光子晶體光纖包層可見光及紅外寬帶色散波產生*

趙興濤 鄭義 韓穎 周桂耀 侯峙云 沈建平王春 侯藍田

1 引言

在光纖的反常色散區,光脈沖尤其是超短脈沖通常是以高階孤子的形式傳輸的.然而,由于三階色散或更高階的色散擾動,它會輻射出色散波[1-3].色散波的波長相對于孤子的中心波長既可以是紅移也可以是藍移,這種新的頻譜成分的產生,又稱為契倫科夫輻射或非孤子輻射[4].色散波的產生使頻譜得到極大的展寬,是超連續譜產生的重要物理機制之一[5,6],還可以用作波長變換技術,可在鎖模飛秒激光器達不到的新波段產生散射[7,8],基于此技術的激光光源在生物光子學、超短脈沖相位控制及高精度頻率梳等方面有重要應用.

光子晶體光纖(photonic crystal f i ber,PCF)的出現為非線性光纖光學領域的研究注入了新的活力,超短激光脈沖與光子晶體光纖的結合使得非線性光學頻率轉換和展寬產生了許多令人興奮的成果[5-8].目前大部分研究都是利用PCF纖芯傳輸,而PCF包層三個空氣孔之間的節區比纖芯面積小很多,相應的非線性系數大很多,很容易得到雙零色散曲線,且兩個零色散波長的距離較近,所以包層節區可以產生良好的非線性效應[9].

本文對比了PCF纖芯與包層節區傳光的模場面積、非線性系數及色散特性.分析了色散波產生的相位匹配特性,得到了色散波中心波長隨抽運波長及功率的變化規律.另一方面實驗得到了在可見光及紅外的寬帶色散波產生,將實驗結果和理論分析進行了對比,找到了寬帶色散波的產生條件.

2 PCF包層節區的傳光特性

2.1 PCF的結構

本文研究的PCF端面如圖1所示.包層空氣孔間距Λ=4.2μm,空氣孔直徑d=3.77μm,空氣填充比d/Λ=0.88,纖芯直徑dc=3.82μm.三個相鄰空氣孔之間的區域稱為節區,兩個相鄰空氣孔之間的壁稱為脈區.

圖1 PCF端面圖

2.2 PCF纖芯和包層節區的模場面積及非線性系數

光纖有效模場面積的計算公式為[10]

非線性系數為

其中,I(x,y)為光纖端面的光強分布,n2為石英的非線性折射率系數,取值為3×10-20m2·W-1.PCF纖芯及包層節區傳光時,分別計算了有效模場面積及非線性系數如圖2所示,可以看出,節區的有效模面積大約是纖芯的1/10,相應的非線性系數比纖芯高10倍.所以在PCF非線性光學實驗中,選擇包層節區進行傳光,能得到豐富的非線性效應.

2.3 PCF纖芯和包層節區的色散特性

PCF纖芯及包層節區傳光時的色散曲線如圖3所示.纖芯傳光時,具有1個零色散波長,在1020 nm附近;節區傳光時,具有2個零色散波長,分別在710 nm和1460 nm附近.如果用纖芯傳光想要得到這樣的雙零色散,包層空氣孔直徑d需要在1μm以下[11,12].而本文所用的PCF包層空氣孔d=3.77μm,這樣降低了PCF的制備難度.

2.4 PCF包層節區的相位匹配特性

在給定光纖及光脈沖參數的情況下,根據相位匹配條件,即色散波和光孤子具有相同的波矢,就可以計算出色散波的中心波長.PCF反常色散區的光能量能有效地轉移到與抽運光相位匹配的色散波,其中心波長在PCF的正常色散區,可由以下相位匹配條件決定[12-14]

圖2 PCF的模場面積及非線性系數 (a)纖芯;(b)節區

圖3 PCF纖芯及節區的色散曲線

這里ωP和ωDW分別表示抽運光和色散波的角頻率,β(ωP)和β(ωDW)分別表示ωP和ωP處的傳播常數,γ是PCF的非線性系數,βn(ωP)表示在ωP附近泰勒展開式的n次項.fR表示光纖拉曼延時響應,PP表示脈沖的峰值功率.對應于Δβ=0的ωDW就是色散波角頻率的位置,相位匹配發生時脈沖和色散波具有相同的波矢,就會導致色散波的產生.

