硅基超连续谱的研究进展.doc

硅基超连续谱的研究进展 1.引言 超连续谱(supercontinuumsc)是指当一束高强度的短脉冲通过非线性材料时经过一系列非线性效应与线性色散的共同作用使得出射光中产生许多新的频率成分从而使频谱得到极大展宽的一种现象超连续谱光源在光子学集成回路中有着重要作用特别是在波分复用系统中扮演着重要角色使用展宽的激光光源筛选出所需的波长信道比使用独立的光源更节省能源也更利于集成另外超连续谱光源在光源检测、生物医学、高精密光学频率测量等方面有着重要应用产生超连续谱的介质需具有非常高的非线性系数以及可调的色散系数可用于超连续谱产生的介质很多例如单模光纤光子晶体光纤（photoniccrystalfiberpcf）硅波导泥酸锂等目前以光纤为介质产生超连续谱的技术已经较为成熟实现了大范围的光谱展宽通过大量的实验研究证实在非线性效应强、色散可调的介质中可在低功率、短距离上实现超连续谱的产生例如kumar等人用75cm的sf6保偏光纤已得到了展宽从350nm到2200nm的超连续1；b.a.cumberland使用50w的掺yb光纤激光器泵浦一段20m长的高非线性光子晶体光纤最终得到输出功率为29w的超连续谱2 然而光纤中非线性效应较弱即使使用经过特殊设计的光子晶体光纤也要有几十厘米的长度才能得到有效展宽不利于集成化设计 近几年具有低损耗、低功率、小体积等特性的硅波导受到人们的广泛重视对硅波导中各种现象机理的研究也日趋成熟拉曼放大、四波混频、自相位调制等非线性效应已成功运用于硅波导器件中硅的三阶非线性效应比普通光纤高许多例如硅的kerr系数比普通单模光纤大100倍拉曼增益系数比普通单模光纤高三个数量级并且硅具有高折射率能够将光很好地限制在一个很小的范围通过对硅波导尺寸、几何结构的合理设计可以实现对其色散系数的可控性硅波导所具有特殊的色散和非线性特性使其比普通光纤更易产生超连续谱随着cmos技术的发展成熟在硅波导中产生超连续谱将有利于超连续谱的应用向集成化、小型化发展与光纤相比硅波导具有无可替代的优势可望在通信领域获得全新的应用硅材料中实现超连续谱将为全光通讯翻开崭新的一页 2.超连续谱的产生机制 超连续谱的产生是多种非线性效应与色散共同作用的结果脉冲光在硅波导中传播各种非线性效应诸如自相位调制（selfphasemodulationspm）交叉相位调制（crossphasemodulationxpm）参量过程拉曼散射都会起作用当高强度的短脉冲通过非线性介质时入射光的瞬时高光强会引起自身的相位调制即自相位调制自相位调制会产生新的波长这是出射光谱展宽的重要来源随着光谱成分的增加交叉相位调制参量过程以及内拉曼散射作用逐渐增强使得频谱进一步展宽 然而硅是一种半导体材料具有一些特殊的非线性性质如双光子吸收（twophotoabsorptiontpa）以及由双光子吸收产生的自由载流子（freecarrierabsorptionfca）对入射光的影响而这种影响可以分为相位调制和吸收两部分因此硅中超连续谱的产生机制比普通光纤更为复杂双光子吸收是指在强激光作用下,介质分子同时吸收两个光子通过一个虚中间态跃迁到高能态的过程双光子吸收带来大量能量损失降低光脉冲的峰值功率从而限制了脉冲展宽同时双光子吸收过程中会产生大量的自由载流子高浓度的自由载流子对光脉冲产生相位调制作用而使其蓝移且调制作用与自由载流子浓度成正比而脉冲后沿会积累大量的载流子因此脉冲后沿的出射频谱展宽蓝移于此同时自由载流子对脉冲后沿产生吸收使脉冲在时域上整体前移另外硅中拉曼散射与光纤中也有很大不同硅基波导中的拉曼散射增益谱很窄只有105ghz并且响应时间约为10ps若使用飞秒脉冲入射拉曼效应可以忽略 