硅基超连续谱的研究进展

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1、硅基超连续谱的研究进展　　1.引言　　超连续谱(supercontinuum，sc)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

2、，例如，单模光纤，光子晶体光纤（photoniccrystalfiber，pcf），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50长的高非线性光子晶体光纤，最终得到输出功率为29os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

3、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（self-phasemodulation，spm），交叉相位调制（cross-phasemodulation，xpm），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。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

4、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（t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，σn表示自由载流子产生的相移大小，σα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，βt为双光子吸收系数，ā为波导有效截面积。　　在超连续谱的产生过程中，哪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

5、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

6、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1102）的入射脉冲光。脊型硅波导的有效面积为5μm2，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

7、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

8、子下降到1