高非線性光子晶體光纖中可見光至近紅外超連續(xù)譜的產(chǎn)生

余海湖，吳建文，馬悅，楊小濤，鄭羽

（武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國(guó)家工程研究中心，武漢 430070）

0 引言

超連續(xù)（Supercontinuum，SC）是指在介質(zhì)中傳輸?shù)某堂}沖在多種非線性效應(yīng)作用下，脈沖頻譜展寬的現(xiàn)象［1-2］。超連續(xù)譜的產(chǎn)生可以大大拓寬光信號(hào)的頻譜，通常達(dá)到幾十納米到幾百納米的范圍。此外，超連續(xù)譜光具有超亮度、寬帶和空間相干性等優(yōu)點(diǎn)。因此，它在光頻率計(jì)算、光通信、光學(xué)相干斷層掃描和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)等許多領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用［3-6］。

1976 年，在染料激光器產(chǎn)生的納秒脈沖中首次觀察到光纖中的超連續(xù)譜［7］，但其超連續(xù)譜的波長(zhǎng)范圍較短，且所需要的泵浦功率較高，光子晶體光纖的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這些不足［8］。光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）是一種光纖截面具有二維周期性折射率變化并沿光纖軸向無限延伸的特殊光纖［9］。由于纖芯和包層之間折射率對(duì)比度的變化，光子晶體光纖具有許多獨(dú)特的光學(xué)特性，包括無截止單模傳輸、高非線性和色散可調(diào)等［1，10-11］。光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性和獨(dú)特的光學(xué)特性，使其在光纖通信、光纖傳感以及超連續(xù)譜的產(chǎn)生等方面都發(fā)揮著重要作用［12-14］。

自光子晶體光纖產(chǎn)生以來，科研人員就對(duì)光子晶體光纖中超連續(xù)譜的產(chǎn)生進(jìn)行了大量研究，特別是可見光至近紅外超連續(xù)譜。2003 年閆培光等［15］通過鈦寶石飛秒激光器泵浦2 m 長(zhǎng)的光子晶體光纖，獲得譜寬超過550 nm 的超連續(xù)譜。2008 年劉衛(wèi)華等［16］使用鈦寶石激光器泵浦高非線性保偏光子晶體光纖，獲得輸出功率170 mW，范圍從420～1 700 nm 且平坦度較好的輸出光譜。2014 年CHEN H 等［17］將光纖激光器與適當(dāng)設(shè)計(jì)的二氧化硅多芯光子晶體光纖相結(jié)合，獲得了寬光譜范圍的超連續(xù)譜。2017 年SU N 等［18］自制全光纖皮秒脈沖光纖放大器泵浦10 m 長(zhǎng)的七芯光子晶體光纖，輸出的超連續(xù)譜波長(zhǎng)范圍為620～1 700 nm，輸出功率為11.7 W。2019 年陳蘭劍等［19］利用摻鍺光纖和摻鐿光纖混合增益實(shí)現(xiàn)了覆蓋600～1 700 nm，且輸出功率為3.45 W 的超連續(xù)譜輸出。從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于超連續(xù)譜的產(chǎn)生，激發(fā)條件以及優(yōu)化和調(diào)節(jié)其平坦度和譜寬一直都是研究熱點(diǎn)，特別是在工程應(yīng)用上有很多具體的需求。盡管對(duì)光子晶體光纖中可見光至近紅外超連續(xù)譜的研究已取得一定進(jìn)展，但所報(bào)道的光譜展寬幅度依然有限，且所需光纖長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)。所以為了提高光譜譜寬，使其能夠具有更高的應(yīng)用價(jià)值，本文從理論和實(shí)際光纖制備角度分析了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其色散的影響，自主設(shè)計(jì)并制備得到不同高非線性的光子晶體光纖，使用飛秒激光脈沖泵浦高非線性光子晶體光纖，在低泵浦功率上即實(shí)現(xiàn)輸出光譜的展寬。本文還進(jìn)一步研究了不同入射脈沖功率和不同光纖長(zhǎng)度對(duì)超連續(xù)譜的影響，最終得到具有較好平坦度和相干性的可見光至近紅外區(qū)的寬帶超連續(xù)譜輸出。

1 光子晶體光纖的設(shè)計(jì)與制備

光子晶體光纖的色散和非線性系數(shù)是影響光纖中脈沖傳輸?shù)膬蓚€(gè)重要因素。色散是指光波在光纖中以不同的模式和頻率傳輸時(shí)，因?yàn)閭鞑ニ俣炔煌鴮?dǎo)致脈沖展寬的現(xiàn)象。光子晶體光纖的色散包括材料色散與波導(dǎo)色散。石英玻璃材料在1 030 nm 波長(zhǎng)處的材料色散非常小，可忽略不計(jì)。波導(dǎo)色散隨光纖結(jié)構(gòu)的變化而變化，可表示為［20］

