非線性光學(xué)技術(shù)：雙色散零點(diǎn)波導(dǎo)中的定向超連續(xù)譜產(chǎn)生

近二十年來(lái)，超連續(xù)譜產(chǎn)生的研究引起了研究人員的廣泛關(guān)注，特別是強(qiáng)導(dǎo)波性能波導(dǎo)的出現(xiàn)徹底改變了這一領(lǐng)域。微結(jié)構(gòu)光纖（MSF）和基于非線性材料的波導(dǎo)（比如氮化硅波導(dǎo)），是兩種典型的強(qiáng)導(dǎo)波性能波導(dǎo)。硅基光學(xué)波導(dǎo)不但可以與現(xiàn)有的COMS器件實(shí)現(xiàn)良好的片上兼容，還可以利用其高折射率差異性質(zhì)來(lái)靈活設(shè)計(jì)波導(dǎo)的色散特性，從而優(yōu)化波導(dǎo)中的非線性光學(xué)過(guò)程。在這種光波導(dǎo)中，使用飛秒激光脈沖泵浦所產(chǎn)生的超連續(xù)譜具有噪聲低、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在頻率計(jì)量、脈沖壓縮、光譜學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

在飛秒激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生超連續(xù)的過(guò)程中，根據(jù)泵浦光所在波段的群速度符號(hào)差異可以劃分出正色散區(qū)和負(fù)色散區(qū)泵浦兩個(gè)典型區(qū)域。在正色散區(qū)，超連續(xù)譜由早期的自相位調(diào)制和后期的光波分裂共同作用產(chǎn)生；在負(fù)色散區(qū)，超連續(xù)的產(chǎn)生由孤子作用主導(dǎo)并且通常伴隨色散波的生成。

色散波的產(chǎn)生需要跨過(guò)色散零點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)四波混頻過(guò)程，因此有色散波產(chǎn)生的超連續(xù)過(guò)程可以大大擴(kuò)展超連續(xù)譜的帶寬。通過(guò)特殊設(shè)計(jì)，片上波導(dǎo)的色散曲線可以具有兩個(gè)色散零點(diǎn)，從而讓超連續(xù)譜產(chǎn)生的非線性過(guò)程更為豐富。

最近，YOSHITOMO OKAWACHI等人從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了當(dāng)泵浦波長(zhǎng)處于片上波導(dǎo)的正色散區(qū)時(shí)產(chǎn)生超連續(xù)譜的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了定向產(chǎn)生超連續(xù)譜［1］。作者所用的氮化硅波導(dǎo)波導(dǎo)的兩個(gè)色散零點(diǎn)分別為890nm和1178nm，具體色散如圖1（a）所示。作者模擬了中心波長(zhǎng)為1300nm的脈沖在該波導(dǎo)中所產(chǎn)生的光譜，如圖1（b）所示。圖1（c）為相位匹配條件。

圖1 波導(dǎo)的色散曲線和相位匹配條件［1］

圖2展示了更為詳細(xì)的模擬結(jié)果。作者將整個(gè)過(guò)程歸納為級(jí)聯(lián)色散波產(chǎn)生，根據(jù)相位匹配條件分為兩個(gè)階段：第一階段，脈沖在自相位調(diào)制的作用下展寬光譜，1255nm的泵浦成分產(chǎn)生了與之滿足相位匹配條件的1000nm的色散波。第二階段，脈沖傳播至13mm時(shí)，1000nm的色散波脈沖壓縮，產(chǎn)生了與之滿足相位匹配條件的740nm的色散波，并且1255nm的脈沖產(chǎn)生了685nm的色散波。

圖2 脈沖在2cm波導(dǎo)中的演化情況［1］

隨后作者在理論和實(shí)驗(yàn)上利用不同泵浦波長(zhǎng)的脈沖在2cm長(zhǎng)的同種波導(dǎo)中研究了不同的色散機(jī)制。如圖3所示，在1050nm，1300nm和1400nm不同能量及波長(zhǎng)的泵浦光驅(qū)動(dòng)下，均得到了與模擬結(jié)果符合較好的結(jié)果。典型結(jié)果為：利用1300nm、200fs、260pJ的脈沖光泵浦，光譜主要朝向短波方向展寬，最終覆蓋657nm－1513nm的光譜范圍，達(dá)到1．2個(gè)倍頻程。最后，作者還利用f－2f干涉法探測(cè)了fCEO信號(hào)，證明了超連續(xù)光源具有良好的相干性。

