新型高双折射微结构纤芯光子晶体光纤的可调谐超连续谱的特性研究∗

熊梦杰 李进延罗兴 沈翔 彭景刚 李海清

(华中科技大学,武汉光电国家实验室,武汉 430074)

新型高双折射微结构纤芯光子晶体光纤的可调谐超连续谱的特性研究∗

熊梦杰 李进延†罗兴 沈翔 彭景刚 李海清

(华中科技大学,武汉光电国家实验室,武汉 430074)

(2016年12月26日收到;2017年1月18日收到修改稿)

提出并制备了一种新型微结构纤芯光子晶体光纤,即在椭圆纤芯中增加一排亚微米级的空气孔,提高了光纤的双折射值,改变了两个偏振基模的色散特性.通过有限元法数值模拟了该光纤的双折射、非线性和色散等特性,并优化结构参数.使用脉宽为15 ps,重复频率为45 MHz的激光抽运该光纤,通过调节抽运激光入射的偏振方向,实现了可调谐的宽带超连续谱.实验研究了输入激光的功率和偏振方向对超连续谱的影响,以及输出超连续谱的偏振特性:当脉冲偏振方向沿着主轴入射时,得到了800—1500 nm的线偏振超连续谱,输出谱的消光比为21.2 dB;当脉冲偏振方向逐渐远离主轴时,输出超连续谱的谱宽逐渐变窄,并且在与主轴呈处达到最小值.维持抽运脉冲功率不变,仅改变脉冲入射的偏振方向,能够实现300 nm谱宽可调谐的超连续谱.

光子晶体光纤,高双折射,可调谐,超连续谱

1 引 言

超连续谱(supercontinuum,SC)是高功率激光经过非线性介质后产生光谱极大展宽的现象,具有良好的空间相关性和高的输出功率［1].而光子晶体光纤具有较高的非线性和灵活可控的色散特性,因此成为产生SC的理想介质［2−5],激发的SC被广泛应用于光学相干层析成像和频谱压缩检测等领域［6−10].高双折射光纤能够维持传输模式的偏振态不受环境的影响,并且在快轴和慢轴两个方向上具有不同的色散特性,因此利用高双折射光子晶体光纤可以实现对SC偏振特性的调节［11−16].2003年Proulx等［17]理论和实验研究了高双折射光子晶体光纤中SC的产生,表明光谱展宽主要由红移的高阶孤子分裂和蓝移的非孤子辐射引起.2007年,Xiong和Wadsworth［18]利用1064 nm激光抽运双大孔保偏光子晶体光纤,获得了450—1750 nm的SC,并使用硼酸铋晶体得到了400—525 nm中心波长可调谐的脉冲光谱.2013年,赵原源等［19]使用V型光子晶体光纤作为增益介质,实验研究了光纤的双折射效应对SC的影响.

本文设计并拉制了一种新型高双折射光子晶体光纤,即在纤芯中加入了一排亚微米级的空气孔,极大地增加了光纤的保偏性能,改变了色散特性.然后用中心波长为1040 nm、重复频率为45 MHz的皮秒脉冲激光器抽运该光纤激发出SC,研究了抽运激光功率和输入偏振方向对SC的影响.实验中调整脉冲偏振方向与光纤的主轴重合,可以激发出线偏振的SC.同时,由于高双折射光纤的两个主轴具有不同的色散特性,因此通过改变脉冲的入射角度,可以实现对SC谱宽的调节,为SC光源提供了更广阔的优化和应用前景.

2 高双折射光子晶体光纤结构及其特性

采用二次拉丝的方法,自行拉制光纤的端面如图1所示.该光纤包含两种不同尺寸的空气孔,其中包层由8层大空气孔构成,空气孔直径d1=6.6µm,孔间距Λ1=7.3µm;纤芯加入了一排亚微米级的空气孔,微孔直径d2=0.2µm,孔间距Λ2=0.9µm.

图1 光纤端面电镜图Fig.1.Scanning electron microscopy cross-section image of the fi ber.

图2 模式有效折射率和双折射值随波长的变化Fig.2.Variations of birefringence and neffas a function of the wavelength.

图3 光纤两个偏振基模色散系数D随波长的变化Fig.3.Variation of the dispersion of the basic mode as a function of the wavelength.

