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0431-81702023
光學工程
基于高摻鍺石英光纖的中紅外超連續譜產生

摘要 采用波長為 2 μm、脈沖寬度為 50 ns 的摻銩光纖調 Q 激光器作為抽運光源,纖芯摻鍺濃度為 75%的石英光纖為非線性介質,進行了中紅外超連續譜產生的研究。實驗過程中在摻鍺石英光纖的抽運光輸入端熔接一截 100~ 200 μm 長的多模光纖以提高光纖的空間耦合效率和損毀閾值,通過優化摻鍺石英光纖的長度,最終在 1.9 μm(受光譜儀測量范圍限制)~2.9 μm 范圍內獲得了較平坦的超連續譜輸出,10 dB 帶寬和 20 dB 帶寬分別達到 950 nm 和 980 nm,而且其長波限接近目前報道的基于同類光纖的超連續譜的最大長波限。

關鍵詞 非線性光學; 光纖; 超連續譜產生; 摻鍺光纖; 中紅外光源

1 引 言

     光纖超連續譜光源具有寬而穩定的輸出光譜,因此在醫學診斷、光學成像和光譜學研究等領域具有廣泛的應用[1-4] 。在從紫外到遠紅外的整個光譜范圍中,中紅外波段由于包含了大氣透明窗口和大部分分子的吸收譜線波長,因此在化學和生物檢測中都有著非常重要的應用[5] 。為了獲得基于光纖的中紅外超連續譜,研究人員通常采用具有高非線性效應的光纖,如基于氟化物[6] 、亞碲酸鹽[7] 和硫屬化合物[5, 8-9] 的特種光纖,和波長接近其零色散點的脈沖激光抽運[8] ,利用光纖中的自相位調制、交叉相位調制、四波混頻等非線性效應,產生超連續譜輸出。然而,這些光纖與石英光纖相比,在化學穩定性、機械強度和抗熱沖擊能力上存在較大差距,而且很難以普通的熔接技術與石英光纖連接。而摻鍺石英光纖具有與普通石英光纖相似的特性,可以利用常規熔接技術與普通石英光纖連接,并同時具有高非線性效應、高拉曼散射系數等特點,因此在中紅外光纖超連續譜產生的研究中獲得較多關注[10-13] 。由于超短脈沖激光的峰值功率比較高,作為抽運源更容易獲得寬的超連續譜,因此絕大多數的報道中都采用了價格昂貴的飛秒或皮秒脈沖激光器作為抽運源[11-13] 。然而,使用飛秒或皮秒脈沖抽運光并不是產生超連續譜的必要條件,在足夠高功率的前提下,納秒脈沖甚至連續光也可以產生超連續譜。在這種情況下,調制不穩定性為其提供了種子注入,產生了四波混頻邊帶,在自相位調制、交叉相位調制和拉曼散射增益等非線性效應的共同作用下,產生了超連續譜。2012 年,Kamynin 等[14] 采用波長為 1.59 μm、脈沖寬度為 35 ns 的調 Q 摻鉺光纖激光器作為抽運源,在長度為 7 m 的 65%摻鍺石英光纖中獲得了波長范圍為 1.6~2.7 μm 的超連續譜輸出。

      本文利用波長為 2 μm、脈沖寬度為 50 ns的調 Q 摻銩光纖激光器抽運高濃度摻鍺石英光纖,通過優化摻鍺石英光纖的長度,并在摻鍺石英光纖的輸入端熔接一截 100~200 μm 長的多模光纖以提高抽運光的空間耦合效率和光纖的損毀閾值,最終在 1.9~2.9 μm 范圍內獲得了較平坦的超連續譜輸出,10 dB 帶寬和 20 dB 帶寬分別達到 950 nm 和 980 nm,而且其長波限接近目前已報道的基于同類光纖的超連續譜產生的最大值[11-12] 。

2 實驗裝置

      超連續譜產生的實驗裝置如圖 1 所示。其中,抽運激光器為輸出波長為 1999 nm 的高功率調 Q 摻銩光纖激光器,輸出端為直徑 5 mm 的準直器,光斑直徑為 4 mm,最高峰值功率為 1 kW,脈沖頻率為 10 kHz,脈沖寬度為 50 ns,其輸出光譜如圖 2 所示。空間耦合裝置由兩個反射鏡和一個焦距為 10 mm 的多維可調的會聚透鏡組成,抽運光最后被會聚到光纖端面的中心。在輸出端利用光譜儀(OSA,YOKOGAWA AQ6375L)測量輸出譜,可測光譜范圍是 1900~3400 nm。

     

      實驗中采用的摻鍺石英光纖的纖芯直徑為 4 μm,纖芯中有 75%的二氧化鍺摻雜。高濃度的摻雜和小的模場直徑(約 5 μm)使該光纖具有比普通單模光纖(SMF)高 3 倍的克爾非線性系數和高 9 倍的拉曼散射系數[10] 。該光纖在通信波段的損耗遠高于普通通信光纖,但是當波長大于 1.8 μm 時,其損耗變得小于普通單模光纖,二者的損耗曲線如圖 3 所示。該摻鍺石英光纖的零色散波長在 1.9 μm 附近,2 μm 的抽運激光處于其靠近零色散波長的反常色散區內,有利于超連續譜的產生。

