基于硫化物微结构光纤的超连续谱数值分析

闫 欣，王海洋，方琳琳，陈永洋

（东北大学信息科学与工程学院，沈阳 110819）

基于硫化物微结构光纤的超连续谱数值分析

闫 欣，王海洋，方琳琳，陈永洋

（东北大学信息科学与工程学院，沈阳 110819）

研究了基于硫化物微结构光纤产生的超连续谱。设计了一种正常色散区色散平坦的硫化物芯/碲酸盐包层微结构光纤，该光纤能够获得超平坦的超连续谱。为了实现平坦的正常色散，对硫化物纤芯直径、空气孔大小和位置等光纤结构参数进行了优化，获得了波长范围在1.4～3μm之间、起伏小于4 d B的超平坦超连续谱；同时还设计了一种硫化物芯/氟化物包层的微结构光纤，通过对光纤参数的优化，获得了波长从1.2～7μm的超宽超连续谱。

非线性光学；超连续谱；硫化物玻璃

0　引 言

自从Ranka等人在光子晶体光纤中观测到超连续谱的现象以来，超连续谱的应用已经成为研究热点［1-2］。超连续谱在光谱学、脉冲压缩和可调飞秒激光源等方面有着广泛的应用［3-4］。利用普通光纤获得的超连续谱往往波形起伏较大或较窄，而在实际应用中，超平坦或者超宽的连续谱却是必需的。因此，我们在材料上选择具有高非线性系数的硫化物玻璃，这样能够在低泵浦功率、短距离光纤中产生超连续谱。硫化物的折射率在2.4～3.0之间，传输窗口在0.6～15μm之间。硫化物玻璃最具优势的是其非线性系数高达3×10-18m2/W［5-7］，在红外波段具有巨大的应用潜力。

本文提出了用两种高非线性碲酸盐和氟化物玻璃作为包层、硫化物玻璃为芯层的微结构光纤。由于包层和芯层均为高非线性材料，因此所得微结构光纤也会保持很高的非线性［8］。所提微结构光纤的结构为6个相同的空气孔在碲酸盐或氟化物包层中，按六边形围绕在硫化物芯层周围，通过改变这些空气孔的位置、大小进而控制光纤的色散，所得硫化物/碲酸盐光纤具有非常平坦的正常色散区，在该色散区泵浦能够获得超平坦的超连续谱。

1　超平坦超连续谱的获得

图1所示为微结构光纤的结构与折射率分布，其包层为碲酸盐玻璃，芯层为硫化物玻璃。D、d和Λ分别为As2S3芯层直径、空气孔直径和两个相邻空气孔中心的距离。采用全矢量有限元法计算微结构光纤的色散和损耗。图2所示为基模模场分布图，取D=1.35μm、d=0.5μm、Λ=1.5μm、波长λ= 2μm。由图2可看出，大部分的能量被限制在硫化物芯层中，在碲酸盐包层和As2S3芯层之间存在一定的消逝场，空气孔之间没有能量的泄漏。

图2　基模模场分布图

为了获得超平坦的正常色散曲线，通过调整光纤的参数来计算不同情况下的色散。图3所示为在d=0.5μm，Λ=1.5μm的条件下，D分别取1.30、1.35和1.40μm时的色散曲线。由图可看出，该条件下光纤在2～3μm波段具有非常平坦的正常色散区域，且当D减小时，色散曲线随之趋于零。

图3　不同芯径时的色散曲线

利用高非线性的微结构光纤能较容易地实现诸如超连续谱的非线性效应，非线性系数γ可表示为［9］

式中，F（x，y）为场的模式；n2（x，y）为非线性折射率分布。As2S3玻璃的n2（x，y）为3×10-18m2/W，碲酸盐玻璃的n2（x，y）为5.9×10-19m2/W。因此，所设计微结构光纤的γ为12.12 m-1W-1。

确定了色散曲线和非线性系数后，通过求解薛定谔方程来计算超连续谱。薛定谔方程为［9］

式中，A（z，t）为光场幅度；βk为传播常数的k阶导数，βk可由色散曲线得到。

假定泵浦源为λ=2μm、脉宽为200 fs的飞秒激光。利用图3的色散曲线，可得不同芯径时产生的超平坦超连续谱如图4所示，其超连续谱的宽度随着硫化物芯径的减小而增大，该现象可依据波谱展宽因子来解释。在正常色散区，展宽因子N=γP0T20/β2，由图3可知，D=1.30μm的光纤色散趋于0，群速度色散系数β2比其他芯径的光纤要小，而芯径较小的光纤展宽因子更大，因此相同泵浦条件下，芯径较小的光纤获得的超连续谱更宽。当泵浦波长远离零色散波长时，自相位调制占非线性的主导地位，因此能够获得近似对称而且平坦的超连续谱。

