1 引言

受激布里渊散射(SBS)是光纤传输中抽运光与光纤介质的振动模式相互作用产生的一种非线性光学效应。当注入光纤中的抽运光功率大于产生SBS的阈值时,抽运光通过电致伸缩产生声波,周性声波反过来调制光纤折射率,并对抽运光产生散射使其频率下移,形成斯托克斯光输出,从而实现能量从短波长光向长波长光转换。该过程可以看成一个抽运光子的湮灭,同时产生一个斯托克斯光子和一个声学声子^[1]。

自1972年Ippen等^[2]首次在光纤中观察到SBS效应,几十年来石英光纤中SBS效应已经得到深入研究^[3-10]。一方面,SBS效应阈值较低,在石英光纤中极易产生,使得大部分输入功率转移到后向斯托克斯光波,造成系统中入射光能量损耗,且其后向散射光可能对光源造成损害,从而限制进入光纤功率及系统的传输距离^[11]。在目前城域网、接入网以及光纤到户(HTTH)容量快速提升的情况下,必须抑制SBS效应才能确保通信系统安全稳定运行;另一方面,利用SBS效应的线宽窄,频率稳定,相干性高和增益方向敏感等优点,在布里渊光纤激光器(BFL)^[12-13]和放大器^[14-15]、慢光产生^[16]、光滤波器^[17-18]等光器件以及光纤传感^[19]和光信息处理^[20]等多个领域得到广泛应用。然而,普通石英光纤的SBS增益系数g_B为(3~5)×10^-11 m/W^[1],增益线宽Δv_B为10~20 MHz,长度为千米量级,抽运功率约为300 mW时,才可获得增益为20 dB,带宽为1 GHz的SBS增益谱^[9]。因此,降低抽运功率以及光纤长度,需采用SBS增益系数更高的新型光纤。

硫系玻璃具有优良的透红外特性和极高的三阶非线性系数n₂(Kerr系数和拉曼增益系数较石英材料高2~3个数量级^[21]),SBS增益系数也比石英材料高近2个数量级^[22-23]。从2005年开始,国际知名的研究机构(日本信息通信研究所、东京大学、悉尼大学、美国海军实验室等)对硫系玻璃光纤或波导的SBS效应及其在BFL、慢光产生、微波光子滤波器等方面的应用开展了研究,取得了重要成果。本文综述了硫系玻璃光纤SBS效应,以及基于SBS效应的硫系光纤和波导器件的应用研究现状,并展望了其发展前景。

2 SBS阈值理论

SBS物理过程可以经典地描述为抽运光通过电致伸缩效应产生的声波与斯托克斯光之间非线性作用的过程。入射光功率超过某一阈值后,后向散射光中的布里渊斯托克斯光分量随入射光功率的增加而急剧增加,而SBS反斯托克斯光和瑞利散射光几乎保持不变,定义此时的入射光功率为光纤SBS阈值。

对于单模石英光纤,理论估算光纤SBS阈值一般采用Smith模型和Küng模型,通常阈值估算模型为^[3]

Pth=KGAeff/gBLeff1+Δνs/ΔνB,(1)

式中:P_th为SBS阈值;K为偏振相关因子,表示SBS散射光和入射光之间的偏振关系,1.0≤K≤2.0;当SBS的斯托克斯光的偏振态和入射光的偏振态相同时,K=1.0;当SBS的斯托克斯光的偏振态和入射光的偏振态无关时,K=2.0;G为阈值增益系数;A_eff为光纤有效模场面积;g_B为单模光纤SBS增益峰值;L_eff为光纤有效长度;Δν_s为入射光线宽;Δν_B为SBS光谱线宽。

影响SBS阈值的因素很多,除了光纤增益系数、光纤长度L和A_eff以外,还有激光器波长等因素^[24],其计算公式为^[10]

G≅ln4AeffvBGth-3/2π12/gBkBTΓv0Leff,(2)