式中，λ表示入射光波長(zhǎng)；c表示真空中的光速；Re（neff）表示有效模式折射率實(shí)部。

當(dāng)脈沖在光纖中傳輸時(shí)，光纖的非線性系數(shù)γ對(duì)光譜的展寬也極為重要，可表示為［20］

式中，n2=2.73×10-20m2/W，表示石英玻璃材料的非線性折射率系數(shù)，Aeff表示有效模場(chǎng)面積，可表示為［21］

式中，E（x，y）表示橫向電場(chǎng)分布。從式（2）可以看出，有效模場(chǎng)面積越小，非線性系數(shù)越大，因此對(duì)于石英玻璃光纖可以通過減小有效模場(chǎng)面積，即改變光纖結(jié)構(gòu)來調(diào)控非線性系數(shù)的大小。

無論是在傳統(tǒng)光纖還是光子晶體光纖中，色散在非線性過程中都起著重要作用。與傳統(tǒng)的石英玻璃光纖不同，光子晶體光纖的色散調(diào)制更加靈活。通過調(diào)整空氣孔間距Λ和空氣孔直徑d，可以很容易地控制空氣填充率，從而改變纖芯-包層折射率差和纖芯的尺寸，獲得理想的色散。

圖1（a）為保持光纖纖芯直徑dcore=5 μm 不變時(shí)，改變占空比d/Λ得到的相應(yīng)色散曲線。由圖可知，當(dāng)纖芯直徑不變時(shí)，增大占空比，零色散點(diǎn)向短波方向移動(dòng)，并且隨著占空比的增加，偏移變慢，這是由于大的占空比增加了纖芯和包層的折射率差，導(dǎo)致波導(dǎo)色散的變化，從而使總色散曲線發(fā)生位移，同時(shí)光纖對(duì)光的束縛能力加強(qiáng)，有效模場(chǎng)面積減小，使非線性效應(yīng)增強(qiáng)。當(dāng)占空比增大到一定程度時(shí)（例如d/Λ=0.9），纖芯和包層的折射率差將不再發(fā)生顯著變化。

圖1（b）為保持占空比d/Λ=0.9 不變時(shí)，改變纖芯直徑得到的相應(yīng)色散曲線。由圖可知，纖芯直徑從5 μm 逐漸減小到1.5 μm 時(shí)，調(diào)制程度隨著纖芯直徑的減小變得更加劇烈，零色散點(diǎn)由1 050 nm 向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)至700 nm，同時(shí)在長(zhǎng)波長(zhǎng)1 790 nm 處，出現(xiàn)第二個(gè)零色散點(diǎn)。所以保持占空比在一定數(shù)值時(shí)，減小纖芯直徑可以有效使零色散點(diǎn)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。

通過分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)色散特性的影響，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)光子晶體光纖進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2，由圖可知，所設(shè)計(jì)的光子晶體光纖纖芯直徑為3 μm，空氣孔直徑為2.21 μm，空氣孔間距為2.6 μm。

堆拉法制備光子晶體光纖的技術(shù)比較成熟，本文采用堆拉法制備光子晶體光纖。如圖3 所示，光子晶體光纖的制備工藝流程主要由三個(gè)步驟組成。如圖3（a），首先按照光纖端面結(jié)構(gòu)將36根毛細(xì)管和1 根石英玻璃棒進(jìn)行堆棧，形成空氣-石英玻璃結(jié)構(gòu)，所用的毛細(xì)管和石英玻璃棒直徑均為2.5 mm，其中纖芯為石英玻璃棒，包層為毛細(xì)管按每層6 根、12 根、18 根的排列進(jìn)行堆疊形成。再將堆棧結(jié)構(gòu)插入石英玻璃套管中，套管兩端通過氧乙炔火焰進(jìn)行燒結(jié)密封，確保毛細(xì)管和石英玻璃棒處于正確位置。如圖3（b），將石英玻璃套管保護(hù)的堆棧結(jié)構(gòu)放入拉絲塔進(jìn)行第一步拉絲，得到尺寸縮小至原始尺寸十分之一左右的中間體預(yù)制棒。再將中間體預(yù)制棒插入另一石英玻璃套管中，增加包層厚度與強(qiáng)度，便于拉絲過程中的氣壓和溫度控制，得到最終的光纖預(yù)制棒。如圖3（c），將最終的光纖預(yù)制棒放入拉絲塔進(jìn)行拉絲，得到所需光子晶體光纖，在拉絲過程中，可以通過控制壓力與溫度來調(diào)整空氣孔直徑。

