光子晶体光纤超连续谱光源

阮双琛，闫培光，郭春雨，韦会峰

1)深圳大学电子科学与技术学院，深圳市激光工程重点实验室，深圳 518060;

2)长飞光纤光缆有限公司研发中心，武汉 430073

光子晶体光纤超连续谱光源

阮双琛1，闫培光1，郭春雨1，韦会峰2

1)深圳大学电子科学与技术学院，深圳市激光工程重点实验室，深圳 518060;

2)长飞光纤光缆有限公司研发中心，武汉 430073

介绍该课题组近两年在光子晶体光纤超连续谱方面的主要研究成果，包括基于连续波泵浦研制全光纤化超连续谱源，利用级联一段高非线性正常色散光纤，通过光纤的受激拉曼散射效应实现超连续谱的平坦化;基于皮秒锁模光纤激光器实现全光纤化5 W输出超连续谱源;拉制一段145 m的锥形光子晶体光纤，利用自制的纳秒光纤激光器与锥形光子晶体光纤熔接，制备输出功率2.2 W的宽带超连续谱源;利用自制的网状光子晶体光纤和全固态光子带隙光纤，分别研究亚微米薄壁上偏振相关的超连续谱产生，以及基于四波混频效应产生的超连续谱.

光电子与激光技术;光纤激光器;光子晶体光纤;超连续谱;锥形光纤;色散

超连续谱 (supercontinuum，SC)光源在生物医学、多信道通信光源、高精密光学频率测量及激光雷达等领域具有重要应用.1970年，Alfano和Shapiro首次利用Nd玻璃激光器倍频得到530 nm的GW级皮秒激光，泵浦块状BK7光学玻璃，得到覆盖400～700 nm整个可见光范围的超连续谱.与块状材料中产生超连续谱相比，光纤介质具有非线性作用距离长，光束质量好等优势，更适合产生超连续谱.超连续谱的产生机理涉及高阶孤子分裂、孤子自频移 (soliton self-frequency shift，SSFS)、受激拉曼散射 (stimulated Raman scattering，SRS)、四波混频 (four-wave mixing，FWM)和非孤子辐射(non-solitonic radiation，NSR)等非线性效应，需要介质具有高非线性系数并满足色散匹配条件.1996年光子晶体光纤 (photonic crystal fiber，PCF)问世［1］.通过调整PCF中纤芯周围空气孔的直径及周期结构，可控制其零色散波长达到可见光波长区域，且可在宽带保持单模传输，大大提高其光束质量.高非线性设计的PCF可有效拓展超连续谱产生的波长范围，PCF的出现使超连续谱的研究焕发了活力___［2-9］，其输出功率可达数十瓦.2008年Taylor J R小组研制成功50 W超连续谱输出［10-11］.目前，超连续谱研究的方向，一方面是提高功率，另一方面是使光谱范围向中红外和蓝紫光扩展.新型PCF设计和研制的不断涌现，引发了超连续谱产生机理的复杂性，从而成为非线性光学领域研究的热点.

本文介绍该课题组近两年在全光纤化连续波、皮秒脉冲泵浦PCF中产生超连续谱、纳秒脉冲泵浦锥形PCF中超连续谱产生，以及在网状PCF和全固态光子带隙光纤中超连续谱产生的主要研究成果.

1 连续波泵浦的平坦超连续谱产生

光谱宽度和光谱平坦度是衡量超连续谱光谱质量的两个主要参数，由于实现高平坦连续波超连续谱的条件非常苛刻——必须使光纤零色散波长非常接近泵浦波长，同时泵浦功率一般要大于50 W，致使高平坦超连续谱输出难以获得［10-11］.本课题组利用20 W单模掺镱光纤激光器泵浦200 m高非线性PCF实现输出功率10.3 W，10 dB谱宽为360 nm(1 055～1 415 nm)，3 dB谱宽为62 nm(1 067～1 129 nm)的高功率单模超连续谱光源.其光谱如图1(a).在PCF之后级联一段高非线性正常色散光纤，利用其级联受激拉曼散射效应使PCF之后输出的超连续谱光谱平坦度得到大大提高，如图1(b).实现了3 dB谱宽为340 nm(1 072～1 412 nm)的单模超连续谱输出，输出功率为8 W，其光谱功率密度达到23 mW/nm，同时得到0.7 dB的210 nm(1 175 ～1 391 nm)超平坦光谱［12］.通过光谱平坦化，超连续谱光谱向长波方向扩展60 nm，3 dB谱宽增加280 nm，泵浦区附近的峰值光谱强度下降5 dB，低于长波区的光谱强度.与英国帝国理工学院［4］利用50 W连续波泵浦实现了340 nm的3 dB谱宽相比，本课题组在低的泵浦功率下得到相同宽带的平坦光谱输出，其光谱平坦化技术促进了超连续谱光源在更多领域的应用.图2为平坦化前后超连续谱的色散图及输出光斑模式图，可见平坦化后在长波产生了更多的新频率成分，且超连续谱均为基模输出.

