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近日，英國南安普頓大學(xué)Anna C. Peacock教授團隊在期刊Light: Science & Applications上發(fā)表了題為 “Raman Amplification at 2.2 μm in Silicon Core Fibers with Prospects for Extended Mid-infrared Source Generation”的原創(chuàng)研究。Meng Huang為論文的第一作者。

研究人員首次利用硅波導(dǎo)中的拉曼效應(yīng)實現(xiàn)中紅外光生成及光放大，對在中紅外譜段開發(fā)緊湊的光纖拉曼激光器和放大器有著重要的推動作用。

由于在氣體傳感和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，中紅外光譜區(qū)在過去的十年一直是研究的熱點。然而，開發(fā)工作波長在2 μm以上、結(jié)構(gòu)緊湊的可調(diào)諧光纖光源仍然面臨重大挑戰(zhàn)。作為光學(xué)非線性效應(yīng)的一種，拉曼散射產(chǎn)生的固定光譜頻移非常適合用于拓展傳統(tǒng)光源的工作波長。因此，利用高功率光源來泵浦寬傳輸窗口的波導(dǎo)構(gòu)成的拉曼系統(tǒng)，可將近紅外光源的工作波段拓展到中紅外，在傳統(tǒng)光源波長受限的譜段實現(xiàn)信號光的生成或放大（見圖1（a））。

本文利用硅芯光纖中的拉曼效應(yīng)實現(xiàn)了波長超過2 μm的光生成與光放大。作為硅波導(dǎo)的一種，硅光纖長度長，光傳輸損耗低，且可以直接與普通光纖熔接，使得它非常適合用來做中紅外拉曼放大器。文中使用的硅光纖是用傳統(tǒng)光纖拉絲塔制造（見圖1（b））。為了進一步增強非線性拉曼效應(yīng)，我們通過光纖拉錐來減小硅光纖的尺寸，同時硅芯的重結(jié)晶過程減小材料缺陷引入的損耗。拉錐后的硅光纖芯徑可達微米級別，損耗僅為0.2 dB cm?1。將脈沖參銩光纖激光器注入拉錐優(yōu)化后的硅光纖，該團隊成功得到了波長為2.2 μm的自發(fā)拉曼信號和受激拉曼放大信號。由于硅材料的高拉曼散射效率以及硅光纖較小的模場面積，10 mWh的泵浦功率產(chǎn)生了超過30 dB 的峰值增益（見圖1（c））。更重要的是，通過適當(dāng)優(yōu)化脈沖光源的參數(shù)，硅光纖可將參銩光纖激光器的波長拓展至4 μm以上（見圖1（d））。

圖1. （a）利用硅光纖拓展激光器波長的概念圖。（b）制造硅光纖的拉絲塔工藝；插圖為光纖后處理拉錐法。（c） 2微米脈沖泵浦的受激拉曼放大平均增益。（d）光源優(yōu)化后的自發(fā)拉曼輻射光譜。

▍論文信息

Huang, M., Sun, S., Saini, T.S. et al. Raman amplification at 2.2?μm in silicon core fibers with prospects for extended mid-infrared source generation. Light Sci Appl 12, 209 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01250-y

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