      由于耦合過程中抽運激光的能量會聚在幾微米直徑的光纖纖芯端面時會產生高溫,而二氧化鍺的玻璃化轉變溫度僅為 513 ℃~650 ℃[10] ,遠低于二氧化硅的轉變溫度,當抽運激光功率較高時,摻鍺石英光纖的端面會損壞,降低耦合效率。為提高光纖端面耦合的效率和損毀閾值,在摻鍺石英光纖端面之前熔接一截長度僅為 100~200 μm 的 62.5/125 μm 多模光纖(MMF),如圖 1 所示,避免了將摻鍺石英光纖直接暴露在抽運激光的焦點處。由于多模光纖纖芯的摻鍺濃度遠低于高摻鍺光纖,所以其熱損毀閾值溫度高于高摻鍺光纖,因此能承接更高功率的抽運激光。與此同時,多模光纖大的纖芯直徑也十分有利于光的收集,對提高耦合效率有很好的幫助。經過反復實驗發現:在熔接多模光纖之前,光纖耦合端面最多可以承受平均功率 350 mW 的抽運光,耦合效率為 50%左右;加入多模光纖之后,耦合端面可以承受平均功率超過 700 mW 的抽運激光,耦合效率也提高到 70%左右。

3 實驗結果與討論

      非線性光纖的長度會影響超連續譜的產生,這是因為光纖的長度會對非線性效應的產生和傳輸損耗產生影響。若光纖長度過短,則不能進行充分的非線性波長轉換;而如果光纖過長,則會由于長波長范圍處較高的損耗使光譜展寬寬度受限[14] 。因此在固定抽運激光輸出功率的情況下,利用不同長度的摻鍺石英光纖來進行對比實驗,以找到產生超連續譜的最優光纖長度。實驗在抽運激光器平均輸出功率為 500 mW 情況下,采用長度為 2.6~4.8 m 的摻鍺石英光纖,獲得的實驗結果如圖 4 所示。獲得的超連續譜從 1.9 μm(受光譜儀測量范圍限制)可擴展到 2.9 μm,展寬相對于抽運波長很不對稱,但平坦度很好,僅在抽運光兩側觀測到幾個對稱分布的小的波峰。由于高摻鍺光纖具有較高的非線性系數,在納秒脈沖準連續光抽運時,調制不穩定性將抽運光轉變為皮秒脈沖序列,從而產生了四波混頻邊帶(對應于抽運光兩側間隔相等的兩對波峰),在自相位調制、交叉相位調制和拉曼散射增益等非線性效應的共同作用下,產生了頻譜展寬,其不對稱性是由于受激拉曼散射效應對長波長分量的選擇性放大造成的。在 2180 nm 附近可觀察到明顯的波峰,對應于光纖的一階拉曼散射的斯托克斯分量。

      由圖 4 可見,在平均功率為 500 mW 的抽運情況下,高摻鍺光纖的最優長度約為 2.8 m,產生的超連續譜覆蓋范圍寬達 1000 nm,長波限達到了 2.9 μm,是目前采用納秒脈沖激光抽運摻鍺石英光纖所產生的最大長波限,而采用飛秒脈沖激光抽運摻鍺石英光纖產生的超連續譜的長波限也只在 3 μm 左右[11-12] 。在長度為 2.6 m 的摻鍺石英光纖產生的超連續譜中,長波部分的強度明顯減弱,因為較短的光纖在長波側無法提供足夠的支持進行充分的波長轉換。而當長度超過 2.8 m 后,產生的超連續譜的長波限隨光纖長度增加出現明顯的收縮,應該與較長的光纖所帶來的較高的傳輸損耗相關,因為光纖的損耗隨波長快速增長(如圖 3 所示),其在 2.8 μm 波長處的損耗估計在 3 dB/m 以上,遠高于短波側的損耗,因此長波限受光纖長度的影響最明顯。超連續譜譜寬隨摻鍺石英光纖長度的變化關系如圖 4 插圖所示。

      圖 5 為 2.8 m 摻鍺石英光纖在不同抽運功率下產生的超連續譜。當抽運功率相對較低時,隨著抽運光功率的增大,產生的超連續譜迅速展寬,平坦度逐漸提升,強度也快速增加;當抽運功率超過 300 mW 后,超連續譜的強度依然有所提升,但是寬度幾乎沒有變化。由此可以看出,隨著抽運功率的提升,超連續譜展寬到一定程度后,繼續提高抽運功率并不能產生更寬的超連續譜。在超連續譜的 2.6~2.7 μm 波段,有很多細的吸收線出現,這是由空氣中的水蒸氣分子和石英中的 OH- 離子的吸收造成的[15] 。

4 結 論

      利用波長為 2 μm 的納秒脈沖摻銩光纖激光器抽運 75%摻鍺石英光纖,獲得了中紅外超連續譜輸出。實驗過程中通過優化摻鍺石英光纖的長度,及在摻鍺石英光纖的輸入端熔接一截短的多模光纖以提高抽運光的空間耦合效率和損毀閾值,最終在 1.9~2.9 μm 范圍內獲得了較平坦的超連續譜輸出,10 dB 帶寬和 20 dB 帶寬分別達到 950 nm 和 980 nm,其長波限接近目前報道的基于同類光纖的超連續譜的最大長波限。由于摻鍺石英光纖具有比其他產生中紅外超連續譜的特種光纖(如氟化物光纖、硫屬化合物光纖等)更高的化學穩定性、機械強度和抗熱沖擊能力,而且可以采用常規的熔接技術與普通光纖連接,同時具有高的非線性效應和拉曼散射系數等優點,這種基于高摻鍺光纖的超連續譜光源可望在未來獲得廣泛的應用。

 


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