图1 平坦前后的超连续谱光谱对比Fig.1 Comparision of the flattened and non-flattened supercontinuum

2 皮秒脉冲泵浦超连续谱产生

图2 平坦化前后超连续谱色散及输出光斑模式图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

连续光泵浦容易实现高功率输出，但该泵浦方式的缺点是光谱成分中缺少蓝移成分，光谱展宽和平坦度不够理想.皮秒脉冲光纤激光器能够实现超过100 W的激光输出［13］，产生的超连续谱具有宽波长和平坦光谱分布的特性［14-15］，因此，在实现高功率和高质量的超连续谱光源方面具有极大潜力.基于3级MOPA结构皮秒光纤激光器泵浦一段长30 m的国产PCF，为避免空间耦合方式对系统稳定性的影响，将PCF与皮秒光纤激光器后隔离器的输出尾纤直接熔接，通过仔细寻找最佳放电时间与放电强度，使PCF气孔微微塌陷，形成平滑的过渡区域，达到最优化的高功率超连续谱产生，实现了全光纤化结构的超连续谱光源［16］，获得最高功率为5 W的稳定超连续谱输出，如图3.

图3 连续谱光源的输出功率特性Fig.3 Output power characteristic of supercontinuum source

超连续谱的光谱演变如图4.在最大输出功率5 W时，短波展宽至600 nm，长波超过1 700 nm，长波方向光谱密度比短波方向大5 dB以上.通过减小脉冲重复频率或提高泵浦平均功率进一步增加脉冲峰值功率，可使短波方向进一步蓝移，光谱更加平坦.

图4 不同输出功率下的输出光谱Fig.4 Supercontinuum spectra at different output power

3 纳秒脉冲泵浦锥形PCF中超连续谱产生

锥形PCF沿光纤长度方向改变色散，其零色散波长逐渐向短波方向移动，这一特性可使产生的超连续谱向更短波长处扩展［17-19］.2011年，本课题组在拉丝塔上通过连续改变拉丝速度，制作出一根145 m长的锥形PCF，其入口端与出口端的扫描电子显微镜 (scanning electron microscope，SEM)图像如图5.其外径从110 μm减小到80 μm，锥形光纤入口端面纤芯的3条对角线长分别为L11=5.6 μm、L12=4.43 μm 和L13=4.6 μm，出口纤芯 3 条对角线长分别为L21=4.13 μm、L22=3.33 μm 和L23=3.36 μm，3 个锥度 (L1x/L2x，x=1，2，3)都接近1.36.利用有限元法计算得到，当锥形光纤外径从110 μm下降到80 μm时的色散曲线如图6.零色散波长从光纤入口处的1 000 nm下降到出口处的915 nm.计算也表明，在1 060 nm处的非线性系数从 17 W-1·km-1提高到 30 W-1·km-1.

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

图 6 外径从 110 μm 下降到 80 μm(间隔 10 μm)，对应锥形PCF的色散曲线Fig.6 Dispersion curves as the out diameter decreases from 110 μm to 80 μm in step of 10 μm

利用本课题组研制的纳秒调制半导体激光器作为种子源(重复频率1.55 MHz，脉宽11.03 ns，中心波长1 060.14 nm，谱宽(半高全宽)0.63 nm，输出功率3 mW)，经3级放大后得到功率为18.2 W.将其直接与锥形PCF熔接，最大耦合入纤功率达8.6 W，对应超连续谱功率随入纤功率的变化曲线如图7，超连续谱最大输出功率为2.2 W.随着耦合到PCF中功率的增大，输出光谱逐渐展宽，形成超连续谱，在最大泵浦功率下，输出超连续谱短波限达到440 nm，其输出光谱如图8.