圖3 1050、1300和1400nm的泵浦脈沖在2cm氮化硅波導(dǎo)中的演化結(jié)果［1］

受到上述研究結(jié)果的啟發(fā)，SIMON CHRISTENSEN等人從理論上更加深入地研究了在正／負(fù)／正型雙零色散點(diǎn)波導(dǎo)中定向超連續(xù)譜的產(chǎn)生過(guò)程［2］。在零色散點(diǎn)為1．02um和1．47um的氮化硅波導(dǎo)中，作者利用1．56um、82pJ、125fs的單一激光脈沖作為泵浦光，獲得了明顯的定向性藍(lán)移光譜展寬結(jié)果。

圖4 光譜和脈沖隨著傳播距離的演化圖［2］

模擬結(jié)果如圖4所示，泵浦脈沖在自相位調(diào)制的作用下展寬光譜，展寬至長(zhǎng)波色散零點(diǎn)時(shí)，一部分脈沖“泄露”至負(fù)色散區(qū)域形成孤子。由于孤子與泵浦脈沖的后沿在時(shí)域上重疊，孤子受到交叉相位調(diào)制的作用藍(lán)移，藍(lán)移至短波色散零點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生滿足相位匹配的色散波，最終產(chǎn)生了光譜范圍為0．75um－1．85um的超連續(xù)譜。

通常，負(fù)色散區(qū)域的孤子會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)與之滿足相位匹配的色散波，分別位于兩個(gè)正色散區(qū)域。而目前產(chǎn)生了五個(gè)色散波，作者從簡(jiǎn)并和非簡(jiǎn)并四波混頻的角度來(lái)分析色散波產(chǎn)生的原因，指出孤子和泵浦脈沖之間的非簡(jiǎn)并四波混頻也會(huì)產(chǎn)生色散波，這表明負(fù)色散區(qū)域的孤子與泵浦脈沖之間的相互作用在定向超連續(xù)譜產(chǎn)生的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

圖5 雙波長(zhǎng)泵浦在波導(dǎo)中的演化［2］

為了驗(yàn)證上述猜想，作者采用雙波長(zhǎng)泵浦的方式，即正色散區(qū)域的波長(zhǎng)為1．56um的強(qiáng)脈沖和負(fù)色散區(qū)域波長(zhǎng)為1．25um的基階孤子。通過(guò)調(diào)整兩個(gè)脈沖之間的延時(shí)，使得1．25um的孤子與1．56um的脈沖后沿重疊。演化結(jié)果如圖5所示，最終產(chǎn)生了光譜范圍為0．70－1．85um的超連續(xù)譜。無(wú)論從光譜形狀以及光譜范圍，雙泵浦和單泵譜情況下的結(jié)果符合很好，驗(yàn)證了作者的猜想。

圖6 泵浦波長(zhǎng)為0．94um時(shí)，長(zhǎng)波超連續(xù)產(chǎn)生示意圖［2］

為了研究泵浦波長(zhǎng)對(duì)定量超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響，又利用0．94um的泵浦光驗(yàn)證了超連續(xù)譜向長(zhǎng)波定向展寬的可能性。

總之，上述兩項(xiàng)工作表明，在正色散區(qū)用飛秒脈沖泵浦正／負(fù)／正型雙零色散點(diǎn)波導(dǎo)，能夠定向產(chǎn)生超連續(xù)譜，產(chǎn)生過(guò)程包括三步：（1）正色散下自相位調(diào)制主導(dǎo)的光譜展寬；（2）脈沖前沿跨過(guò)零色散點(diǎn)形成孤子，孤子的部分光譜能量通過(guò)交叉相位調(diào)制又被排斥回原來(lái)的光譜區(qū)域；（3）通過(guò)與孤子四波混頻而產(chǎn)生色散波。這兩項(xiàng)工作為片上產(chǎn)生超連續(xù)譜提供了新思路。

審核編輯：符乾江