光子晶体光纤超连续谱的产生与偏振特性

姚银波，刘海英

(华南师范大学信息光电子科技学院,广东广州 510631)

光子晶体光纤超连续谱的产生与偏振特性

姚银波，刘海英*

(华南师范大学信息光电子科技学院,广东广州 510631)

通过研究飞秒脉冲在双折射光子晶体光纤反常色散区传输时的偏振特性及对超连续谱展宽的影响，发现在偏振方向与光纤快轴或慢轴重合时,其输出的超连续谱具很好的线偏振.当偏振方向与快轴夹角为45°时,其输出基本上是圆偏振.由于高的双折射光子晶体光纤有高的非线性和三阶色散,所以可产生高偏振性的超连续谱.脉冲偏振方向与光纤快轴不同夹角的情况下,光谱成有规律的变化,当角度越接近45°时,光谱越平坦.高非线性光子晶体光纤可以产生很好的线偏振超连续谱.

飞秒激光； 光子晶体光纤； 超连续谱； 偏振

2000年,RANKA等[1]报道了在光子晶体光纤中产生2倍频程的超连续谱.超连续谱的产生为非线性光纤光学领域的研究注入了新的活力.利用光子晶体光纤产生超连续谱是一种新型的光源,它具有高的输出功率、平坦的宽带光谱、高度的空间相干性(聚焦)等特性,能极大提高信噪比、减小测量时间以及加宽光谱测量范围.光纤超连续谱光源可应用在光纤衰减测量、干涉测量仪、光相干摄影术、光谱学分析、光学频率梳等方面[2-4].光子晶体光纤中超连续谱产生的机制及其器件应用比传统光纤更加复杂[5-8].

本文使用美国相干公司的钛宝石可调谐激光器(Mira-900)泵浦一根长约85 cm的高非线性光子晶体光纤,获得了典型的超连续谱[9-10]，并分析了飞秒激光脉冲在反常色散区不同偏振下对超连续谱展宽的影响.

1 光子晶体光纤及实验装置

实验所用的光子晶体光纤是高非线性光子晶体光纤Fiber-F-NL-PM750(图1).

图1 光子晶体光纤的显微镜照片(×63)

光子晶体光纤的纤芯直径为1.8 μm,光子晶体结构部分的直径大约24 μm,二氧化硅包层直径120 μm,涂敷层直径240 μm,长度为85 cm,光子晶体光纤的数值孔径0.38.在780 nm处非线性系数大于95 nm/(W·km),有2个零色散波长750 nm和1 260 nm,损耗小于0.05 dB/m,但是在1 400 nm和1 500 nm 左右损耗较大.

由图2可见,钛宝石激光器出来的激光经过斩波器后,经过1/2波长的起偏器,用20倍物镜耦合到光子晶体光纤中.20倍物镜的工作距离为1.6 mm,通光孔径为7.5 mm,数值孔径为0.4,经过物镜聚焦后光束的直径大约为 8.8 μm.光子晶体光纤挟

图2 飞秒脉冲在高非线性光子晶体光纤中产生超连续谱的实验装置

Figure 2 Experimental device for the generation of supercontinum by femtosecond pulses in a birefregent photonic crystal fiber

持器是美国Newport公司的单模光纤耦合器F-915,可以达到微米的调节精度.光子晶体光纤挟持器架在三维的手动平移台上,平移台的最小精度2 μm.光子晶体光纤输出端经过格兰棱镜作为检偏器.光子晶体光纤末端的超连续谱先输入锁相放大器,然后输入到光栅光谱仪测量光谱.可调谐激光器的输出脉冲为双曲正割型,输出脉冲为130 fs,脉冲的重复频率为76 MHz.光栅光谱仪波长使用范围是200～2 000 nm.由于超连续谱覆盖的波长范围很宽,所以分别使用Si探测器和InGaAs探测器测量光谱，其中Si探测器的波长覆盖范围是 200～1 100 nm，InGaAs 探测器测量波长是800～1 700 nm.

典型的超连续谱(SC)产生的实验结果:抽运波长780 nm,输入功率为700 mW,获得了输出功率约为75 mW,转换效率约为10%.超连续谱的波长覆盖范围为480～1 600 nm.为了便于观察超连续谱的总宽度,归一化处理后把2组光谱画在一起,如图3(b)所示,超连续谱的光谱范围约1 000 nm.

图3 光子晶体光纤产生的超连续谱Figure 3 The generation of supercontinum in photonic crystal fiber

研究结果表明,中心波长为780 nm,平均功率分别为300 mW和600 mW的飞秒激光脉冲,以不同的偏振方向在光纤中的传输特性及对超连续谱展宽的影响.

2 结果与分析

由于光纤中存在线双折射,2个正交线偏振光的相位差沿光纤变化,从而使合成光的偏振态沿光纤周期性变化.偏振态完成1个周期变化的光纤长度,叫做拍长,在1个拍长上,2个正交偏振光的相位差变化了2,因而有:

ΔβL·LB=2,LB=2/ΔβL=0/B.