在光纖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從工藝和適合泵浦激光器光源的角度考慮，采用上述堆拉法制備得到了一種纖芯較小、包層為三層空氣孔結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖。圖4 為該光子晶體光纖的掃描電子顯微照片和矢量化模型圖，其纖芯直徑為3.03 μm，內(nèi)包層空氣孔直徑為2.74 μm，空氣孔間距為3.09 μm。通過與圖2 比較可發(fā)現(xiàn)，制備所得到的光子晶體光纖各項(xiàng)尺寸參數(shù)均稍大于所設(shè)計(jì)的光纖結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，且得到的空氣孔尺寸大小不均勻，其原因是堆棧結(jié)構(gòu)中各毛細(xì)管之間存在間隙以及中間體預(yù)制棒和套管之間存在間隙。采用等效面積法，將包層的空氣填充率f取為f=2［22］，計(jì)算出空氣填充系數(shù)為71.3%。光纖損耗采用截?cái)喾y(cè)試為～9 dB/km。由于超連續(xù)譜實(shí)驗(yàn)所用光纖長(zhǎng)度為米量級(jí)，故損耗對(duì)實(shí)驗(yàn)影響不大。

使用有限元分析方法對(duì)光子晶體光纖的色散、有效模場(chǎng)面積和非線性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。圖5（a）為光子晶體光纖色散隨波長(zhǎng)的變化曲線。由圖可知，波長(zhǎng)在600～2 000 nm 范圍時(shí)，色散曲線呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢(shì)，光纖的零色散點(diǎn)位于880 nm。圖5（b）為光子晶體光纖有效模場(chǎng)面積和非線性系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化曲線。由圖可知，有效模場(chǎng)面積隨波長(zhǎng)增大而增大，而非線性系數(shù)隨波長(zhǎng)增大而減小，在泵浦波長(zhǎng)1 030 nm 處，光子晶體光纖的有效模場(chǎng)面積為4.72 μm2，非線性系數(shù)為33.67 km-1·W-1，該光子晶體光纖具有較小的模場(chǎng)面積和高非線性。

2 超連續(xù)譜的產(chǎn)生與分析

實(shí)驗(yàn)中采用的泵浦光源為飛秒脈沖光纖激光器，其中心波長(zhǎng)在1 030 nm，最大平均功率為5 W，脈沖寬度為150 fs，重復(fù)頻率為70 MHz，脈沖偏振態(tài)為線偏振。超連續(xù)譜產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6，空間光路的輸出激光經(jīng)反射鏡反射后，依次通過半波片和偏振分束器，再經(jīng)合適NA 的透鏡耦合到光子晶體光纖中。輸出光通過分束器使一部分光進(jìn)入相機(jī)，便于觀察光斑位置，確保脈沖光耦合進(jìn)光纖纖芯，另一部分輸出光進(jìn)入光譜分析儀（Optical Spectrum Analyzer，OSA）進(jìn)行光譜測(cè)量。

如圖7 所示，為了優(yōu)化耦合效率，測(cè)試了低功率下輸出功率隨入射功率的變化曲線，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，測(cè)得低功率下耦合效率為52.7%。

圖8（a）為相機(jī)拍攝的纖芯近場(chǎng)像。由圖可知，隨著泵浦功率增大，在可見光波段，光斑顏色由紅色逐漸變?yōu)榫G色。圖8（b）為光纖長(zhǎng)度0.5 m時(shí)，不同入射脈沖功率下的光譜變化。當(dāng)泵浦功率較低時(shí)，非線性效應(yīng)并不明顯。當(dāng)平均泵浦功率達(dá)到120 mW 時(shí)，在近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)，受孤子效應(yīng)的影響，在入射脈沖中心波長(zhǎng)附近出現(xiàn)紅移頻譜，色散和自陡峭效應(yīng)導(dǎo)致了頻譜的不對(duì)稱性，而在短波長(zhǎng)范圍內(nèi)，由于脈沖中心波長(zhǎng)離光纖零色散波長(zhǎng)較遠(yuǎn)，高階色散的擾動(dòng)較弱，孤子與色散波無法滿足相位匹配條件，短波段色散波尚未產(chǎn)生。當(dāng)平均泵浦功率達(dá)到360 mW 時(shí)，輸出光譜在近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)繼續(xù)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)620 nm 附近出現(xiàn)色散波，其主要原因是隨著平均泵浦功率增大，發(fā)生高階孤子裂變，由孤子分裂得到的基階孤子在拉曼散射作用下發(fā)生孤子紅移，出現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu)，多余能量通過相位匹配轉(zhuǎn)移給色散波，從而產(chǎn)生短波方向的頻譜。當(dāng)平均泵浦功率達(dá)到840 mW 時(shí)，長(zhǎng)波成分拓展至1 860 nm，在可見光范圍內(nèi)，色散波強(qiáng)度增加，光譜展寬至480 nm，其原因是隨著泵浦功率的進(jìn)一步增大，高階孤子裂變和色散波所引起的頻譜效應(yīng)更加顯著，孤子和色散波使光譜更寬更平坦。當(dāng)平均泵浦功率達(dá)到1 320 mW 時(shí)，光譜進(jìn)一步平坦化，但展寬程度變化不大，接近飽和，獲得展寬范圍從475 nm 到1 870 nm 的超連續(xù)譜。