當抽運光峰值功率分別為PP=1,10,100 kW時,計算的色散波中心波長隨抽運波長的變化如圖4所示.當抽運波長在光纖的反常色散區,方程(3)解的個數等于光纖的零色散波長個數.根據本文所用的PCF包層節區傳光時存在兩個零色散波長,所以色散波的中心波長也有兩個,一個在可見光500 nm附近的正常色散區,稱為藍移色散波;另一個在中紅外2000 nm附近的正常色散區,稱為紅移色散波.兩個色散波的中心波長都隨抽運波長的增加而減小;藍移色散波中心波長隨抽運功率的增加而減小,紅移色散波中心波長隨抽運功率的增加而增加.

圖4 對于不同的抽運功率,色散波的中心波長隨抽運波長的變化

3 實驗系統及結果討論

PCF非線性實驗裝置如圖5所示.光源是鈦寶石飛秒激光器,波長在750—900 nm之間連續可調,重復頻率為76 MHz,脈沖寬度為120 fs.飛秒激光經隔離器及40倍透鏡耦合進PCF,通過CCD觀察激光在光纖端面的入射位置,經PCF的出射光譜通過兩個光譜儀(Avaspec-256和Avaspec-NIR-256)進行測量,光譜儀的測量范圍分別為200—1100 nm,900—2500 nm.

在實驗中通常測量激光器的平均功率,光脈沖峰值功率與平均功率之間的關系如下Pav是平均抽運功率,vfsr是脈沖重復頻率,TFWHM是入射脈沖的脈寬,P0是抽運脈沖的峰值功率.

當抽運波長為800 nm不變時,抽運光的平均功率分別為0.6,0.5,0.4,0.3,0.2 W,PCF的出射光譜如圖6所示.光譜中出現了四個波段,根據上節相位匹配特性的分析,這四個波段分別為500 nm附近的藍移色散波、800 nm的殘余抽運光、1300 nm附近的寬帶孤子波、2000 nm附近的紅移色散波.隨著抽運功率的增加,光孤子的能量增加,光譜展寬,藍移色散波向短波段擴散,紅移色散波向長波段擴散,實驗結果與圖4的理論分析一致.

圖5 PCF非線性波長變換測試裝置示意圖

圖6 當抽運波長為800 nm不變時,出射光譜隨抽運功率的變化

圖7 當抽運功率不變時,出射光譜隨抽運波長的變化

當抽運光的平均功率為0.6 W時,入射波長分別為780,790,800,810 nm,PCF的出射光譜如圖7所示.隨抽運波長的增加,兩個色散波的中心波長均向短波方向移動.實驗結果與圖4的理論分析一致.實驗中短波段的藍移色散波20 dB譜寬達到了300 nm,長波段的紅移色散波20 dB譜寬達到了600 nm,均為寬帶色散波.

抽運光在PCF傳輸過程中,反常色散區的群速度色散與自相位調制相互平衡時形成光孤子,隨抽運功率的增加,受高階色散、受激拉曼散射及自變陡效應的作用,引起了高階孤子分裂,并伴隨拉曼自頻移效應,從而擴展光譜寬度形成寬帶孤子波[15-18].從圖6和圖7中還可以看出,隨光功率及抽運波長的增加,孤子波段的光譜在第二個零色散波長1460 nm處截止,不再向長波段移動,這與文獻[19,20]關于孤子頻移停止的分析一致.

4 結論

計算得到PCF包層節區的有效模面積大約是纖芯的1/10,相應的非線性系數比纖芯高10倍.利用PCF包層具有小芯、高非線性、雙零色散的特點,實驗得到了在可見光及紅外的寬帶色散波產生,并給出了色散波隨抽運功率及波長的變化規律.藍移和紅移色散波20 dB譜寬分別達到了300,600 nm,均為寬帶色散波.根據色散波的相位匹配理論對實驗結果進行了分析,實驗和理論分析結果一致,為波長變換及寬帶光源的實現提供了新的途徑.

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