图7 超连续谱源的输出功率特性Fig.7 Output power characteristic of supercontinuum source

4 网状PCF超连续谱产生

图8 超连续谱随增加泵浦功率的演化Fig.8 Evolution of supercontinuum with increasing pump power

网状PCF在纳米化学和传感领域具有潜在应用前景［20-21］.2011年本课题组研制出一种网状PCF，其环绕中心的6条壁长度各为20 μm，其中一条厚度为0.55 μm的壁 (计算其TE00模均为正常色散，而TM00模具有两个零色散波长，分别为570 nm和830 nm［22］)，如图9.通过仔细调节，将钛宝石飞秒激光器 (输出脉冲中心波长800 nm，重复频率76 MHz，脉冲宽度200 fs)耦合入壁中，改变飞秒激光的入射偏振方向，实验获得偏振相关的可见光超连续谱，如图10.当入射光与TE模方向夹角θ在0°～20°时，光谱展宽弱，且对称展宽，分析认为机制主要为正常色散区的自相位调制;从θ=30°开始，随着耦合入TM模功率的增加，在TM模反常色散区内的部分光脉冲能量将产生孤子频移和色散波，导致光谱快速展宽，对应输出光斑的颜色相应变化，如图11.当在入射光与TE模方向夹角为90°时，获得超连续谱光谱范围为350～950 nm.

图9 网状PCF的SEM图Fig.9 The SEM images of nanoweb fiber and the 0.55μm-thickness membrane

5 全固光子带隙光纤超连续谱产生

基于全内反射光子晶体光纤(total internal reflection photonic crystal fiber，TIR-PCF)产生的超连续谱具有极强的光谱展宽，光谱宽度可超过2个倍频程，但对光谱展宽的位置及宽度不能主动控制.而光子带隙光纤的带隙效应具有光谱滤波特性，通过控制光纤带隙的位置和宽度，可实现特定波长范围的超连续谱产生，产生的光谱具有极好的稳定性［23］.

图10 泵浦功率460 mW时，θ从0°～90°记录的光谱Fig.10 Recorded spectra for θ =0°to 90°at pump power 460 mW

图11 不同入射偏振角度记录的光斑图Fig.11 Recorded mode photograph at different incident angle

2010年，本课题组拉制出一种全固光子带隙光纤，光纤端面如图12(a).包层周期中亮色区域为掺锗区，黑色环形区域为掺氟区，纤芯和包层其它区域为纯石英材料.用于拉制包层微结构的预制棒的折射率分布如图12(b).高折射率掺锗玻璃柱折射率分布为抛物线形，其最大折射率差为0.033，掺氟折射率抑制层的折射率比基底材料低0.008.

利用基于PCF的宽带光源，测量得到光纤在0.6～1.7 μm波长范围内存在着两个透光窗口，如图13.在1.2 μm处的高损耗峰对应带隙的截止波长，计算传输窗口2中光纤零色散波长为812 nm.

图12 全固光子带隙光纤SEM图及折射率分布Fig.12 SEM image and refractive index profile of the all-solid photonic bandgap fiber

图13 全固光子带隙光纤的传输谱Fig.13 Transmission spectrum of all-solid photonic bandgap fiber

图14 全固光子带隙光纤输出光谱随泵浦功率的演变Fig.14 Evolution of supercontinuum with increasing pump power in all-solid photonic bandgap fiber

使用中心波长为800 nm的钛宝石飞秒激光器在光纤正常色散区泵浦，获得了基于四波混频效应产生的宽带非线性光谱展宽，如图14.随着泵浦功率的增加，信号光的相对强度逐渐增大，光谱宽度增加，峰值不断向短波方向移动.在泵浦功率达到最大时，反斯托克斯光谱宽度超过120 nm(620～740 nm).由于设计的光纤在长波方向具有高损耗特性，阻止了斯托克斯光谱的产生，使产生的光谱被限制在可见光波段.

结 语

作为一种新型的非线性光学材料，PCF推动了超连续谱光源的研究，由于具有新性能PCF不断被设计出来，对超连续产生机理和特性的研究仍是未来研究的热点.随着全光纤化技术的进步，相信超连续谱光源的功率将很快达到百瓦级.

本文介绍该课题组近几年在全光纤化超连续谱光源，及在网状PCF和全固态光子带隙光纤中超连续谱产生等方面的主要研究结果.下一步将继续推进新型结构与功能PCF研制，深入研究实用化高功率白光超连续谱和中红外超连续谱光源.

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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

国家自然科学基金资助项目 (61007054);广东省自然科学基金资助项目 (9451806001002428)

阮双琛 (1963-)，男 (汉族)，陕西省韩城市人，深圳大学教授、博士生导师.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).

【中文责编:方 圆;英文责编:卫 栋】