入射脈沖的平均功率為1 320 mW 時(shí)，隨著光纖長(zhǎng)度增加，輸出光譜的變化如圖9。由圖可知，隨著光纖長(zhǎng)度的增加，輸出光譜逐漸展寬，一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)超連續(xù)譜的平坦度得到提高。當(dāng)光纖長(zhǎng)度為0.2 m 時(shí)，脈沖在光纖中的傳輸距離較短，非線性沒有足夠積累，光譜展寬較少，輸出光譜范圍為1 210 nm 左右，輸出光譜較不平坦。當(dāng)光纖長(zhǎng)度達(dá)到0.5 m 時(shí)，1 040～1 260 nm 范圍內(nèi)的光譜強(qiáng)度波動(dòng)減小，平坦度有所提高，同時(shí)光譜得到進(jìn)一步展寬，光譜展寬達(dá)1 370 nm，主要是由于光纖長(zhǎng)度增大，高階非線性效應(yīng)和高階色散會(huì)共同作用于高階孤子，使其分裂成若干個(gè)基階孤子，拉曼散射引起的孤子自頻移效應(yīng)使得基階孤子向長(zhǎng)波方向紅移，同時(shí)滿足相位匹配條件的孤子會(huì)將能量轉(zhuǎn)移至短波長(zhǎng)區(qū)間，形成色散波，孤子與色散波共同作用使頻譜得到進(jìn)一步展寬。當(dāng)光纖長(zhǎng)度繼續(xù)增大至1.5 m 時(shí)，非線性效應(yīng)得到充分激發(fā)，分裂的孤子數(shù)目增多，使得頻譜的分裂峰增多，1 040～1 260 nm 與1 470～1 730 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜平坦性得到進(jìn)一步提高，獲得從450 nm 到1 900 nm 的寬帶超連續(xù)譜。

表1 列舉了近年來一些國(guó)內(nèi)外課題組關(guān)于使用不同類型光子晶體光纖產(chǎn)生可見光至近紅外超連續(xù)譜的報(bào)道。表1 列舉的研究成果中，長(zhǎng)波長(zhǎng)可達(dá)1 750 nm，短波長(zhǎng)可至350 nm，最大展寬范圍在420～1 700 nm。而本文工作最終在1.5 m 長(zhǎng)的光纖中實(shí)現(xiàn)了450～1 900 nm 的展寬，光譜展寬范圍有了一定的提高，且在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜具有較好的平坦性。

表1 PCF 中超連續(xù)譜的產(chǎn)生Table 1 Supercontinuum generation in PCF

3 結(jié)論

通過分析光子晶體光纖結(jié)構(gòu)對(duì)波導(dǎo)色散的影響，得到了優(yōu)化的光纖參數(shù)并制備了零色散點(diǎn)在880 nm 的實(shí)芯光子晶體光纖。該光纖在1 030 nm 處的非線性系數(shù)和有效摸場(chǎng)面積分別為33.67 km-1·W-1和4.72 μm2。使用1 030 nm 飛秒光源泵浦，通過改變泵浦功率和光纖長(zhǎng)度，研究了超連續(xù)譜的展寬。在耦合至光纖中1 320 mW 的平均功率下，從1.5 m 長(zhǎng)的光子晶體光纖中獲得了光譜范圍為450～1 900 nm 的超連續(xù)譜，光譜具有較好的平坦度和相干性。這種超連續(xù)譜有望應(yīng)用于光學(xué)相干層析成像、光譜學(xué)、通信、早期癌癥檢測(cè)和食品質(zhì)量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。