如果去掉光纤纤芯中的亚微米量级的空气孔,模拟计算得到该光子晶体光纤在1550 nm处的双折射仅有2×10−4,并且两个非简并基模的色散曲线非常接近,零色散波长约为1017 nm.在纤芯中加入了一排亚微米级小孔,双折射值提高了一个数量级,零色散点向长波方向移动,并且两个偏振基模色散曲线产生较大差异.在波长为1µm的情况下模拟的非简并基模的光场分布如图4所示,测量的实际光斑如图5所示.实验中拍摄的远场光斑为可见光,波长较短并接近微孔尺寸,此时微孔起到一定的隔离作用,纤芯相当于两个平行波导传输,因此可能产生了同相位超模.

图4 模拟基模光场分布图 (a)x偏振基模;(b)y偏振基模Fig.4.Electric fi eld distribution of the fundamental mode for(a)x and(b)y polarizations at a wavelength of 1µm.

图5 实验光斑图Fig.5.Photographs of SC in the experiments.

3 实验与结果分析

实验装置如图6所示.实验中采用的是非线性偏振旋转锁模激光器,输出脉冲为线偏振光,中心波长为1040 nm,脉宽为15 ps,脉冲重复频率为45 MHz,光束口径约为2 mm,输出功率调谐范围为0—8 W.光纤耦合器件使用Thorlabs公司的自由空间光纤发射系统,该器件配有高精度差分调节器,从不同方向上提供几十纳米精度的位移,能够实现抽运激光到光纤的高效率耦合.通过调节半波片的旋转角度,可以改变抽运激光进入光纤的偏振方向.在光纤输出端使用格兰激光棱镜检测输出SC的偏振特性.该格兰棱镜的工作波长范围为700—3000 nm,消光比大于106.实验中使用的光谱仪为横河公司(日本)Optical Spectrum Analyzer光谱仪,型号是AQ6370D.由于产生SC的功率较高,因此在光谱仪前加入一个功率衰减器,用于保护光谱仪.

图6 装置示意图,其中,HWP,半波片;AL,非球面透镜;PCF,光子晶体光纤;GL,格兰棱镜;OA,光衰减器Fig.6.Experiment setup.HWP,half-wave plates;AL,aspheric lens;PCF,photonic crystal fi ber;GL,Glan prism;OA,optical attenuator.

3.1保持输入偏振方向不变,改变抽运脉冲激光功率

调节半波片的旋转角度,使脉冲激光的偏振方向与高双折射光子晶体光纤的快轴(x轴)重合,并维持其偏振方向不变,获得的超连续光谱随抽运脉冲功率的变化如图7所示.实验中输入脉冲功率依次为0.87,1.37,1.86,2.26,2.61 W,所激发的SC随着功率的增加不断向两端扩展:当输入功率为0.87 W时,光谱范围为900—1380 nm,谱宽为480 nm;当输入功率为2.61 W时,光谱范围为700—1560 nm,谱宽为860 nm,整个SC的谱宽增加了380 nm.

实验中抽运激光位于光纤的正常色散区,因此主要由自相位调制和拉曼散射效应初步展宽光谱.在光谱向两端展宽的过程中长波长光谱成分逐步红移延伸进入到反常色散区,此时反常色散和自相位调制共同作用形成了高阶孤子.在高阶孤子形成、分裂和红移过程中抽运激光的能量大部分被转换到SC长波长区域,导致光谱向长波长区域迅速展宽.同时,在高阶色散的作用下各阶孤子分裂成一系列基阶孤子并向短波长区发射色散波,并且由于群速度匹配引起的孤子俘获效应导致色散波发生蓝移现象,因此SC向短波长区域也发生一定的展宽.

图7 输出SC随抽运功率的变化Fig.7.The spectra of radiation at the output of the microstructure fi ber for di ff erent input powers.

3.2保持抽运功率和输入偏振方向不变,检测输出光谱的偏振特性

保持抽运功率为0.65 W不变,旋转半波片使输入激光的偏振方向与光纤x轴呈0◦(沿快轴)入射,同时调节格兰棱镜的偏振方向也与光纤的快轴重合,然后依次旋转格兰棱镜30◦,45◦,60◦,90◦(沿慢轴),分别测量产生的SC如图8(a)所示.当脉冲沿快轴入射时,产生了沿快轴方向偏振的SC.由于光纤在拉丝过程中发生一定程度的扭转,同时内部产生的结构缺陷造成光纤保偏性能的下降,导致沿光纤快轴传输的部分线偏光会耦合到另一个正交的偏振态上,因此在慢轴方向上有功率较低的激光输出.

