Light | 硅芯光纤拉曼效应在中红外的应用

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▍导读

近日，英国南安普顿大学Anna C. Peacock教授团队在期刊Light: Science & Applications上发表了题为 “Raman Amplification at 2.2 μm in Silicon Core Fibers with Prospects for Extended Mid-infrared Source Generation”的原创研究。Meng Huang为论文的第一作者。

研究人员首次利用硅波导中的拉曼效应实现中红外光生成及光放大，对在中红外谱段开发紧凑的光纤拉曼激光器和放大器有着重要的推动作用。

由于在气体传感和生物医学领域的应用前景，中红外光谱区在过去的十年一直是研究的热点。然而，开发工作波长在2 μm以上、结构紧凑的可调谐光纤光源仍然面临重大挑战。作为光学非线性效应的一种，拉曼散射产生的固定光谱频移非常适合用于拓展传统光源的工作波长。因此，利用高功率光源来泵浦宽传输窗口的波导构成的拉曼系统，可将近红外光源的工作波段拓展到中红外，在传统光源波长受限的谱段实现信号光的生成或放大（见图1（a））。

本文利用硅芯光纤中的拉曼效应实现了波长超过2 μm的光生成与光放大。作为硅波导的一种，硅光纤长度长，光传输损耗低，且可以直接与普通光纤熔接，使得它非常适合用来做中红外拉曼放大器。文中使用的硅光纤是用传统光纤拉丝塔制造（见图1（b））。为了进一步增强非线性拉曼效应，我们通过光纤拉锥来减小硅光纤的尺寸，同时硅芯的重结晶过程减小材料缺陷引入的损耗。拉锥后的硅光纤芯径可达微米级别，损耗仅为0.2 dB cm⁻¹。将脉冲参铥光纤激光器注入拉锥优化后的硅光纤，该团队成功得到了波长为2.2 μm的自发拉曼信号和受激拉曼放大信号。由于硅材料的高拉曼散射效率以及硅光纤较小的模场面积，10 mWh的泵浦功率产生了超过30 dB 的峰值增益（见图1（c））。更重要的是，通过适当优化脉冲光源的参数，硅光纤可将参铥光纤激光器的波长拓展至4 μm以上（见图1（d））。

图1. （a）利用硅光纤拓展激光器波长的概念图。（b）制造硅光纤的拉丝塔工艺；插图为光纤后处理拉锥法。（c） 2微米脉冲泵浦的受激拉曼放大平均增益。（d）光源优化后的自发拉曼辐射光谱。

▍论文信息

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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