Генерация видимого суперконтинуума, управляемая интермодальным четырехволновым смешением в микроструктурированном волокне

Введение

Генерация суперконтинуума основана на сложной комбинации линейных и нелинейных явлений, происходящих в средах, проявляющих керровскую нелинейность. Стандартный метод заключается в установке длины волны нулевой дисперсии волокна (ДВНД) вблизи длины волны лазера накачки. Основные используемые эффекты: модуляционная нестабильность, четырехволновое смешение (ЧВС), солитонные эффекты, комбинационный сдвиг и связь с дисперсионными волнами. Однако со стандартными источниками накачки с длиной волны ~1 мкм сложно расширить суперконтинуум на видимый диапазон.

В данном исследовании предлагается метод, основанный на предварительном этапе генерации боковой полосы посредством ЧВС с большим сдвигом частоты, так что высокочастотная антистоксова линия находится вблизи ДВНД в интересующей области. Затем нелинейные эффекты, включая перекрестную фазовую модуляцию, привносят новые спектральные компоненты по обе стороны линий ЧВС. При большой мощности формируется сплошной широкий суперконтинуум. Это возможно только при использовании оптического волокна со смещенной в сторону коротких волн ДВНД. Кроме того, длина волны накачки 1064 нм, находящаяся далеко в области аномальной дисперсии, требует фазового согласования между двумя модами волокна, чтобы одна из них получила с помощью ЧВС высокую частоту, близкую к ДВНД.

Специальное микроструктурированное мультимодальное волокно

Спроектировано и изготовлено оптическое волокно со следующими характеристиками: 

• Оболочка с отверстиями диаметром d 1.85 мкм и расстоянием между ними Λ = 2.6 мкм, отношение d/Λ 0.71
• Сердцевина волокна эллиптической формы состоит из пары больших симметричных отверстий диаметрами 3.3 и 3.6 мкм
• Эффективная площадь основной моды ~5.3 мкм² при λ_P=1064 нм
• На 1064 нм возможно управлять четырьмя основными модами: две первого порядка LP_01,k и две четные моды второго порядка LP_11,k, где k обозначает поляризацию x или y основных осей волокна
• Сильно асимметричная геометрия обуславливает большое фазовое и групповое двойное лучепреломление
• Рассчитанные ДВНД: LP_01,x − 827 нм, LP_01,y − 866 нм, LP_11,x − 757 нм, LP_11,y − 764 нм

Рисунок 1 — Численно рассчитанный коэффициент дисперсии для первых двух пространственных мод оптоволокна. На вставке: СЭМ-изображение поперечного сечения волокна

Моды на длине волны накачки (λ_P = 1064 нм) распространяются в режиме большой аномальной дисперсии. В данной статье рассматривается случай, когда поляризация накачки ориентирована по оси x волокна.

Эксперимент

В эксперименте использовался микрочиповый лазер Nd:YAG с модуляцией добротности производства LEUKOS. Длина волны лазера 1064 нм, длительность импульса 600 пс, энергия импульса 37.5 мкДж и частота следования импульсов 6 кГц. Поляризация и мощность накачки контролируются с помощью системы волновых пластин и поляризатора. Импульсы накачки подаются в волокно через фокусирующую линзу с фокусным расстоянием 2.3 мм (диаметр лазерного пятна меньше диаметра сердцевины волокна).

Для эксперимента используется короткое волокно (50 см). Мощность лазера накачки увеличивается постепенно, при мощностях ниже 700 Вт эффект ЧВС не наблюдается (рисунок 3). Вблизи накачки появляется несколько боковых полос, обусловленных вкладом скалярной модуляционной нестабильности. Когда мощность достигает промежуточного уровня 1000 Вт, процесс ЧВС становится отчетливо виден. Помимо почти симметричного уширения линии накачки наблюдаются две полосы, генерируемые около 831 и 1478 нм. При этом антистоксова боковая полоса переносится LP_11,x, тогда как стоксова боковая полоса переносится LP_01,x. Стоксовы и антистоксовые компоненты расположены на расстоянии более 158 ТГц.

Рисунок 2 — Экспериментальные спектры для волокна длиной 50 см в зависимости от пиковой мощности для x-поляризации

Когда пиковая мощность накачки превышает 1000 Вт, центральная полоса расширяется ассиметрично в длинноволновую область. Это происходит в результате сочетания большой дисперсии групповой скорости (ДГС), образования солитонов и эффекта комбинационного рассеяния. Антистоксова полоса расширяется и имеет довольно симметричную форму из-за почти нулевой, но слегка аномальной ДГС. При максимальной мощности, которую может выдержать входное волокно, генерируется плоский широкополосный спектр, охватывающий диапазон от длины волны накачки до боковой полосы Стокса 1478 нм. На другой стороне накачки генерация континуума растет асимметрично в сторону синих длин волн благодаря процессу перекрестной фазовой модуляции.

Переместив входной конец волокна в поперечном направлении, можно добиться возбуждения только основной моды сердцевины. В этой ситуации генерируется ИК суперконтинуум в диапазоне 1000 – 1750 нм, что свидетельствует об интермодальном влиянии ЧВС на формирование суперконтинуума видимого диапазона (рисунок 4).

Рисунок 3 — Экспериментальные спектры СК для двух разных селективных связей: бимодальное возбуждение LP_01,x и LP_11,x (LP₀₁+LP₁₁); одномодовое возбуждение LP_01,x (LP₀₁)

Заключение

Исследована новая схема генерации суперконтинуума, расширенного в высокочастотном диапазоне. Для этой цели использовалась накачка микрочиповым лазером LEUKOS специально спроектированного и изготовленного микроструктурированного мультимодального оптического волокна. С помощью ЧВС сильный сигнал накачки на длине волны 1064 нм преобразуется в антистоксово излучение на 831 нм, которое находится вблизи ДВНД одной из мод волокна. Такая ситуация способствует дальнейшей генерации широкого спектра в видимой области. Стоксова компонента появляется в инфракрасной области, соответствующей телекоммуникационному диапазону. Фазовое согласование достигается путем объединения накачки с двумя управляемыми модами асимметричного сердечника оптоволокна. На высоком уровне мощности наблюдается явление большого спектрального уширения в обеих областях, вызванное процессом широкополосного ЧВС.

Компания INSCIENCE занимается поставками источников суперконтинуума и продукции LEUKOS