双芯光子晶体光纤宽带平坦超连续谱光源

闫培光，黄诗盛，张格霖，李会权，林荣勇，韦会峰，罗 杰，陈抗抗

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，先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室，深圳518060;2)长飞光纤光缆有限公司研发中心，武汉430073;3)武汉安扬激光技术有限责任公司，武汉430073

超连续谱(supercontinuum，SC)光源在生物医学、高精密光学频率测量、多信道通信光源、度量学及激光雷达等领域有着重要的应用［1-2］.超连续谱的产生与高阶孤子分裂、受激拉曼散射(stimulated Raman scattering，SRS)、孤子自频移(soliton self-frequency shift，SSFS)、四波混频(fourwave mixing，FWM)和非孤子辐射(non-solitonic radiation，NSR)等非线性效应有关，要求介质具有高非线性系数并满足色散匹配条件.光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)可提供高非线性系数、强模式限制和可控色散特性，能够在可见光范围内实现反常色散，且可在宽带保持单模传输，有利于提高光束质量.因此，利用目前已产业化的高功率光纤激光器作为泵浦源，可实现全光纤化、功率高、宽带及平坦的超连续谱输出.对于超连续谱光源，光谱的宽度和平坦度是衡量光谱质量的两个重要标准.连续光泵浦虽容易实现高功率输出，但其光谱缺少蓝移成分，光谱宽度和平坦度不够理想［3-4］.飞秒激光脉冲具有峰值功率高的特点，只需在低泵浦功率和较短的光纤长度下便可得到有理想宽度和平坦度的超连续谱光源，但其结构复杂，使用及维护成本较高，平均功率也较难提高.而在皮秒脉冲光纤激光器的泵浦条件下，仅需瓦级甚至毫瓦级的泵浦功率就可以在几米或几十米的PCF中实现具有良好特性(如平坦光谱分布、宽波长范围)的超连续谱输出，如陈抗抗等［5］采用主振荡功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)结构的皮秒光纤激光器泵浦2 m长PCF，实现波长范围为400～2 250 nm的超连续谱输出，但其空间耦合的方法导致超连续谱光源的稳定性和可靠性较差.通过优化设计皮秒脉冲泵浦源和超连续谱光源的结构参数，陈胜平等［6］得到光谱范围为650～1 700 nm的全光纤化超连续谱输出.为使超连续谱光源的光谱特性得到进一步提高，多芯PCF应运而生.对于多芯PCF，每个纤芯之间的模式耦合将产生超模［7］，当输出模式为每个纤芯传输模之间相位差为零的同相位超模时，超连续谱可输出高质量的光斑，其远场具有准高斯分布［8］.韦会峰等［9］利用中心波长为1 064 nm的半导体可饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)锁模掺镱光纤激光器泵浦7芯PCF，实现谱宽超过1 000 nm、具有高光束质量的全光纤化超连续谱输出.但该7芯PCF存在零色散波长(zero dispersion wavelength，ZDW)与泵浦源不匹配、非线性系数小及气孔层数少等问题，加上泵浦源本身的不稳定性，限制了超连续谱展宽程度的进一步提高.2011年Larsen等［10］实验证实增益开关脉冲光纤激光器作为泵浦源有利于光谱的展宽.2013年本课题组利用增益开关皮秒脉冲光纤激光器作为泵浦源，抽运经优化的不同占空比的双包层7芯PCF，实现光谱宽度超过1 900 nm的全光纤化超连续谱输出［11-12］.此外，多芯光子晶体光纤逐渐向百瓦量级的超连续谱输出发展.

本研究报道了一种双芯 PCF，其ZDW位于1 010 nm处，在1 060 nm处的非线性系数为6.82 W-1·km-1.利用中心波长为1 060 nm且具有高稳定性的增益开关皮秒脉冲全保偏光纤激光器作为泵浦源，抽运35 m长的双芯PCF，得到光谱覆盖480～2 200 nm、输出功率为371.7 mW的高光束质量全光纤化超连续谱源，其长波方向10 dB谱宽为1140 nm(1060～2 200 nm)，短波方向3 dB谱宽为460 nm(580～1040 nm)，远场输出为准高斯分布.

1 实验装置

图1 实验装置图Fig.1 Experimental setup

产生超连续谱的实验装置如图1，抽运源是由武汉安扬激光技术有限责任公司研发的增益开关皮秒脉冲全保偏光纤激光器，其中心波长位于1 060 nm处，脉冲宽度为150 ps，重复频率为1 MHz，光束质量M2＜1.3，最大输出功率为4.5 W.为提高激光器的运行稳定性，系统采用全保偏光纤结构，其输出尾纤为芯径20 μm的20/125熊猫型保偏光纤.将该尾纤与长35 m的双芯PCF熔接.双芯PCF的尾端被切割成8°角，以避免激光反馈对系统稳定性的影响.超连续谱的输出光谱和功率分别采用光谱仪(optical spectrum analyzer，OSA)和功率计进行监测.

