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超快非线性光学技术:双色散零点波导中的定向超连续谱产生

2020-10-18 10:51
光波常
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近二十年来,超连续谱产生的研究引起了研究人员的广泛关注,特别是强导波性能波导的出现彻底改变了这一领域。微结构光纤(MSF)和基于非线性材料的波导(比如氮化硅波导),是两种典型的强导波性能波导。硅基光学波导不但可以与现有的COMS器件实现良好的片上兼容,还可以利用其高折射率差异性质来灵活设计波导的色散特性,从而优化波导中的非线性光学过程。在这种光波导中,使用飞秒激光脉冲泵浦所产生的超连续谱具有噪声低、相干性好等优点,因此在频率计量、脉冲压缩、光谱学等领域有着广泛应用。

在飞秒激光驱动产生超连续的过程中,根据泵浦光所在波段的群速度符号差异可以划分出正色散区和负色散区泵浦两个典型区域。在正色散区,超连续谱由早期的自相位调制和后期的光波分裂共同作用产生;在负色散区,超连续的产生由孤子作用主导并且通常伴随色散波的生成。

色散波的产生需要跨过色散零点以实现四波混频过程,因此有色散波产生的超连续过程可以大大扩展超连续谱的带宽。通过特殊设计,片上波导的色散曲线可以具有两个色散零点,从而让超连续谱产生的非线性过程更为丰富。

最近,YOSHITOMO OKAWACHI等人从理论和实验两方面研究了当泵浦波长处于片上波导的正色散区时产生超连续谱的过程,实现了定向产生超连续谱[1]。作者所用的氮化硅波导波导的两个色散零点分别为890nm和1178nm,具体色散如图1(a)所示。作者模拟了中心波长为1300nm的脉冲在该波导中所产生的光谱,如图1(b)所示。图1(c)为相位匹配条件。

图1 波导的色散曲线和相位匹配条件[1]

图2展示了更为详细的模拟结果。作者将整个过程归纳为级联色散波产生,根据相位匹配条件分为两个阶段:第一阶段,脉冲在自相位调制的作用下展宽光谱,1255nm的泵浦成分产生了与之满足相位匹配条件的1000nm的色散波。第二阶段,脉冲传播至13mm时,1000nm的色散波脉冲压缩,产生了与之满足相位匹配条件的740nm的色散波,并且1255nm的脉冲产生了685nm的色散波。

图2 脉冲在2cm波导中的演化情况[1]

随后作者在理论和实验上利用不同泵浦波长的脉冲在2cm长的同种波导中研究了不同的色散机制。如图3所示,在1050nm,1300nm和1400nm不同能量及波长的泵浦光驱动下,均得到了与模拟结果符合较好的结果。典型结果为:利用1300nm、200fs、260pJ的脉冲光泵浦,光谱主要朝向短波方向展宽,最终覆盖657nm-1513nm的光谱范围,达到1.2个倍频程。最后,作者还利用f-2f干涉法探测了fCEO信号,证明了超连续光源具有良好的相干性。

图3 1050、1300和1400nm的泵浦脉冲在2cm氮化硅波导中的演化结果[1]

受到上述研究结果的启发,SIMON CHRISTENSEN等人从理论上更加深入地研究了在正/负/正型双零色散点波导中定向超连续谱的产生过程[2]。在零色散点为1.02um和1.47um的氮化硅波导中,作者利用1.56um、82pJ、125fs的单一激光脉冲作为泵浦光,获得了明显的定向性蓝移光谱展宽结果。

图4 光谱和脉冲随着传播距离的演化图[2]

模拟结果如图4所示,泵浦脉冲在自相位调制的作用下展宽光谱,展宽至长波色散零点时,一部分脉冲“泄露”至负色散区域形成孤子。由于孤子与泵浦脉冲的后沿在时域上重叠,孤子受到交叉相位调制的作用蓝移,蓝移至短波色散零点时,产生满足相位匹配的色散波,最终产生了光谱范围为0.75um-1.85um的超连续谱。

通常,负色散区域的孤子会产生两个与之满足相位匹配的色散波,分别位于两个正色散区域。而目前产生了五个色散波,作者从简并和非简并四波混频的角度来分析色散波产生的原因,指出孤子和泵浦脉冲之间的非简并四波混频也会产生色散波,这表明负色散区域的孤子与泵浦脉冲之间的相互作用在定向超连续谱产生的过程中发挥了重要作用。

图5 双波长泵浦在波导中的演化[2]

为了验证上述猜想,作者采用双波长泵浦的方式,即正色散区域的波长为1.56um的强脉冲和负色散区域波长为1.25um的基阶孤子。通过调整两个脉冲之间的延时,使得1.25um的孤子与1.56um的脉冲后沿重叠。演化结果如图5所示,最终产生了光谱范围为0.70-1.85um的超连续谱。无论从光谱形状以及光谱范围,双泵浦和单泵谱情况下的结果符合很好,验证了作者的猜想。

图6 泵浦波长为0.94um时,长波超连续产生示意图[2]

为了研究泵浦波长对定量超连续谱产生的影响,又利用0.94um的泵浦光验证了超连续谱向长波定向展宽的可能性。

总之,上述两项工作表明,在正色散区用飞秒脉冲泵浦正/负/正型双零色散点波导,能够定向产生超连续谱,产生过程包括三步:(1)正色散下自相位调制主导的光谱展宽;(2)脉冲前沿跨过零色散点形成孤子,孤子的部分光谱能量通过交叉相位调制又被排斥回原来的光谱区域;(3)通过与孤子四波混频而产生色散波。这两项工作为片上产生超连续谱提供了新思路。


参考文献:

[1] Okawachi, Yoshitomo, et al. “Coherent, Directional Supercontinuum Generation.” Optics Letters, vol. 42, no. 21, 2017, pp. 4466–4469.

[2] Christensen, Simon, et al. “Directional Supercontinuum Generation: The Role of the Soliton.” Journal of The Optical Society of America B-Optical Physics, vol. 36, no. 2, 2019.



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