图4　不同芯径时产生的超平坦超连续谱

不仅硫化物芯层的尺寸对超连续谱有影响，不同L、P下所获得的超连续谱均有所不同。对于所设计的微结构光纤，当L=0.1 m、P=1 000 W时所得到的超连续谱最为平坦，抖动最小。图5所示为D= 1.3μm、d=0.5μm、Λ=1.5μm、P=1 000 W、L= 0.1 m时产生的超平坦超连续谱。由图可以看出，在1.4～3μm波长范围内可产生偏差不超过4 dB的超平坦超连续谱，该光纤在波长转换和全光信号传输上有很大的应用潜力。

图5　超平坦超连续谱

2　超宽超连续谱的获得

为了获得超宽的超连续谱，设计了一种硫化物芯/氟化物包层的微结构光纤。图6所示为该光纤的结构与折射率分布，其波长λ=2μm，采用全矢量有限元法计算其色散和损耗。

图6　微结构光纤的结构与折射率分布

若想获得超宽的超连续谱，泵浦光纤应具有大范围且尽可能小的反常色散区。为了获得想要的色散曲线，同样通过调整光纤参数来计算不同情况下的色散。图7所示为该光纤在d=3μm、Λ=4μm、D= 2.5μm时的色散曲线。由图可以看出，在2～7.5μm的波长范围内具有很宽的反常色散区，在泵浦波长为2μm处β2很小，因此可以产生很宽的超连续谱。采用波长为2μm、脉宽为400 fs的飞秒激光泵浦、长度为0.1 m的光纤，通过求解薛定谔方程得到该条件下获得的超宽超连续谱如图8所示。从图中可以看出，能够获得波长从1.2～7μm的超宽超连续谱。

图7　色散曲线

图8　超宽超连续谱

3　结束语

本文设计了两种基于硫化物的微结构光纤，一种为正色散区色散平坦的硫化物芯/碲酸盐包层结构，利用该光纤能够在波长1.4～3μm之间获得起伏小于4 dB的超平坦的超连续谱；另一种为硫化物芯/氟化物包层结构，通过对光纤参数的优化，获得了波长从1.2～7μm范围的超宽超连续谱。在实际的光通信中，无论是超平坦还是超宽的超连续谱，都具有广泛的应用，高非线性的硫化物光纤在光通信中也有着巨大的应用潜力。

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［2］ Karim M R，Rahman B M A，Agrawal G P.Mid-infrared supercontinuum generation using dispersion-engineered Ge（11.5）As（24）Se（64.5）chalcogenide channel waveguide［J］.Optics Express，2015，23（5）：6903-6914.

［3］ Dudley J M，Taylor J R.Ten years of nonlinear optics in photonic crystal fibre［J］.Nature Photonics，2009，3（2）：85-90.

［4］ Lehtonen M，Genty G，Ludvigsen H.Supercontinuum generation in a highly birefringent microstructured fiber ［J］.Appl Phys Lett，2003，82（14）：2197-2199.

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［8］ Liao Meisong，Chaudhari Chitrarekha，Qin Guanshi，et al.Fabrication and characterization of a chalcogenide-tellurite composite microstructure fiber with high nonlinearity［J］.Opitcs Express，2009，17（24）：21608-21614.

［9］ Agrawal G P.Nonlinear Fiber Optics［M］.Netherland：Academic Press，Elsevier，2007.

Simulation of Supercontinuum Generation in an As2S3-based Microstructured Fiber

YAN Xin，WANG Hai-yang，FANG Lin-lin，CHEN Yong-yang
（College of Information Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

We study the supercontinuum（SC）generation in an As2S3-based microstructured fiber.Firstly we propose a chalcogenide（As2S3）core tellurite cladding microstructured fiber with flattened normal dispersion for ultraflat SC generation.To realize flat normal dispersion，the structure parameters are then optimized including the chalcogenide core diameter，the air hole diameter and the distance between the centers of the two neighboring air holes.It is shown that an ultraflat SC spectrum with deviations less than 4 dB over an octave（from 1.4μm to 3μm）can be achieved.We also propose a chalcogenide core fluoride cladding microstructured fiber.After optimization of several parameters，a ultrawide SC（from 1.2μm to 7μm）can be generated in the microstructured fiber.

nonlinear optics；supercontinuum；chalcogenide glass

TN253

A

1005-8788（2016）04-0028-03

10.13756/j.gtxyj.2016.04.009

2016-03-31

教育部基本科研业务费资助项目（N130404001）；教育部留学回国人员启动基金资助项目（47-6）；辽宁省自然科学基金资助项目（2014020020）

闫欣（1978-），女，辽宁沈阳人。副教授，博士，主要研究方向为光波导与光纤器件的设计与制备。