保持脉冲功率不变,旋转半波片使抽运激光的偏振方向与光纤快轴呈45◦,调节格兰棱镜的偏振方向与光纤的快轴重合,然后依次旋转30◦,45◦,60◦,90◦(沿慢轴),输出的SC在各个偏振方向上几乎具有相同的谱宽,如图8(b)所示.这是因为当脉冲与快轴呈45◦入射时,抽运功率被等分地分解到快轴和慢轴两个方向上.由于两个非简并基模的有效折射率和色散不同,因此两个偏振方向上产生的SC有稍微差别.

进一步研究输出SC的偏振特性,使用功率计测量计算其消光比.旋转半波片使抽运脉冲的偏振方向与光纤x轴分别呈0◦,45◦,90◦入射,然后旋转格兰棱镜测量SC在不同偏振方向上的功率,结果如图9所示.当抽运脉冲的偏振方向与光纤主轴重合时,由于光纤具有保偏特性,输出的是线偏振SC,消光比为21.2 dB;当输入脉冲的偏振方向与光纤主轴呈45◦时,其输出的SC是非偏振光,各个方向上的输出功率几乎相同.因此使用该高双折射光子晶体光纤作为激发超连续的介质,改变输入脉冲的偏振方向就可以调节输出光谱的偏振态,提高了输出光谱的使用灵活性.

图8 抽运脉冲与光纤快轴呈(a)0◦和(b)45◦入射时产生的SCFig.8.E ff ect of input polarization on SC generation:(a)θ=0◦(slow axis);(b)θ=45◦.

图9 输出功率随格兰棱镜旋转角度的变化Fig.9.The variation of output power with the rotation angle of the Glan prism.

3.3保持抽运功率不变,改变脉冲激光的输入偏振方向

当激光脉冲以不同的偏振角度入射时,由于高双折射光子晶体光纤的两个正交偏振基模具有不同的色散特性,导致非线性过程中产生新的频谱有所差异.实验中输入功率保持2.26 W不变,调节半波片的旋转角度,使抽运脉冲的偏振方向与光纤快轴的夹角θ分别为0◦,30◦,45◦,60◦,90◦.去掉装置图中的格兰棱镜,直接测量输出的SC如图10所示.随着抽运脉冲偏振方向与光纤快轴的夹角由0◦逐步增加到90◦,产生的超连续光谱的谱宽由宽变窄,再由窄变宽.实验现象与文献[20]一致.实验中,旋转半波片的角度,光纤呈现出不同的颜色,如图11所示.当脉冲沿光纤主轴入射时,输入的抽运脉冲偏振方向与快轴或者慢轴重合,获得了800—1500 nm最大展宽的SC;当入射脉冲偏振方向与主轴呈45◦角时,光谱展宽减小到900—1300 nm.维持脉冲功率不变,仅仅改变脉冲入射的偏振方向,就能够实现SC谱宽的调谐,调谐范围可以达到300 nm.

图10 光脉冲以不同角度入射时产生的SCFig.10.SC obtained with input pulses polarized at di ff erent angles with respect to the x axis.

当抽运脉冲沿主轴入射时,由于该光纤具有较高的保偏性能,光脉冲将沿着光纤的主轴传输而不会耦合到另一个正交的偏振基模上,因此输出的是线偏振SC,偏振方向与主轴重合.同时由于两个偏振基模的色散曲线不同,影响了非线性过程中频率转换过程,因此脉冲分别沿快轴和慢轴传输时得到的光谱展宽也不相同.当入射脉冲的偏振方向与光纤的快轴成夹角θ时,脉冲进入光纤后被分解为沿主轴的两个分量,其光功率分别为Px=P0cos2θ,Py=P0sin2θ.此时相当于两个正交的偏振脉冲在光纤中传输,并且在交叉相位调制和非线性耦合效应作用下共同产生SC.当θ=45◦时,分解到两个主轴方向上的脉冲功率最低,激发的非线性效应最弱.同时由于两个偏振基模的群速度和色散不同,导致两个正交的偏振脉冲在光纤传输的过程中发生时域和空间上的分离,减弱了模式之间的交叉相位调制作用和非线性耦合效应,降低了光谱的展宽,因此产生的SC的谱宽最窄.

图11 皮秒脉冲抽运光纤的侧面照片Fig.11.Photo of the fi ber pumped by a picosecond pulse.

