雖然光子晶體光纖的出現極大的推動了超連續(xù)光源的產生以及商用化，但是大功率的可見光波段的超連續(xù)一直是一個難以攻克的難題，目前最高的商用產品為6W，而且主要能量不在可見光），主要是因為色散與泵浦源波長的匹配要求光纖直徑將非常細（零色散波長移至可見光，芯徑約為1微米），這樣更高的功率可能會超出光纖本身的損傷閾值，從而無法實現。然而，大功率的可見光超連續(xù)白光源在照明、生物及軍事光電對抗方面具有很大的應用前景，也是超連續(xù)產生的一個研究和應用方向。我們得到自然科學基金資助，嘗試利用全固光子帶隙光纖來解決這一難題。全固光子帶隙光纖結合了傳統(tǒng)光纖以及前兩種光子晶體光纖的多重優(yōu)點，沒有空氣孔，加工制作非常簡單方便，易與傳統(tǒng)光纖接續(xù)與集成。另外，全固光子晶體光纖能夠同時擁有合適的色散曲線與足夠大的纖芯直徑，從而有可能解決上面提到的多孔光子晶體光纖無法實現短波長區(qū)（可見光）的大功率超連續(xù)輸出這一問題。更進一步，全固光子晶體光纖能夠實現多個零色散波長在整個頻譜范圍內的分布，這樣就非常有利于人們選擇想要的波長范圍，從而有針對性去實現超連續(xù)產生。圖2展示了我們制作的全固光子帶隙光纖以及在可見光波段非線性的產生的初步結果，進一步的結果還在進行中。
圖2. 利用全固光子帶隙光纖產生可見光超連續(xù)
光子晶體光學產生超連續(xù)的另一個重要應用是在光學頻率梳方面。光學頻率梳（光梳）【8】可作為很多高端研究的基礎科學儀器，例如原子躍遷頻率的精密測量、光鐘的頻率測量、精細結構常數測量、引力波測量、微重力測量、系外行星探測、高精度絕對距離測量、高精度快速傅里葉變換光譜學、光頻與射頻之間的轉換裝置、導航定位、時間頻率標準傳遞等。20世紀90年代飛秒激光器的發(fā)展以及光子晶體光纖的發(fā)明，為光梳的研究帶來了契機。國外光梳的研究以Max-Plank研究所和Colorado大學、美國國家標準局NIST的研究最為著名。Max-Plank研究所的T. Hänsch 和Colorado大學的J. Hall因為在光梳方面的杰出貢獻而被授予2005年諾貝爾物理學獎。
圖3 光子晶體光纖的應用解決了光頻梳擴頻的核心技術問題，為2005年諾貝爾物理獎作出了貢獻。
國內光梳的研究始于2003年，自然科學基金委員會設立了《新一代光學頻標物理及技術的基礎研究》重大基金項目，集中了科學院物理所、北京大學、武漢數學物理所、華東師范大學等單位開展了鈦寶石激光光梳以及以光梳為基礎的原子頻標的研究。除了基于鈦寶石激光器的光梳研究，北京大學研究組也率先在國內開展了基于摻Er和摻Yb光纖光梳的研究。截止到目前為止，我們已經成功利用拉錐的光子晶體光纖，實現了摻Yb光纖激光器輸出的飛秒脈沖光的擴譜工作，僅利用幾十厘米的拉錐光子晶體光纖就實現了從500-1400nm的寬帶擴譜光源，為下一步光鐘的鎖定奠定了基礎。
Ⅱ 在光纖陀螺光纖光源中的應用
高精度干涉型光纖陀螺光源必須保持非常穩(wěn)定的平均波長以確保光纖陀螺穩(wěn)定的標度因數。導航級光纖陀螺甚至要求長時間的標度因數穩(wěn)定性達到10－6【9】，這對寬譜光源提出了很高的要求?；趽紼r光纖自發(fā)輻射效益（ASE）的超輻射光纖光源（SFS）是目前高精度光纖陀螺的首選。但是從已有的研究成果看，超輻射光源要想平均波長變化小于10ppm相當困難。我們通過利用全固光子帶隙光纖的作為可調節(jié)寬帶濾波器的特點，把其集成在摻Er光纖光源中，使其成功補償了原有摻Er光纖光源的平均波長隨溫度的變化，達到在全溫（－40到70度）范圍內平均波長編號10ppm以內，滿足實用的要求。
