吳天嬌，李 巖

拉曼光纖放大器由于其低噪聲、可實現(xiàn)任意波長放大的特點改善了摻鉺光纖放大器和半導(dǎo)體光纖放大器工作的局限性，對于開發(fā)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(guān)注.選擇一種優(yōu)質(zhì)材料最終實現(xiàn)泵浦波長到適用波長的高效轉(zhuǎn)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(jié)合實驗材料特性.目前被報道的自激發(fā)現(xiàn)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(xiàn)脈沖激光器頻率轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象.文獻［4］在SiO2基質(zhì)材料中摻雜Nb3+進行探究，最終在1 120～1 143 nm附近實現(xiàn)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(zhuǎn)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(chǔ)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(lián)腔的個數(shù)，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(qū)域內(nèi)，致使微球腔具有非常高的品質(zhì)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(tǒng)來探究摻Y(jié)b3+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(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lián)拉曼過程實現(xiàn)了在1 320 nm附近自激發(fā)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(jié)能升溫爐（型號KSX2）；976 nm半導(dǎo)體激光器；PMT200～660nm以及OSA600～1700nm.

1.2 材料及合成

采用傳統(tǒng)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(zhì)量為6.532 g的粉末放入帶蓋剛玉坩堝中，放置在快速節(jié)能升溫爐（型號KSX2）內(nèi)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Y(jié)b3+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(dǎo)體激光器作為泵浦光源，利用雙熔錐光纖（由標(biāo)準(zhǔn)單縱模光纖熔融拉伸而成，實驗中充當(dāng)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Y(jié)b3+磷硅酸鹽微球的拉曼特征.

圖1 實驗測試裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

區(qū)別于依靠能級間受激電子的躍遷而制備的傳統(tǒng)激光器，拉曼激光器則是根據(jù)受激拉曼散射現(xiàn)象產(chǎn)生的.拉曼散射現(xiàn)象是當(dāng)頻移量與相鄰拉曼斯托克斯能級間的分離能量相同時產(chǎn)生的，而受激拉曼散射則只有當(dāng)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(fā)下一級的受激拉曼輻射的情況下才會產(chǎn)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(dǎo)體激光器抽運直徑為108 μm的摻Y(jié)b3+磷硅酸鹽微球腔，當(dāng)抽運功率達到8.758 mW時，產(chǎn)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(yīng)于P-O-Si分子鍵的振動［7］，只通過一級拉曼級聯(lián)過程，實現(xiàn)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(nèi)增益隨著泵浦功率的增大而增大，本文中，當(dāng)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(chǎn)生增益為25.56 dB的自激發(fā)拉曼激光，具體如圖3所示.該自激發(fā)拉曼激光的產(chǎn)生是由于P=O雙鍵的振動導(dǎo)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(zhuǎn)換激光（Yb3+（2F5/2→2F7/2）的振蕩激光）處獲得增益，故最終導(dǎo)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(fā)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Y(jié)b3+磷硅酸鹽微球腔測得的自激發(fā)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Y(jié)b3+磷硅酸鹽微球腔測得的自激發(fā)拉曼激光光譜

本研究測量了另一直徑為124 μm的摻Y(jié)b3+磷硅酸鹽微球腔.當(dāng)泵浦功率達到10.056 mW時，可觀察到的下轉(zhuǎn)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Y(jié)b3+磷硅酸鹽微球中Yb3+離子的下轉(zhuǎn)換激光自激發(fā)產(chǎn)生結(jié)果，并非直接由976 nm激光泵浦產(chǎn)生.

圖4 泵浦功率為10.056 mW時，直徑為124 μm摻Y(jié)b3+磷硅酸鹽微球腔測得的下轉(zhuǎn)換激光光譜

本研究也測得了一個四級自激發(fā)級聯(lián)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(dǎo)體激光器抽運作用下，當(dāng)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(chǔ)材料為SiO2的拉曼現(xiàn)象非常接近.

圖5 泵浦功率為6.657 mW時，直徑為104 μm的摻Y(jié)b3+磷硅酸鹽微球腔四階級聯(lián)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(xué)放大器和依據(jù)非線性效應(yīng)實現(xiàn)任意波長轉(zhuǎn)化領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)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(fā)光源來獲得級聯(lián)拉曼激光進行探究，相較于傳統(tǒng)的激光器而言，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的特點.此外，結(jié)合本研究的基質(zhì)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(zhuǎn)換激光的輸出過程.

3 結(jié)論

本研究采用傳統(tǒng)的高溫煅燒法制備了摻Y(jié)b3+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(tǒng)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(zhuǎn)換拉曼激光.相較于傳統(tǒng)的以SiO2作為基質(zhì)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(lián)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(zhuǎn)換自激發(fā)拉曼激光，但對比而言，本研究中不僅實現(xiàn)了由于Si-O-Si鍵振動產(chǎn)生四級級聯(lián)拉曼過程的位于O波段內(nèi)的自激發(fā)下轉(zhuǎn)換激光，最終在1 332 nm附近實現(xiàn)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(fā)級聯(lián)拉曼激光，減少了級聯(lián)拉曼過程，提高了實驗效率.本文首次在摻Y(jié)b3+磷硅酸鹽微球腔中通過自激發(fā)級聯(lián)拉曼激光實現(xiàn)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.