硅基超連續(xù)譜的研究進(jìn)展
激光脈沖在硅波導(dǎo)中傳播，可以用廣義非線性薛定諤方程描述如下式。
其中，右邊第一項(xiàng)描述了硅波導(dǎo)中的色散效應(yīng)，βm 表示m 階色散系數(shù)，第二項(xiàng)描述了自由載流子產(chǎn)生的相移以及自由載流子吸收項(xiàng)，σn 表示自由載流子產(chǎn)生的相移大小，σα 表示自由載流子吸收大小，第三項(xiàng)描述了非線性kerr 效應(yīng)以及雙光子吸收項(xiàng)，n2 為kerr 效應(yīng)系數(shù)，βt 為雙光子吸收系數(shù)，ā 為波導(dǎo)有效截面積。
在超連續(xù)譜的產(chǎn)生過(guò)程中，哪種效應(yīng)起決定作用主要取決于初始入射脈沖的參數(shù)和介質(zhì)的線性色散特性。若用皮秒脈沖入射，色散效應(yīng)較弱，光脈沖主要在非線性效應(yīng)，特別是自相位調(diào)制作用下發(fā)生展寬，一般范圍有限。若用飛秒脈沖入射，在波導(dǎo)的反常色散區(qū)，波導(dǎo)的色散效應(yīng)和自相位調(diào)制效應(yīng)會(huì)相互平衡,出現(xiàn)孤子傳播態(tài)。光譜展寬初期以自相位調(diào)制為主，之后發(fā)生高階孤子分裂，并伴隨孤子輻射，隨著光譜成分的增加四波混頻效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。
在反常色散區(qū)，相位匹配條件很易滿足，故能得到較寬的超連續(xù)譜。
3.自相位調(diào)制（spm）誘導(dǎo)的頻譜展寬
隨著硅器件在通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)硅波導(dǎo)中產(chǎn)生超連續(xù)譜作了大量工作，同時(shí)也取得了許多重大的成果。理論研究表明，對(duì)于一般的短脈沖，脈沖傳播的色散長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于所用的波導(dǎo)長(zhǎng)度，此時(shí)色散效應(yīng)可以忽略，自相位調(diào)制效應(yīng)起主要地位，從而導(dǎo)致出射頻譜的展寬。
年，jalali 研究小組首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)在硅波導(dǎo)中獲得超連續(xù)譜，得到了2 倍展寬的出射光譜[3]。他們使用被動(dòng)鎖模光纖激光器產(chǎn)生脈寬為1 ps 的短脈沖，通過(guò)3 db 帶通濾波器對(duì)光譜整形后經(jīng)由摻鉺光纖放大器放大得到脈寬為4 ps，峰值功率為110 w（相當(dāng)于光功率密度為2.2 gw/cm2）的入射脈沖光。脊型硅波導(dǎo)的有效面積為5 μm2，總長(zhǎng)度2 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示。
從圖中可清楚地看到出射光譜的寬度大約是入射光譜寬度的2 倍。光譜展寬主要是由自相位調(diào)制效應(yīng)造成的。在考慮雙光子吸收效應(yīng)的情況下，通過(guò)理論模擬，將入射峰值功率增加10 倍可以得到5 倍展寬的出射光譜。此實(shí)驗(yàn)證實(shí)了利用硅波導(dǎo)可以產(chǎn)生超連續(xù)譜，同時(shí)揭開(kāi)了在較低泵光功率下產(chǎn)生超連續(xù)譜的新篇章。
之后，jalali 研究小組又討論了硅波導(dǎo)中自由載流子對(duì)超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響[4]。眾所周知，kerr 效應(yīng)、自由載流子效應(yīng)均對(duì)頻譜的相移有貢獻(xiàn)。kerr 效應(yīng)使得脈沖前沿紅移、后沿藍(lán)移。而自由載流子效應(yīng)使得脈沖整體藍(lán)移。由此可知脈沖后沿得到很大的藍(lán)移展寬。但是，脈沖后沿積累了更多的自由載流子，光脈沖衰減更為嚴(yán)重。他們通過(guò)理論模擬分析了自由載流子對(duì)出射光譜展寬的作用，如圖2 所示,只考慮kerr 效應(yīng)帶來(lái)的相移時(shí)，展寬因子大約為8，考慮自由載流子對(duì)相移的影響后，展寬因子迅速增大大約為28，最后考慮自由載流子吸收后，展寬因子下降到12。由此可知，自由載流子對(duì)頻譜展寬（尤其使得頻譜藍(lán)移）有著重要作用，但其濃度的增加導(dǎo)致的吸收也會(huì)削弱光譜展寬。
年，e.dulkeith 等人研究了入射光波長(zhǎng)以及峰值功率對(duì)光譜展寬的影響[5]。硅波導(dǎo)截面為470226 nm、長(zhǎng)4 mm。入射脈沖脈寬1.8 ps、周期1 khz、中心波長(zhǎng)1550 nm。改變?nèi)肷涔夤β士梢钥吹剑诠β瘦^低時(shí)，波導(dǎo)工作在線性區(qū)域，出射光譜的形狀和位置幾乎沒(méi)有變化，隨著功率的增加，出射光譜的展寬隨之增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)中使用皮秒脈沖作為入射光，色散作用在脈沖傳播過(guò)程中并不顯著，脈沖展寬主要來(lái)自自相位調(diào)制的作用。從圖中可以清楚地看到，脈沖展寬并不對(duì)稱，這主要是因?yàn)樵诿}沖后沿比前沿積累更多的自由載流子，因此后沿的相移更大，導(dǎo)致脈沖展寬的不對(duì)稱性。