摻Yb3+磷硅酸鹽微球腔O波段自激發拉曼激光的研究

吳天嬌，李 巖

拉曼光纖放大器由于其低噪聲、可實現任意波長放大的特點改善了摻鉺光纖放大器和半導體光纖放大器工作的局限性，對于開發低損耗（O波段）窗口激光輸出有著不可替代的作用，因而受到了廣泛關注.選擇一種優質材料最終實現泵浦波長到適用波長的高效轉換尤為重要，因為拉曼頻移不僅取決于斯托克斯能級間隔量，也同樣需要結合實驗材料特性.目前被報道的自激發現象大多是很多年前的晶體材料（如KGd（WO4）2［1］，PbWO4［2］，BaNO3［3］）中摻雜稀土元素Nd3+或Yb3+，通過受激拉曼散射來實現脈沖激光器頻率轉換的現象.文獻［4］在SiO2基質材料中摻雜Nb3+進行探究，最終在1 120～1 143 nm附近實現了一級自受激拉曼散射激光輸出.

Yb3+離子由于其寬闊的吸收帶和散射帶以及可忽略不計的濃度淬滅特性［5］，故可用于制備特殊波長的激光光源、激光遙感以及非線性頻率轉換（變頻）等.為探究拉曼激光，本文嘗試采用磷硅酸鹽這種較常用的基礎材料進行研究，該材料具備聲子能量高、拉曼增益強的特點，相比于鍺硅酸鹽，其頻移量（P=O的振動頻移量為1 300 cm-1；P-O-Si的振動頻移量為1 160 cm-1［6-7］）能夠減少級聯腔的個數，大大提高實驗效率.此外，磷硅酸鹽材料對Yb3+離子具有很高的溶解度，也是其成為研究拉曼激光器首選材料的理由之一.微球腔具備WGMs（耳語回廊模式），該特點在一定條件下使能量相互疊加、增強并將其壓縮在極小的區域內，致使微球腔具有非常高的品質因子和極小的模式體積，所以本文選擇微球腔與光纖錐耦合系統來探究摻Yb3+磷硅酸鹽微球腔的拉曼特性，極大程度地改善了一直以來困擾著拉曼光纖放大器實驗現象的兩個問題：一是在玻璃光纖中放大的低效性，二是泵浦光需要集成簡便、價格便宜和高效率轉化［8］.

在本研究中，同一摻雜微球腔分別于1 237.7 nm和1 269.6 nm，即O波段附近，獲得了下轉換激光輸出，而且均只通過一級拉曼過程（頻移量分別為1 164 cm-1和1 343 cm-1），最終通過四級級聯拉曼過程實現了在1 320 nm附近自激發拉曼激光的輸出.

1 實驗

1.1 材料及儀器

所用材料均為分析純，使用前未進一步純化.快速節能升溫爐（型號KSX2）；976 nm半導體激光器；PMT200～660nm以及OSA600～1700nm.

1.2 材料及合成

采用傳統的高溫煅燒法制備了組分為55.93P2O5-3.57Al2O3-15Na2CO3-20SiO2的磷硅酸鹽玻璃，稀土材料Yb2O3（99.9%分析純）同樣作為原材料摻入其中.將研磨混合均勻的質量為6.532 g的粉末放入帶蓋剛玉坩堝中，放置在快速節能升溫爐（型號KSX2）內升溫至1 450℃，加熱熔融1 h.然后，取出坩堝，用玻璃棒（直徑3～4 mm，長度為10 cm）沾取熔融玻璃溶液，迅速拉制成絲（直徑為20～100 μm）.最后，將拉制成絲的摻Yb3+磷硅酸鹽玻璃絲的一端進行電極放電，在表面張力的作用下形成直徑范圍為50～170 μm的微球腔.實驗中，采用976 nm半導體激光器作為泵浦光源，利用雙熔錐光纖（由標準單縱模光纖熔融拉伸而成，實驗中充當耦合器，可將光功率耦合入并耦合出微球腔，雙熔錐光纖束腰半徑為2.5 μm，插入損耗為0.36 dB）耦合微球腔探究摻Yb3+磷硅酸鹽微球的拉曼特征.

圖1 實驗測試裝置示意圖

2 結果與討論

區別于依靠能級間受激電子的躍遷而制備的傳統激光器，拉曼激光器則是根據受激拉曼散射現象產生的.拉曼散射現象是當頻移量與相鄰拉曼斯托克斯能級間的分離能量相同時產生的，而受激拉曼散射則只有當泵浦激光光強到達一定程度時，其自身的能量可以作為一個泵浦源激發下一級的受激拉曼輻射的情況下才會產生.

