硅基超連續(xù)譜的研究進展

1、竭誠為您提供優(yōu)質文檔/雙擊可除硅基超連續(xù)譜的研究進展1.引言超連續(xù)譜(supercontinuum, sc)是指當一束高強度的短脈沖通過非 線性材料時，經過一系列非線性效應與線性色散的共同作用，使得出射光中產生許多新的頻率成分，從而使頻譜得到極大展寬的一種現(xiàn) 象。超連續(xù)譜光源在光子學集成回路中有著重要作用，特別是在波分復用系統(tǒng)中扮演著重要角色。使用展寬的激光光源，篩選出所需的波 長信道，比使用獨立的光源更節(jié)省能源，也更利于集成。另外，超連 續(xù)譜光源在光源檢測、生物醫(yī)學、高精密光學頻率測量等方面有著重 要應用。產生超連續(xù)譜的介質需具有非常高的非線性系數(shù)以及可調的 色散系數(shù)，可用于超連續(xù)譜產生的介

2、質很多，例如，單模光纖，光子 晶體光纖(photoniccrystalfiber，pcf)，硅波導，泥酸鋰等。目前以光 纖為介質產生超連續(xù)譜的技術已經較為成熟，實現(xiàn)了大范圍的光譜展寬。通過大量的實驗研究證實，在非線性效應強、色散可調的介質中， 可在低功率、 短距離上實現(xiàn)超連續(xù)譜的產生。 例如 kumar 等人用 75cm 的 sf6保偏光纖已得到了展寬從350nm 到 2200nm 的超連續(xù)1；b.a.cumberland 使用 50w 的摻 yb 光纖激光器泵浦一段 20m 長的高非 線性光子晶體光纖，最終得到輸出功率為29w 的超連續(xù)譜2。竭誠為您提供優(yōu)質文檔/雙擊可除然而光纖中非線性效應

3、較弱，即使使用經過特殊設計的光子晶體 光纖也要有幾十厘米的長度才能得到有效展寬，不利于集成化設計。近幾年，具有低損耗、低功率、小體積等特性的硅波導受到人們 的廣泛重視。對硅波導中各種現(xiàn)象機理的研究也日趨成熟。 拉曼放大、 四波混頻、自相位調制等非線性效應已成功運用于硅波導器件中。硅 的三階非線性效應比普通光纖高許多， 例如，硅的 kerr 系數(shù)比普通單 模光纖大100 倍，拉曼增益系數(shù)比普通單模光纖高三個數(shù)量級。 并且, 硅具有高折射率，能夠將光很好地限制在一個很小的范圍。 通過對硅 波導尺寸、幾何結構的合理設計，可以實現(xiàn)對其色散系數(shù)的可控性。硅波導所具有特殊的色散和非線性特性，使其比普通光纖

4、更易產生超 連續(xù)譜。隨著 emos 技術的發(fā)展成熟，在硅波導中產生超連續(xù)譜將有 利于超連續(xù)譜的應用向集成化、小型化發(fā)展。與光纖相比，硅波導具 有無可替代的優(yōu)勢，可望在通信領域獲得全新的應用，硅材料中實現(xiàn) 超連續(xù)譜將為全光通訊翻開嶄新的一頁。2.超連續(xù)譜的產生機制超連續(xù)譜的產生是多種非線性效應與色散共同作用的結果。脈沖光在硅波導中傳播，各種非線性效應，諸如，自相位調制(self-phasemodulation spm)，交叉相位調制 (cross-phasemodulation竭誠為您提供優(yōu)質文檔/雙擊可除xpm),參量過程，拉曼散射都會起作用。當高強度的短脈沖通過非 線性介質時，入射光的瞬時高

5、光強會引起自身的相位調制，即自相位調制。自相位調制會產生新的波長，這是出射光譜展寬的重要來源。隨著光譜成分的增加， 交叉相位調制， 參量過程以及內拉曼散射作用 逐漸增強，使得頻譜進一步展寬。然而，硅是一種半導體材料，具有一些特殊的非線性性質，如雙 光子吸收(two-photoabsorption, tpa)以及由雙光子吸收產生的自由 載流子(free-carrierabsorption, fca)對入射光的影響，而這種影響可 以分為相位調制和吸收兩部分，因此硅中超連續(xù)譜的產生機制比普通 光纖更為復雜。雙光子吸收是指在強激光作用下，介質分子同時吸收兩個光子通過一個虛中間態(tài)躍遷到高能態(tài)的過程。雙光

