【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，光纖已成為現(xiàn)代信息社會的重要支撐。非線性光纖作為一種特殊用途光纖，在新型光纖通訊技術(shù)中具有重要應(yīng)用和發(fā)展前景，并在光波長轉(zhuǎn)換、超快光纖激光和超連續(xù)激光等光物理基礎(chǔ)以及器件研究等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)石英光纖僅表現(xiàn)出微弱的奇數(shù)階非線性效應(yīng)，限制其在非線性光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)前，提高光纖非線性的方法主要分為兩類：通過光纖結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，減小光纖的有效纖芯面積，進(jìn)而提高光纖非線性；通過對傳統(tǒng)石英光纖纖芯進(jìn)行摻雜(如硫化物)或者直接生長非石英纖芯(如鍺、硅等)來增加光纖非線性系數(shù)。但是，以上方法對光纖非線性提升效果有限且制備成本較高。因此，需要開發(fā)具有高非線性光纖的制備方法。
高非線性光子晶體光纖結(jié)構(gòu)以及特性介紹
高非線性光子晶體光纖一般有兩種：一種是纖芯較小，孔洞較大的網(wǎng)狀多模光纖，另一種纖芯稍微大些，孔洞較小，工作在零色散波長處的單模光纖。 單模的高非線性光子晶體光纖比孔洞較大的多模的高非線性光子晶體光纖相比具有一些更好的特性：單模HNL-PCF空氣孔洞較小，因此與傳統(tǒng)光纖的熔接較容易一些；聚焦在單模HNL-PCF包層區(qū)域的光不能傳播而使其易于實(shí)現(xiàn)自由空間光耦合；另外單模HNL-PCF嚴(yán)格的工作在單模狀態(tài)。雖然單模HNL-PCF具有許多優(yōu)點(diǎn)但是其非線性系數(shù)一般不高，研究發(fā)現(xiàn)多模HNL-PCF可獲得更高的非線性系數(shù)，因此使用較廣。高非線性光子晶體光纖一般指的是多模HNL-PCF。
普通石英單模光纖的非線性系數(shù)為1.11 1 WKm,而高非線性光子晶體光纖由于光被周期性的空氣微孔陣列嚴(yán)格地限制在纖芯中,其非線性系數(shù)是普通石英單模光纖的幾十至幾百倍,甚至高達(dá)245WKm。因此,在PCF中用脈沖泵浦峰值功率低于次千瓦量級(比常規(guī)非線性光纖所需的注入脈沖激光功率低1～2個數(shù)量級)的激光脈沖,可以產(chǎn)生較大的非線性頻率變換和雙倍程的超連續(xù)光譜。另外, PCF 的色散特性具有較大的設(shè)計靈活性,適當(dāng)調(diào)整光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以獲得較平坦的色散特性。同時由于包層與纖芯較大的折射率差，使得波導(dǎo)色散增加，零色散波長可以移至短波長波段。具有高非線性系數(shù)和可控的色散特性的高非線性光子晶體光纖的已被廣泛應(yīng)用于光通信、全光再生、光相干層析及光頻率測量等領(lǐng)域。
高非線性光子晶體光纖的應(yīng)用
當(dāng)強(qiáng)激光脈沖與非線性介質(zhì)發(fā)生作用時,各種不同頻率相互作用就產(chǎn)生了新頻率的激光,這種相互作用越強(qiáng),產(chǎn)生的頻譜展寬越寬,從而生成一定波長范圍的寬帶光譜,即超連續(xù)光譜。超連續(xù)光譜的寬度由非線性介質(zhì)的色散和輸入激光脈沖的強(qiáng)度決定,為了產(chǎn)生較寬的超連續(xù)光譜,通常將非線性光纖的零色散波長設(shè)計在注入脈沖波長附近。超連續(xù)光譜在光通信、超短脈沖壓縮、激光光譜學(xué)、傳感技術(shù)等方面有著極大的應(yīng)用潛力。
高非線性光子晶體光纖由于具有特殊的色散和非線性特性,比一般光纖更容易產(chǎn)生超連續(xù)譜。通過光纖的色散特性進(jìn)行特殊設(shè)計可以獲得參數(shù)優(yōu)化的超連續(xù)光譜。利用高非線性PCF 制備的單個寬帶光源可以為密集波分復(fù)用(DWDM) 提供1000個信道的光信號。PCF產(chǎn)生的超連續(xù)譜也為超高分辨率的光學(xué)相干層析技術(shù)提供了理想光源。在頻率計量學(xué)中,利用飛秒脈沖序列與PCF 作用產(chǎn)生的超連續(xù)譜已被用來制作“光頻率梳”。此外，HNL-PCF可控的色散特性使得這種光纖在超快光學(xué)領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用價值,包括超短脈沖的受控傳輸、頻率轉(zhuǎn)換、脈沖寬度壓縮等。
二維原子晶體材料是目前材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，如石墨烯、過渡金屬硫族化合物和六方氮化硼等，均具有較優(yōu)的物理性能。尤其是光學(xué)特性，不同能帶結(jié)構(gòu)的二維材料可具備從紫外到微波的超快寬帶光學(xué)響應(yīng)、可調(diào)的光與物質(zhì)相互作用和高非線性系數(shù)等特點(diǎn)，掀起二維材料與光纖光學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科研究熱潮。此前主要通過轉(zhuǎn)移或涂覆的方式將二維材料與光纖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)二維材料的光學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)。但是，該方法一般需要人為改變光纖結(jié)構(gòu)(例如側(cè)剖和拉錐光纖)以實(shí)現(xiàn)材料與光纖中傳輸光的倐逝波的耦合，影響光纖的性能，增加不必要的損耗，且轉(zhuǎn)移和涂覆工藝不利于高性能復(fù)合光纖的批量制備。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心白雪冬課題組，中科院院士、北京大學(xué)教授劉忠范，北京大學(xué)研究員劉開輝合作，提出一種液相輔助兩步化學(xué)氣相沉積法在多孔光纖孔內(nèi)壁上直接生長二維過渡金屬硫族化合物，制備出具有超高非線性的二維材料復(fù)合光纖。該方法解決二維材料前驅(qū)體在大縱橫比光纖中傳質(zhì)不勻的問題，實(shí)現(xiàn)多種二維材料及其合金在不同種類規(guī)格光纖(空心石英管光纖和光子晶體光纖等)中均勻全覆蓋生長，長度可達(dá)25 cm。在此基礎(chǔ)上，研究人員基于復(fù)合光纖的非線性實(shí)部和虛部分別進(jìn)行應(yīng)用研究：(1)非線性實(shí)部：光頻轉(zhuǎn)換應(yīng)用研究。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，二維材料復(fù)合光纖展示出較強(qiáng)的二次和三次諧波產(chǎn)生，相比于平面石英襯底上的MoS2樣品，該MoS2復(fù)合光纖的非線性信號增強(qiáng)~300倍，損傷閾值提高3倍，傳輸損耗僅為~0.1 dB/cm。(2)非線性虛部：全光纖超快脈沖激光器的研究。將MoS2復(fù)合光纖用作飽和吸收器，完成全光纖鎖模脈沖激光器的搭建和測試，具備超窄脈沖寬度~500 fs高重復(fù)頻率~41 MHz等性能。
相關(guān)研究成果以O(shè)ptical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity為題，在線發(fā)表在Nature Nanotechnology上，物理所博士后左勇剛為論文共同第一作者。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)、國家自然科學(xué)基金等的資助。
資料來源：百科、物理研究所
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