本實驗中觀測到三種磷硅酸鹽典型的拉曼頻移量.如圖2所示，我們使用976 nm半導體激光器抽運直徑為108 μm的摻Yb3+磷硅酸鹽微球腔，當抽運功率達到8.758 mW時，產生邊模抑制比為38.75 dB，中心波長為1 237.7 nm的單縱模激光，拉曼頻移量為1 164 cm-1，對應于P-O-Si分子鍵的振動［7］，只通過一級拉曼級聯過程，實現位于1 240 nm附近的激光輸出，對于制備位于第二通訊窗口的激光器具有重要意義.

眾所周知，腔內增益隨著泵浦功率的增大而增大，本文中，當泵浦光源抽運同一摻雜微球、功率增加到9.948 mW時，在1 269.6 nm（O波段范圍）處產生增益為25.56 dB的自激發拉曼激光，具體如圖3所示.該自激發拉曼激光的產生是由于P=O雙鍵的振動導致的［7］，拉曼頻移量為1 343 cm-1，符合磷硅酸鹽材料的拉曼頻移量.實驗中，由于處在1 269.6 nm同1 237.7 nm的激光均從同一級下轉換激光（Yb3+（2F5/2→2F7/2）的振蕩激光）處獲得增益，故最終導致1 237.7 nm激光輸出受到抑制，甚至消失［9］.KARPOV V I等［10］和 DIANOV E M等［11］報道的利用磷硅酸鹽光纖來測得的自激發拉曼激光的閾值遠遠高于本實驗，這歸功于本文中微球腔所具備的耳語回廊模式.

圖2 抽運功率為8.758 mW時，直徑為108 μm的摻Yb3+磷硅酸鹽微球腔測得的自激發拉曼激光光譜

圖3 抽運功率為9.948 mW時，同一直徑為108 μm的摻Yb3+磷硅酸鹽微球腔測得的自激發拉曼激光光譜

本研究測量了另一直徑為124 μm的摻Yb3+磷硅酸鹽微球腔.當泵浦功率達到10.056 mW時，可觀察到的下轉換波長覆蓋范圍為1 080～1 120 μm，并沒有延伸到O波段，如圖4所示.這說明，以上研究為摻Yb3+磷硅酸鹽微球中Yb3+離子的下轉換激光自激發產生結果，并非直接由976 nm激光泵浦產生.

圖4 泵浦功率為10.056 mW時，直徑為124 μm摻Yb3+磷硅酸鹽微球腔測得的下轉換激光光譜

本研究也測得了一個四級自激發級聯拉曼過程，同樣將波長延伸至O波段（1.3 μm附近）.在976 nm半導體激光器抽運作用下，當功率達到6.657 mW時，可獲得如圖5所示光譜.圖中所涉及的四級斯托克斯頻移分別是344 cm-1、281 cm-1、490 cm-1、460 cm-1，均來自Si-O-Si鍵的振動.該圖中波長可以延伸至1 332 nm，這與HUANG Y等［12］文中的基礎材料為SiO2的拉曼現象非常接近.

圖5 泵浦功率為6.657 mW時，直徑為104 μm的摻Yb3+磷硅酸鹽微球腔四階級聯拉曼光譜

O波段是低損耗光通訊的第二窗口，在制備非線性光學放大器和依據非線性效應實現任意波長轉化領域具有巨大的潛在應用價值［13-18］.本實驗利用前一級的斯托克斯光作為下一級斯托克斯光的激發光源來獲得級聯拉曼激光進行探究，相較于傳統的激光器而言，具有結構簡單、使用方便的特點.此外，結合本研究的基質材料特點，通過磷硅酸鹽典型的拉曼頻移量，大大提高O波段下轉換激光的輸出過程.

3 結論

本研究采用傳統的高溫煅燒法制備了摻Yb3+磷硅酸鹽微球，采用具有緊湊和高效特性的錐光纖與微球腔耦合系統來探究該摻雜微球腔，在較低泵浦激光抽運作用下，獲得了下轉換拉曼激光.相較于傳統的以SiO2作為基質材料的實驗探究，如李強龍［19］、黃玉［20］等報道了磷硅酸鹽具備較大頻移量和對Yb3+可忽略不計的濃度淬滅等特點，是探究O波段拉曼激光的首選材料，可以極大程度地降低級聯拉曼過程，提高實驗效率.黃衍堂等［4］同樣通過摻雜微球腔探究下轉換自激發拉曼激光，但對比而言，本研究中不僅實現了由于Si-O-Si鍵振動產生四級級聯拉曼過程的位于O波段內的自激發下轉換激光，最終在1 332 nm附近實現激光輸出；由于Si-O-P鍵和P=O雙鍵的振蕩分別在1 237.7 nm和1 269.6 nm處獲得了自激發級聯拉曼激光，減少了級聯拉曼過程，提高了實驗效率.本文首次在摻Yb3+磷硅酸鹽微球腔中通過自激發級聯拉曼激光實現在O波段附近的激光輸出，對制備DWDMs及放大器提供了更便捷的可能.