6、子吸收帶來大量能量損失，降低光脈沖的峰值功率，從而限制了脈沖展寬。同時， 雙光子吸收過程中會產生大量的自由載流子，高濃度的自由載流子對光脈沖產生相位調制作用而使其藍移，且調制作用與自由載流子濃度 成正比。而脈沖后沿會積累大量的載流子，因此脈沖后沿的出射頻譜展寬藍移。于此同時，自由載流子對脈沖后沿產生吸收，使脈沖在時 域上整體前移。另外，硅中拉曼散射與光纖中也有很大不同，硅基波 導中的拉曼散射增益譜很窄只有 105ghz，并且響應時間約為 10ps， 若使用飛秒脈沖入射，拉曼效應可以忽略。激光脈沖在硅波導中傳播，可以用廣義非線性薛定諤方程描述如 下式。竭誠為您提供優(yōu)質文檔/雙擊可除其中，右邊第一

7、項描述了硅波導中的色散效應，m 表示 m 階色散系數(shù)，第二項描述了自由載流子產生的相移以及自由載流子吸收 項，n表示自由載流子產生的相移大小，表示自由載流子吸收大小，第三項描述了非線性 kerr 效應以及雙光子吸收項，n2 為 kerr 效應系 數(shù)，t 為雙光子吸收系數(shù)，0為波導有效截面積。在超連續(xù)譜的產生過程中，哪種效應起決定作用主要取決于初始 入射脈沖的參數(shù)和介質的線性色散特性。 若用皮秒脈沖入射，色散效 應較弱，光脈沖主要在非線性效應，特別是自相位調制作用下發(fā)生展 寬，一般范圍有限。若用飛秒脈沖入射，在波導的反常色散區(qū)，波導 的色散效應和自相位調制效應會相互平衡，出現(xiàn)孤子傳播態(tài)。光譜展

8、寬初期以自相位調制為主，之后發(fā)生高階孤子分裂，并伴隨孤子輻射，隨著光譜成分的增加四波混頻效應逐漸增強。在反常色散區(qū)，相位匹配條件很易滿足，故能得到較寬的超連續(xù)3自相位調制（spm）誘導的頻譜展寬隨著硅器件在通信系統(tǒng)的廣泛應用，人們對硅波導中產生超連續(xù) 譜作了大量工作，同時也取得了許多重大的成果。理論研究表明，對 于一般的短脈沖，脈沖傳播的色散長度遠大于所用的波導長度，此時色散效應可以忽略，自相位調制效應起主要地位，從而導致出射頻譜 的展竭誠為您提供優(yōu)質文檔/雙擊可除寬。xx 年，jalali 研究小組首次通過實驗在硅波導中獲得超連續(xù)譜， 得到了 2 倍展寬的出射光譜3。他們使用被動鎖模光纖激光

9、器產生 脈寬為1ps 的短脈沖，通過 3db 帶通濾波器對光譜整形后經由摻鉺光 纖放大器放大得到脈寬為 4ps,峰值功率為 110w（相當于光功率密度 為 2.2gw/cm2）的入射脈沖光。脊型硅波導的有效面積為5m2,總長度 2cm。實驗結果所示。從圖中可清楚地看到出射光譜的寬度大約是入射光譜寬度的2倍。光譜展寬主要是由自相位調制效應造成的。 在考慮雙光子吸收效 應的情況下，通過理論模擬，將入射峰值功率增加10 倍可以得到 5倍展寬的出射光譜。此實驗證實了利用硅波導可以產生超連續(xù)譜，同 時揭開了在較低泵光功率下產生超連續(xù)譜的新篇章。之后，jalali 研究小組又討論了硅波導中自由載流子對超連

10、續(xù)譜 產生的影響4。眾所周知，kerr 效應、自由載流子效應均對頻譜的相 移有貢獻。kerr 效應使得脈沖前沿紅移、后沿藍移。而自由載流子效 應使得脈沖整體藍移。由此可知脈沖后沿得到很大的藍移展寬。 但是， 脈沖后沿積累了更多的自由載流子，光脈沖衰減更為嚴重。他們通過理論模擬分析了自由載流子對出射光譜展寬的作用，如圖2 所示，只考慮 kerr 效應帶來的相移時，展寬因子大約為 8,考慮自由載流子對 相移竭誠為您提供優(yōu)質文檔/雙擊可除的影響后，展寬因子迅速增大大約為28，最后考慮自由載流子吸收后，展寬因子下降到 12。由此可知，自由載流子對頻譜展寬（尤 其使得頻譜藍移）有著重要作用，但其濃度的增加導致的吸收也會削 弱光譜展寬。xx 年，e.dulkeith 等人研究了入射光波長以及峰值功率對光譜展 寬的影響5。硅波導截面為 470X226nm、長 4mm。入射脈沖脈寬 1.8ps、周期 1khz、中心波長 1550nm。改變入射光功率可以看到，在 功率較低時，波導工作在線性區(qū)域，出射光