硅芯光纤中 2.2 μm 波长的拉曼放大技术与中红外辐射源的扩展前景
发布时间：2023-09-04 10:30:55 阅读数： 150
a. 使用 SCF 产生新的中红外波长光的概念。 b. 熔芯法制造光纤，插图显示后处理的锥形设计。 c. 2 μm 脉冲泵浦的受激拉曼增益曲线。 d. 使用优化泵浦源时自发级联拉曼散射的光谱演变。作者：黄萌、孙世宇、Than S. Saini、傅强、徐林、吴东、任浩楠、沈力、Thomas W. Hawkins、John Ballato 和 Anna C. Peacock
过去十年来，中红外光谱区引起了人们极大的研究兴趣，因为它对许多生物医学和传感应用非常重要。然而，开发波长超过 2 μm 的紧凑型可调光纤光源仍是一大挑战。
拉曼散射是一种非线性过程，可用于在传统光源有限或不可用的波长区域产生或放大光信号。因此，当拉曼系统由大功率激光器和具有宽透射窗口的波导构成时，可用于将近红外泵浦源转换到中红外，以帮助填补该区域的波长空白。
在发表于《光：科学与应用》（Light： 科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一篇新论文中，由英国南安普敦大学光电子研究中心的 Anna C. Peacock 教授领导的一个国际研究小组利用高度非线性硅芯光纤（SCF）平台，在波长超过 2 μm 的波段实现了高水平的拉曼放大。
与平面硅系统相比，SCF 具有传播长度长、传播损耗低、与光纤激光器耦合效率高等优点，因此已成为令人兴奋的中红外拉曼放大平台。这项工作中使用的 SCF 是通过熔芯拉丝法制造的，这种方法可以快速生产长光纤。
然后通过锥形程序对光纤进行后处理，通过优化纤芯材料和尺寸来提高非线性性能。生产出的 SCF 的传输损耗仅为 0.2 dB/cm，在 6 cm 的长度上具有一致的微米级锥形腰径。
通过用掺铥光纤激光器对优化后的 SCF 进行泵浦，研究小组展示了 2.2 μm 波长的拉曼发射和放大效果。在受激拉曼放大的情况下，由于晶体纤芯材料具有较大的拉曼增益系数，因此在泵浦功率只有约 10 mW 的情况下就能实现约 30 dB 的通断峰值增益。
重要的是，SCF 的低损耗还为通过级联过程将拉曼波长移动的范围扩展到 4 μm 及以上开辟了一条途径。这项研究首次展示了中红外拉曼散射在任何硅波导系统中的应用--无论是基于光纤还是芯片--从而为在该光谱带开发稳健、紧凑和可调谐系统迈出了关键一步。
参考资料
Meng Huang et al, Raman amplification at 2.2 μm in silicon core fibers with prospects for extended mid-infrared source generation, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01250-y