4 结 论

本文设计了一种纤芯中增加亚微米级椭圆空气孔的光子晶体光纤,模拟了该光纤的双折射、非线性、色散曲线等特性,根据模拟结果拉制出一种新型的具有高双折射、高非线性的光子晶体光纤,为拉制高性能的保偏光纤提供了新的思路.使用该光纤作为非线性介质,利用皮秒激光器进行抽运得到了平坦的线偏振SC,实验研究了SC的光谱和偏振特性.当脉冲沿光纤主轴入射时,输入的抽运脉冲偏振方向与快轴或者慢轴重合,获得了800—1500 nm SC,并且消光比达到21.2 dB;当入射脉冲偏振方向与主轴呈45◦时,抽运脉冲功率被分解到快轴和慢轴两个方向上.纤芯中的一排空气孔改变了光纤在两个方向上的色散特性,减弱了模式之间的交叉相位调制作用和非线性耦合效应,光谱展宽减小到900—1300 nm.维持脉冲功率不变,仅仅改变脉冲入射的偏振方向,就能够实现SC谱宽的调谐,调谐范围可以达到300 nm.同时,通过扫描电子显微镜光纤截面图可以看出,光纤结构略有形变.经过进一步的提高拉丝工艺,降低光纤损耗,优化光纤结构,能够得到更宽、更平坦的SC.本文的研究对于偏振可调谐的超连续光源的应用和优化具有一定的意义.

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PACS:42.81.–i,42.81.Bm,42.81.Cn,42.81.GsDOI:10.7498/aps.66.094204

Experimental and numerical study of tuneable supercontinuum generation in new kind of highly birefringent photonic crystal fi ber∗

Xiong Meng-Jie Li Jin-Yan†Luo Xing Shen Xiang Peng Jing-Gang Li Hai-Qing

(Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

26 December 2016;revised manuscript

18 January 2017)

We report on a new kind of highly birefringent and highly nonlinear photonic crystal fi ber with a row of sub-micron air hole in the fi ber core.The diameters of air holes in fi ber core and cladding are 0.2µm and 6.6µm respectively.The parameters of birefringence,nonlinear and dispersion coefficient of the fi ber are simulated by fi nite element method.It is found that the birefringence of the fi ber can exist at the wavelengths up to 1550 nm,which is one order of magnitude higher than that of the traditional polarization-maintaining fi ber.The zero-dispersion wavelengths of the fast axis and slow axis are 1050 nm and 1080 nm respectively.This fi ber has a clear advantage over conventional fi ber in continuum generation.Firstly,the polarization state of the pulse traveling in the fi ber can be sustained along the fi ber length and the extinction ratio is more than 20 dB.In addition,the pulses travel at di ff erent group velocities along the two polarization directions,which provide a convenient way of tuning the properties of the generated supercontinuum.Using this fi ber as a nonlinear medium,an efficient generation of a tunable supercontinuum is demonstrated by pumping with 15 ps pulses of 1040 nm laser radiation,which is located in the normal dispersion region.A half-wave plate is used to vary the input polarization of the light pulse launched into the fi ber,and the polarization of output supercontinuum is adjusted by a Glan prism at the same time.It is experimentally found that the polarization of pulse has a signi fi cant in fl uence on the generation of the supercontinuum.When the linear polarization of the input pulse matches with the direction of the main axis of the fi ber,the supercontinuum can be broadened over wavelength range of 800–1500 nm,and the extinction ratio is 21.2 dB.The polarization direction of the output SC is found to coincide with the pump pulse.When the angle between the polarization of the input pulse and the fast axis is increased to 45 degrees,the output supercontinuum is circularly polarized and becomes narrowest,extending from 900 to 1300 nm.So we can realize the wide tuning of a supercontinuum by only changing the polarization direction of the incident pulse.Under the circumstances,the pulse in optical fi ber can be broken into two components along the main axis respectively.If the input polarization direction is away from both principal axis directions,the power along the main axis and the contribution of cross phase modulation are reduced because of the walk-o ffe ff ect,so the width of the supercontinuum will become narrower.It is suggested that this type of high birefringence photonic crystal fi ber could be e ff ectively applied to the generation of the tunable supercontinuum.

photonic crystal fi ber,high birefringence,tunable,supercontinuum

10.7498/aps.66.094204

∗国家自然科学基金(批准号:61535009)资助的课题.

†通信作者.E-mail:ljy@mail.hust.edu.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61535009).

†Corresponding author.E-mail:ljy@mail.hust.edu.cn