率分別采用光譜儀(optical spectrum analyzer，OSA)和功率計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè).

實(shí)驗(yàn)所用的雙芯PCF由武漢長(zhǎng)飛光纜有限公司采用堆積拉伸法拉制，圖2為其端面掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)圖.可見，光纖的空氣孔直徑d=2.7 μm;空氣孔周期Λ=3.4 μm;單個(gè)纖芯直徑D=4.7 μm;空氣占空比 d/Λ=0.79.利用有限元法(finite element method，F(xiàn)EM)對(duì)其色散和非線性系數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，并通過(guò)色散測(cè)量?jī)x(型號(hào)為CD400)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同波長(zhǎng)的色散值，其結(jié)果如圖3.可見，理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量值(紅色點(diǎn))非常吻合，其ZDW位于1 010 nm處，小于泵浦源的波長(zhǎng)，在泵浦源中心波長(zhǎng)1 060 nm處的非線性系數(shù)γ=6.82 W-1·km-1.

圖2 雙芯光子晶體光纖掃描電鏡圖Fig.2 SEM of dual core PCF

圖3 雙芯光子晶體光纖的色散和非線性曲線Fig.3 Dispersion and nonlinear curves of dual core PCF

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于雙芯PCF的纖芯直徑較小，在與20/125熊貓型保偏光纖熔接時(shí)，盡管使用光纖后處理技術(shù)對(duì)雙芯PCF空氣孔進(jìn)行塌縮，增加其纖芯直徑，減少熔接時(shí)模場(chǎng)失配帶來(lái)的損耗，但熔接效率僅為30%.超連續(xù)譜的展寬隨輸出功率的變化過(guò)程如圖4，縱坐標(biāo)每格代表30 dB.泵浦源的中心波長(zhǎng)位于雙芯PCF的反常色散區(qū)域，類似的展寬機(jī)制已被廣泛研究［13-15］.在光譜展寬的初級(jí)階段，調(diào)制不穩(wěn)定性(modulation instability，MI)起到主要作用，它使得長(zhǎng)脈沖(150 ps)分裂成一系列的孤子超短脈沖，并通過(guò)脈沖內(nèi)拉曼散射效應(yīng)(intrapulse raman scattering，IRS)實(shí)現(xiàn)孤子自頻移，使孤子波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向持續(xù)頻移.由圖4可見，當(dāng)輸出功率為20.8 mW時(shí)，由于孤子自頻移的作用，光譜主要向長(zhǎng)波方向展寬.隨著泵浦功率的增加，長(zhǎng)波處的高能孤子將能量以色散波(dispersion wave，DW)的形式轉(zhuǎn)移到正常色散區(qū)，而使光譜逐漸展寬到泵浦波長(zhǎng)的短波方向.隨著泵浦功率的繼續(xù)增大光譜不斷展寬，拉曼效應(yīng)產(chǎn)生的長(zhǎng)波光譜部分將與短波方向的色散波通過(guò)四波混頻及交叉相位調(diào)制(crossphase modulation，XPM)的共同作用，導(dǎo)致光譜向更短的波長(zhǎng)方向展寬.最終，在輸出功率為371.7 mW的情況下，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波方向10 dB譜寬為1 140 nm(1 060～2 200 nm)、短波方向3 dB譜寬為460 nm(580～1 040 nm)的全光纖化超連續(xù)譜光源.為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算的相位匹配曲線如圖5.可見，在輸出功率為60.8 mW時(shí)，匹配波長(zhǎng)分別為550和2 000 nm;在輸出功率371.7 mW時(shí)，匹配波長(zhǎng)分別為480和2 200 nm，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得非常好，說(shuō)明光譜的展寬為孤子機(jī)制［16-17］.由于泵浦源產(chǎn)生的是長(zhǎng)脈沖，調(diào)制不穩(wěn)定性將會(huì)放大泵浦源脈沖自身所攜帶的隨機(jī)噪聲，從而使超連續(xù)譜的相干性下降［1］，所以實(shí)驗(yàn)獲得超連續(xù)譜源的相干性并不高.

圖4 不同輸出功率下的超連續(xù)譜Fig.4 Output spectra of the SC at different output powers

圖5 雙芯光子晶體光纖的相位匹配曲線Fig.5 The calculated group refractive index for dual core PCF

超連續(xù)譜的輸出模式特性由Spiricon M2-200光斑分析儀測(cè)量，其近場(chǎng)2維、3維與遠(yuǎn)場(chǎng)2維、3維模式如圖6.由圖6(a)和(b)可見，每個(gè)纖芯的強(qiáng)度幾乎相同，只有很小的基底，說(shuō)明傳輸過(guò)程以同相位超模為主，異相位超模得到有效截止;由圖6(c)和(d)可見，其遠(yuǎn)場(chǎng)為準(zhǔn)高斯分布.最大輸出功率時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑如圖7.可見，中間最大、最亮、最圓的光斑是雙芯PCF傳輸?shù)耐辔怀ｑ詈隙傻?，能量呈?zhǔn)高斯分布，與圖6(c)和(d)吻合得非常好.在小功率輸出情況下，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑并沒有周圍的6個(gè)小光斑，而在高功率輸出情況下，微量的光在雙芯PCF包層周期性排列的空氣孔處發(fā)生衍射現(xiàn)象，則會(huì)造成周圍的6個(gè)小光斑.

圖6 最大輸出功率下的超連續(xù)譜模式Fig.6 The mode profiles of SC at maximum output power

圖7 最大輸出功率下的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑Fig.7 Far field profile of output beam at maximum output power

結(jié) 語(yǔ)

本研究報(bào)道一種雙芯PCF，其零色散波長(zhǎng)位于1 010 nm處，在1 060 nm處的非線性系數(shù)為6.82 W-1·km-1.利用中心波長(zhǎng)為1 060 nm、重復(fù)頻率為1 MHz、脈沖寬度為150 ps、最大輸出功率為4.5 W及光束質(zhì)量M2＜1.3的增益開關(guān)皮秒脈沖全保偏光纖激光器泵浦長(zhǎng)度為35 m的雙芯PCF，得到光譜范圍480～2 200 nm、輸出功率為371.7 mW的全光纖化超連續(xù)譜光源，其在長(zhǎng)波方向的10 dB譜寬為1 140 nm(1 060～2 200 nm)，短波方向3 dB譜寬為460 nm(580～1 040 nm)，其遠(yuǎn)場(chǎng)輸出為具有準(zhǔn)高斯分布.

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