实验所用的双芯PCF由武汉长飞光缆有限公司采用堆积拉伸法拉制，图2为其端面扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)图.可见，光纤的空气孔直径d=2.7 μm;空气孔周期Λ=3.4 μm;单个纤芯直径D=4.7 μm;空气占空比 d/Λ=0.79.利用有限元法(finite element method，FEM)对其色散和非线性系数进行理论计算，并通过色散测量仪(型号为CD400)实验测量不同波长的色散值，其结果如图3.可见，理论计算与实际测量值(红色点)非常吻合，其ZDW位于1 010 nm处，小于泵浦源的波长，在泵浦源中心波长1 060 nm处的非线性系数γ=6.82 W-1·km-1.

图2 双芯光子晶体光纤扫描电镜图Fig.2 SEM of dual core PCF

图3 双芯光子晶体光纤的色散和非线性曲线Fig.3 Dispersion and nonlinear curves of dual core PCF

2 实验结果

由于双芯PCF的纤芯直径较小，在与20/125熊猫型保偏光纤熔接时，尽管使用光纤后处理技术对双芯PCF空气孔进行塌缩，增加其纤芯直径，减少熔接时模场失配带来的损耗，但熔接效率仅为30%.超连续谱的展宽随输出功率的变化过程如图4，纵坐标每格代表30 dB.泵浦源的中心波长位于双芯PCF的反常色散区域，类似的展宽机制已被广泛研究［13-15］.在光谱展宽的初级阶段，调制不稳定性(modulation instability，MI)起到主要作用，它使得长脉冲(150 ps)分裂成一系列的孤子超短脉冲，并通过脉冲内拉曼散射效应(intrapulse raman scattering，IRS)实现孤子自频移，使孤子波长向长波方向持续频移.由图4可见，当输出功率为20.8 mW时，由于孤子自频移的作用，光谱主要向长波方向展宽.随着泵浦功率的增加，长波处的高能孤子将能量以色散波(dispersion wave，DW)的形式转移到正常色散区，而使光谱逐渐展宽到泵浦波长的短波方向.随着泵浦功率的继续增大光谱不断展宽，拉曼效应产生的长波光谱部分将与短波方向的色散波通过四波混频及交叉相位调制(crossphase modulation，XPM)的共同作用，导致光谱向更短的波长方向展宽.最终，在输出功率为371.7 mW的情况下，实现长波方向10 dB谱宽为1 140 nm(1 060～2 200 nm)、短波方向3 dB谱宽为460 nm(580～1 040 nm)的全光纤化超连续谱光源.为验证实验结果，计算的相位匹配曲线如图5.可见，在输出功率为60.8 mW时，匹配波长分别为550和2 000 nm;在输出功率371.7 mW时，匹配波长分别为480和2 200 nm，与实验结果吻合得非常好，说明光谱的展宽为孤子机制［16-17］.由于泵浦源产生的是长脉冲，调制不稳定性将会放大泵浦源脉冲自身所携带的随机噪声，从而使超连续谱的相干性下降［1］，所以实验获得超连续谱源的相干性并不高.

图4 不同输出功率下的超连续谱Fig.4 Output spectra of the SC at different output powers

图5 双芯光子晶体光纤的相位匹配曲线Fig.5 The calculated group refractive index for dual core PCF

超连续谱的输出模式特性由Spiricon M2-200光斑分析仪测量，其近场2维、3维与远场2维、3维模式如图6.由图6(a)和(b)可见，每个纤芯的强度几乎相同，只有很小的基底，说明传输过程以同相位超模为主，异相位超模得到有效截止;由图6(c)和(d)可见，其远场为准高斯分布.最大输出功率时的远场光斑如图7.可见，中间最大、最亮、最圆的光斑是双芯PCF传输的同相位超模耦合而成的，能量呈准高斯分布，与图6(c)和(d)吻合得非常好.在小功率输出情况下，远场光斑并没有周围的6个小光斑，而在高功率输出情况下，微量的光在双芯PCF包层周期性排列的空气孔处发生衍射现象，则会造成周围的6个小光斑.

图6 最大输出功率下的超连续谱模式Fig.6 The mode profiles of SC at maximum output power

图7 最大输出功率下的远场光斑Fig.7 Far field profile of output beam at maximum output power

结 语

本研究报道一种双芯PCF，其零色散波长位于1 010 nm处，在1 060 nm处的非线性系数为6.82 W-1·km-1.利用中心波长为1 060 nm、重复频率为1 MHz、脉冲宽度为150 ps、最大输出功率为4.5 W及光束质量M2＜1.3的增益开关皮秒脉冲全保偏光纤激光器泵浦长度为35 m的双芯PCF，得到光谱范围480～2 200 nm、输出功率为371.7 mW的全光纤化超连续谱光源，其在长波方向的10 dB谱宽为1 140 nm(1 060～2 200 nm)，短波方向3 dB谱宽为460 nm(580～1 040 nm)，其远场输出为具有准高斯分布.

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