由于本实验设计的光纤其光子晶体的六角结构，使得光纤的双折射度B约为10-4,所以光纤的拍长约为1 cm,远小于外界干扰的长度周期,具有保持偏振状态的能力.如图4所示,脉冲的偏振方向与光纤快轴的不同夹角θ下,经过检偏器的输出功率.可以发现在偏振方向与光纤快轴或慢轴重合时,其输出的超连续谱也是很好的线偏振.当θ=45°时,其输出基本上是圆偏振.

图4 输出功率随入射脉冲的偏振改变而变化

在不同偏振方向下,由于双折射特性,导致输出光谱发生改变(图5).脉冲偏振方向与光纤快轴成不同夹角的情况下,光谱发生规律变化.当角度越接近45°时,抽运光功率分解到2个垂直的快轴和慢轴方向上的功率变低,孤子分裂时会伴随长波的色散波产生，超连续谱的中心波长向长波移动，光谱变平坦.由图6看出光纤的颜色成绿、黄和橙色周期变化.

图5 入射脉冲的偏振改变时产生的超连续谱变化Figure 5 Evolution of the spectrum of the generated supercontinum with the polarization change of the incident pulse

图6 入射脉冲的偏振方向与光纤快轴各种夹角所对应的产生超连续谱的光纤颜色变化

Figure 6 Color change observed in the photonic crystal fiber when the angle between the polarization of the incident pulse and the fast axis of the fiber is set to be 5°,25°,45°,65° and 85°

当泵浦脉冲中心波长在光子晶体光纤的反常色散区时,产生超连续光谱的主要物理原因是高阶孤子裂变和四波混频.泵浦超短脉冲处于光子晶体光纤的反常色散区时,光子晶体光纤中的群速度色散和自相位调制相互作用,脉冲压缩和展宽抵消形成孤子传输,在脉宽较宽时形成高阶孤子,由于高阶色散的影响,高阶孤子裂变,同时每个脉冲会产生对应的蓝移而且相位匹配的非孤子波,同时由于四波混频效应,光谱相互兼并形成超连续谱.当飞秒脉冲的偏振方向与光纤的快轴或短轴重合时,随着飞秒脉冲功率的增加,蓝移和红移辐射分别向两端扩展,光纤产生的超连续谱就越宽.

当脉冲的偏振方向与光纤的快轴存在夹角θ时,抽运光功率P分解到2个垂直的快轴和慢轴方向上,这2个方向上的光功率分别表示为:

P1=Pcos2θ,P2=Psin2θ.

由于P1和P2都小于P,所以产生的超连续谱会相对于脉冲的偏振方向与快轴或短轴重合时的窄,超连续谱的宽度取决于P1和P2的最大值，当θ=45°时，超连续谱的宽度最窄.

3 结论

本文分析了光子晶体光纤中超连续谱的形成机制,并且研究了超连续谱的光谱和偏振特性.当脉冲偏振方向与光纤快轴不同夹角的情况下,光谱在成有规律的变化,当角度越接近45°时,光谱越平坦，其输出是圆偏振.当偏振方向与光纤快轴或慢轴重合时,其输出的超连续谱是很好的线偏振.本文的实验结果对于基于光子晶体光纤的超连续谱光源系统应用和优化具有重要意义.

[1] RANKA J K,WINDELER R S,STENTZ A J.Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm[J].Opt Lett,2000,25(1):25-27.

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[9] HYONG-GYU C.Supercontinuum generation in irrerularly microstructured elliptic core fibers[J].Physical Review: A,2008,77:035804.

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Keywords： femtosecond laser pulse; photonic crystal fiber; supercontinuum; polarization

【责任编辑 成 文】

SUPERCONTINUUMGENERATIONANDPOLARIZATIONOFPHOTONICCRYSTALFIBERS

YAO Yinbo， LIU Haiying*

(School of Information and Optoelectronic Science and Technology, South China Normal University, Guangzhou 510631, China)

It is investigated the propagation of femtosecond pulses in the anomalous dispersion region of a birefregent photonic crystal fiber and the effect of its polarization on the broadening of the generated supercontinuum.It is found that the generated supercontinum exhibits a good linear polarization when the femtosecond pulse is coupled into the fiber with its polarization along the fast or slow axis of the photonic crystal fiber.When the angle between the polarization of the input femtosecond pulse and the fast axis is equal to 45 degree, the output supercontinum is circularly polarized.Since photonic crystal fibers with large birefringence usually possess high nonlinearity and third-order dispersion, they can be employed to produce supercontinuum with good polarization.The spectrum of supercontinum changes regularly when the angle between the pulse polarization and the fast aixs of the photonic crystal fiber is varied.A flat spectrum is observed when the angle is close to 45 degree.The experimental observations indicate that solid-core photonic crystal fibers with large birefregent can be used to generate supercontinuum with good linear polarization.

2010-11-18

国家自然科学基金项目(10974060)

*通讯作者: hyliu@scnu.edu.cn

1000-5463(2011)02-0065-05

TN 253

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