我們采用雙程正向的基本光路結構【9】，參見圖3。其中，1550/980nm WDM把980nm的泵浦LD（波長974.2nm，功率60mW）輸出光耦合至8m長的Er光纖（fibercore M12光纖，吸收：11dB/974nm），WDM的另外一端接連Faraday旋光鏡，用來消除偏振帶來的平均波長不穩(wěn)定。同時，Er光纖直接焊接高隔離度的雙極隔離器作為輸出。隔離器之后的光纖焊接一端全固光子帶隙光纖用于補償輸出光譜隨溫度的變化。
圖3 集成全固光子帶隙光纖雙程正向摻Er超輻射光纖光源
雙程正向摻Er光纖光源，在60mW的泵浦下，Er光纖8m長，其輸出功率為14mW。把Er光纖置于高低溫箱中進行溫度循環(huán)，光纖在10℃和70℃時的輸出光譜分別為圖4（a）中的實線和虛線。此結果也從側面說明1529nm發(fā)射峰更容易受溫度影響而發(fā)生相對劇烈的變化，而1558nm發(fā)射峰幾乎不受溫度變化的影響。此SFS光源其平均波長熱系數呈現拋物線型變化，具體情況如圖5所示。
平均波長溫度曲線的中心對稱溫度約在10℃左右[17]，這種非線性的平均波長變化很難使用通常的光纖光柵加以補償，比如長周期光纖光柵等。全固光子帶隙光纖被用來成功補償此SFS光源平均波長的變化，此光纖的高折射率棒和高折射率周期分別為3.8?m和8?m，芯徑為12.3??m。取4cm長的此種光子帶隙光纖，兩端分別焊接上兩段傳統(tǒng)單模光纖（SMF28），通過截斷法測出此段光子帶隙光纖在1530-1580nm范圍內的插損隨波長的變化，如圖4（b）所示。此波段正對應著全固光子帶隙光纖的第一個帶隙的短波長邊到中心部分，1580nm處的插損經測量為1.85dB，其主要是由光纖兩段的焊接損耗引起的。然而在靠近短波邊部分，比如在1530nm其插損就已經達到12dB，這是由于帶隙導波機制引起的。通過此段全固光子帶隙光纖，摻Er超輻射光纖光源的1529nm發(fā)射峰被大大的抑制了，而1558nm發(fā)射峰幾乎沒有影響（見圖4（c）），這樣就能夠降低更易受溫度變化影響的1529nm發(fā)射峰對最終SFS光源平均波長溫度效應的影響。
圖4. (a) 未補償的SFS光源輸出譜（10 ℃：實線，70 ℃ 虛線); (b)全固光子帶隙光纖的插損; (c)把集成全固光子帶隙光纖的SFS光源的全固光纖置于高低溫箱中，測量輸出光譜（10 ℃：實線， 70 ℃虛線).
此全固光子帶隙光纖被固定在一個特殊設計的熱雙金屬片上。此雙金屬片在10℃的情況下，能夠保持平直。我們僅把固定于雙金屬片上的全固光子帶隙光纖置于高低溫箱中，測量集成光子帶隙光纖的SFS光源輸出譜的情況，如圖4（c），圖中顯示的全固光纖在溫度高于10℃以后，會發(fā)生彎折，引起其輸出譜短波邊的損耗增加，此時寬帶光源本身的平均波長減小，而雙金屬片彎曲能夠彎折光子帶隙光纖從而增加其通光帶在短波邊的損耗，相當于增大通光譜的平均波長，起到補償的作用；當溫度降低的時候，寬帶光源本身的平均波長也減小，這時雙金屬片也會彎曲同樣能夠彎折光子帶隙光纖從而增加其通光帶在短波邊的損耗，起到平均波長的補償作用。最后平均波長在全溫（-40到70度）能夠被控制在10ppm以內，達到光纖陀螺的使用要求。#p#分頁標題#e#
圖5 補償前和補償后的SFS光源平均波長隨溫度變化
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