硅芯光纤色散调控及1.55μm泵浦中红外超连续谱产生的新机理和新技术研究

This research project will focus on mid-infrared supercontinuum generation in dispersion tailored silicon optical fiber using 1.55 μm pump. By utilizing the high nonlinear strength and aided by the large refractive index contrast, the available spectrum be greatly expanded from near infrared to the mid-infrared regime. Because silicon is the core material of the optical fiber, the nonlinear coefficient of this fiber is a thousand times more than conventional silica optical fiber, which makes the nonlinear effect can be observed in a relatively short fiber length. By changing the core size of silicon fiber, the dispersion can be tailored which is benefit for flexibly choosing the pump wavelength. The pump source is located at 1550 nm using a mode-locked fiber laser. Fusing splicing of silicon optical fiber and single mode fibre will be investigated. Using this pump source, supercontinuum can be generated in a very short piece of silicon fiber. Analysis of the influence of the pump light source in the normal dispersion or anomalous dispersion region will be investigated.

硅芯光纤是以硅为光纤纤芯材料的新型光纤。硅材料已被证明了具有优良的非线性光学性能，利用硅芯光纤能非常短的光纤长度（亚厘米量级）里观测到明显的非线性效用。本项目聚焦硅芯光纤中光超连续谱产生的新机理和新技术的研究。项目将研究硅芯光纤后处理工艺，通过拉锥的工艺改变硅芯光纤的纤芯大小，提高了纤芯中硅材料的结晶度，同时降低光学损耗和调节硅芯光纤的色散因子。根据色散调控的结果，可灵活地选择泵浦波长。泵源拟采用中心波长位于1550 nm锁模光纤激光器，通过光纤直接熔接的方法来实现泵浦光源输出尾纤与硅芯光纤之间高效耦合，熔接过程中精细控制温度等关键参数来实现低损耗的熔接。最终使用该脉冲来泵浦硅芯光纤从而产生覆盖近红外到中红外波段的光超连续谱。研究过程中也将对硅芯光纤中超连续谱的产生机理以及谱宽特性进行分析，分析泵浦光源分别处于正常色散区和反常色散区对产生光谱的影响。

硅芯光纤作为以硅为纤芯材料的特种光纤，具有非常优良的非线性光学性质。本项目从提高硅芯光纤的光学性质着手，主要的研究内容包括硅芯光纤中色散调控、参数性能优化、硅芯非线性应用特别是中红外超连续谱的产生和优化等几个方面。通过项目的研究，实现了在很短（毫米量级）的硅芯光纤中观测到包括双光子吸收、自相位调制、四波混频和超连续谱产生等非线性效用。相比常规的石英光纤，所需要的光纤长度缩短一千倍以上。本项目研究了硅芯光纤中光超连续谱产生的新机理和新技术，开发了硅芯光纤后处理工艺。通过拉锥的工艺改变硅芯光纤的纤芯大小，提高了纤芯中硅材料的结晶度，在降低光学损耗的同时可以调节硅芯光纤的色散因子。根据色散调控的结果，可灵活地选择泵浦波长。项目制备了零色散点位于1550 nm波段的低损耗硅芯光纤，实际制备了亚微米级纤芯尺寸的硅光纤。所研制的硅芯光纤纤芯直径从850nm到4μm硅芯光纤，线性损耗在dB/cm量级，完全满足各种非线性效用的研究需求。此外，项目也研制了基于纳米倒锥耦合器的硅芯光纤与单模光纤低损耗熔接方案，实验测得耦合损耗满足理论设计要求，并基于此纳米倒锥耦合器开展了全光纤波长转换器的研究。基于锥形硅芯光纤，采用短脉冲泵浦实验获得获得了从近红外到到中红外波段跨多倍频程光谱范围的中红外光连续谱，为目前同种材料体系下谱宽的记录。最后，实验结果很好地符合了通过理论模型计算得出光脉冲的演化过程，项目的也提出了全光纤结构的超连续谱光源的后续研究方案。项目开展以来，基于研究内容共发表SCI论文8篇，在国际会议做报告4人次。另外申请发明专利1项。