激光脉冲在硅波导中传播可以用广义非线性薛定谔方程描述如下式 其中右边第一项描述了硅波导中的色散效应m表示m阶色散系数第二项描述了自由载流子产生的相移以及自由载流子吸收项n表示自由载流子产生的相移大小表示自由载流子吸收大小第三项描述了非线性kerr效应以及双光子吸收项n2为kerr效应系数t为双光子吸收系数为波导有效截面积 在超连续谱的产生过程中种效应起决定作用主要取决于初始入射脉冲的参数和介质的线性色散特性若用皮秒脉冲入射色散效应较弱光脉冲主要在非线性效应特别是自相位调制作用下发生展宽一般范围有限若用飞秒脉冲入射在波导的反常色散区波导的色散效应和自相位调制效应会相互平衡,出现孤子传播态光谱展宽初期以自相位调制为主之后发生高阶孤子分裂并伴随孤子辐射随着光谱成分的增加四波混频效应逐渐增强 在反常色散区相位匹配条件很易满足故能得到较宽的超连续谱 3.自相位调制（spm）诱导的频谱展宽 随着硅器件在通信系统的广泛应用人们对硅波导中产生超连续谱作了大量工作同时也取得了许多重大的成果理论研究表明对于一般的短脉冲脉冲传播的色散长度远大于所用的波导长度此时色散效应可以忽略自相位调制效应起主要地位从而导致出射频谱的展宽 XX年jalali研究小组首次通过实验在硅波导中获得超连续谱得到了2倍展宽的出射光谱3他们使用被动锁模光纤激光器产生脉宽为1ps的短脉冲通过3db带通滤波器对光谱整形后经由掺铒光纤放大器放大得到脉宽为4ps峰值功率为110w（相当于光功率密度为2.2gw/cm2）的入射脉冲光脊型硅波导的有效面积为5m2总长度2cm实验结果所示 从图中可清楚地看到出射光谱的宽度大约是入射光谱宽度的2倍光谱展宽主要是由自相位调制效应造成的在考虑双光子吸收效应的情况下通过理论模拟将入射峰值功率增加10倍可以得到5倍展宽的出射光谱此实验证实了利用硅波导可以产生超连续谱同时揭开了在较低泵光功率下产生超连续谱的新篇章 之后jalali研究小组又讨论了硅波导中自由载流子对超连续谱产生的影响4众所周知kerr效应、自由载流子效应均对频谱的相移有贡献kerr效应使得脉冲前沿红移、后沿蓝移而自由载流子效应使得脉冲整体蓝移由此可知脉冲后沿得到很大的蓝移展宽但是脉冲后沿积累了更多的自由载流子光脉冲衰减更为严重他们通过理论模拟分析了自由载流子对出射光谱展宽的作用如图2所示,只考虑kerr效应带来的相移时展宽因子大约为8考虑自由载流子对相移的影响后展宽因子迅速增大大约为28最后考虑自由载流子吸收后展宽因子下降到12由此可知自由载流子对频谱展宽（尤其使得频谱蓝移）有着重要作用但其浓度的增加导致的吸收也会削弱光谱展宽 XX年e.dulkeith等人研究了入射光波长以及峰值功率对光谱展宽的影响5硅波导截面为470226nm、长4mm入射脉冲脉宽1.8ps、周期1khz、中心波长1550nm改变入射光功率可以看到在功率较低时波导工作在线性区域出射光谱的形状和位置几乎没有变化随着功率的增加出射光谱的展宽随之增大实验结果如图3所示实验中使用皮秒脉冲作为入射光色散作用在脉冲传播过程中并不显著脉冲展宽主要来自自相位调制的作用从图中可以清楚地看到脉冲展宽并不对称这主要是因为在脉冲后沿比前沿积累更多的自由载流子因此后沿的相移更大导致脉冲展宽的不对称性 4.孤子分裂与超连续谱的产生 从上面的实验结论可以看到由于存在双光子吸收对脉冲功率的损耗利用spm并不能得到较大的展宽为了克服这一缺点必须在tpa带来大的损失前实现频谱展宽此时可以借鉴光纤中孤子分裂以及超连续谱产生的方法利用高阶孤子在波导入射端的孤子分裂现象来得到频谱的展宽 XX年richardm.osgood.jr等人观察到展宽350nm的超连续谱6硅波导横截面积520220nm2长4.7mm入射脉冲脉宽100fs周期250khz中心波长在1300nm到1600nm之间变化此波长范围正处于波导的反常色散区能够得到更有效的超连续谱实验结果如图4所示随着入射峰值功率的增加展宽也逐渐增加在1700nm时双光子吸收对最大功率有限制作用但仍能得到较大展宽 此外他们还观察了超连续谱对波长的依赖性从图5中可以看到中心波长越靠近零色散区（zgvd),出射光谱展宽越大这是由于在零色散区线性色散小非线性作用在脉冲传播过程中占据主要地位在短波方向有突起的平滑的峰由于短波方向的光学损耗大随着中心波长向短波方向移动峰值越来越小因此短波方向频谱展宽受到限制三阶色散微扰导致的孤子分裂以及孤子辐射的影响在长波方向突起的峰随着中心波长向长波方向移动峰值越来越大这对超连续谱的产生有着决定性作用 同年lianghongyin等人通过数值模拟利用入射飞秒脉冲作为高阶孤子得到展宽达400nm的超连续谱7模拟用直波导截面宽0.8m高0.7m长1.2cm入射脉冲带宽50fs、峰值功率25w此时入射光脉宽远小于自由载流子寿命而脉冲周期大于自由载流子寿命故自由载流子吸收在超连续谱的产生过程中不起重要作用同时从理论上得出双光子吸收只对输入的最大功率有衔制作用而不影响超连续谱的产生并且由于si的晶格结构使得受激拉曼散射依赖于硅波导的结构以及入射光的偏振特性故合理选择硅波导的结构以及入射光的偏振特性可以忽略受激拉曼散射的影响模拟中使用n=3的三阶孤子脉冲在三阶色散的微扰下分裂成为低阶孤子并伴有色散波此时出射脉冲得到较大展宽结果如图6所示这是自硅波导超连续谱研究以来在硅波导中能产生的最宽的光谱 5.硅基超连续谱的应用 随着波分复用技术的广泛应用为了寻找更好的光源掀起对超连续谱光源的研究热潮 硅波导中产生超连续谱将使全光网络向小型化发展前景诱人将硅基波导中产生的超连续谱应用到实际将为全光网络翻开崭新的一页 波分复用技术是光通信系统的一大优势要实现能够高速传递信号的片上光通讯系统波分复用技术是必不可少的而超连续谱这是一种有效的解决方案XX年jalali研究小组成功实现超连续谱的硅基集成化并将展示了其在波分复用系统中的应用潜力8实验中他们将微盘共振器与硅波导共同集成在一个三维芯片上使用未集成在芯片上的脉宽为3ps的激光脉冲作为入射光脉冲沿着硅波导传播利用自相位调制效应得到展宽的光谱然后以微盘共振器作为光滤波器将超连续谱中不同的光谱成分有硅波导中分别导出从而实现多个波长信道实验中硅波导与微盘共振器的集成和工作原理如图7所示该装置得到的最远信道离入射脉冲中心波长3.1nm使硅基超连续谱应用于片上集成的波分复用技术成为可能 另外硅基超连续谱还可以在拉曼泵浦方面产生应用硅波导中的高拉曼增益系数使拉曼散射成为在硅波导中实现激光振荡和放大的有效途径然而硅的拉曼增益带宽非常窄限制了拉曼放大的带宽从而制约了其在实际应用中的范围随着硅波导中超连续谱的研究逐渐深入利用超连续谱的产生机制在硅波导中产生超连续谱的同时实现拉曼散射效应由此来增大拉曼增益带宽成为一种可能的解决方法XX年jalali研究小组成功实现这一构想获得展宽的拉曼增益谱9实验中使用中心波长1550nm的皮秒脉冲作为泵浦光源激光脉冲在硅波导中受到kerr效应和自由载流子效应的共同作用而发生展宽从而使拉曼增益谱获得扩展实验在中心波长为1638nm处获得了宽度超过10nm的拉曼增益谱为了观察入射脉宽对拉曼增益展宽的影响实验中使用两个脉宽不同的入射脉冲分别为3ps、42ps得到的拉曼增益谱如图8所示对于3ps的入射脉冲拉曼展宽频谱起伏不定并且由于自由载流子的作用频谱明显蓝移对于42ps的入射脉冲拉曼展宽频谱同样蓝移但频谱变化相对平滑另外在入射功率较大时能过得到较大的拉曼展宽实验证明通过改变脉冲的性质例如脉