式中v_B为布里渊频移,G_th为布里渊阈值系数,k_B为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,Γ为声子衰减速率,v₀为抽运光波频率。从(2)式可以看出,影响G的因素众多(包括光纤长度),但在一定条件下可近似为一常数,即G≈21。如果光纤基质材料不同,v_B、Δv_B和g_B也有较大差异,例如:碲酸盐玻璃光纤中,SBS效应的v_B=7.88 GHz,Δv_B=23.6 MHz^[25]。高非线性玻璃光纤(如硫系玻璃光纤^[26]、碲酸盐玻璃光纤^[25]和铋酸盐玻璃光纤^[27])的g_B值比单模石英光纤高1~2个数量级。

3 硫系光纤SBS效应研究

2004年,Ogusu等^[28]根据声学材料品质因子相关参数,推演了硫系玻璃材料的g_B计算公式,得到

gB=2πn7p122/cλ2ρvAΔvB=2πn7p122TB/cλ2ρvA=2π2/cλ2M1TB,(3)

式中n为材料折射率,p₁₂为纵向光弹系数,c为光速,λ抽运波长,ρ为密度,v_A为声波在该材料中的传播速度,Δv_B为SBS增益谱半高宽,其与声波衰减时间(或声子寿命)T_B之间的关系为Δv_B=1/(πT_B),T_B通常由光谱宽度Δv_B测量确定,可通过声波衰减系数α_A和v_A估算,即T_B=1/α_Av_A,M₁为衡量声光器件效率的品质因子。

利用(3)式计算两种典型硫系玻璃As₂S₃和As₂Se₃在1.06 μm波长下的SBS增益系数g_B,相关参数如表1所示,得到g_B分别为48.2×10^-11 m/W和53.2×10^-11 m/W,比石英玻璃(2.24×10^-11 m/W)分别高22和24倍;Sonehara等^[29]采用自行搭建装置并利用1.064 μm的Nd∶YAG激光测量石英玻璃、碲酸盐玻璃、As₂Se₃玻璃和铋酸盐玻璃的SBS光谱,实验测得其SBS增益线宽Δv_B分别为22.67 MHz、25.81 MHz、27.69 MHz、37.12 MHz,说明折射率高的玻璃Δv_B值也较大。

光纤具有波导结构特性,因此硫系光纤与块状玻璃的g_B存在一定差异。2005年, Abedin^[22]首次在长度为4.92 m的单模As₂Se₃硫系光纤(纤芯直径d=6 μm,数值孔径NA=0.18)中观察到了强SBS效应,其测量装置原理如图1所示。As₂Se₃光纤与石英光纤采用对接耦合方式,在不同功率的1.5 μm激光抽运下,As₂Se₃光纤的后向散射光谱如图2所示。v_B和Δv_B分别为7.95 GHz和13.2 MHz,g_B=6.0×10^-9 m/W,该值为单模石英光纤134倍。2006年,Song等^[16]采用功率60 mW的1.56 μm LD作为抽运源,在5 m长的商用As₂Se₃单模光纤(纤芯直径d=6 μm,归一化频率V@1560 nm=2.17)中实现了43 dB的SBS增益,v_B=7.968 GHz,Δv_B=13 MHz;同年,Florea等^[26]研究了单模As₂S₃硫系光纤(d=4.2 μm,NA=0.33,V=2.8)中的SBS效应及阈值,测得As₂S₃光纤P_th=27±3 mW,g_B=(3.9±0.4)×10^-9 m/W,其为单模As₂Se₃和石英光纤的2.7和140倍。因此,可认为采用更小纤芯,更低损耗的As₂S₃光纤能获得更大的SBS增益系数。

图 1. As2Se3硫系光纤SBS效应的测量实验装置图

Fig. 1. Experimental setup used for observation of SBS in As2Se3 chalcogenide fiber

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图 2. 不同功率激光抽运下As2Se3光纤后向散射光谱

Fig. 2. Output optical spectra from As2Se3 fiber in backward direction for different pump power

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光纤拉锥是一种重要的光纤后处理技术,其通过缩小拉锥光纤的腰锥直径降低光纤A_eff,可以降低SBS效应所需的阈值功率和光纤长度,也可控制SBS频移大小。2014年,Beugnot等^[30]采用1.55 μm的DFB激光抽运纤芯(直径0.7 μm,长度13 cm)的As₂Se₃-PMMA拉锥光纤,实现了v_B=6.87 GHz,Δv_B=100 MHz的SBS增益谱,P_th=25.1 dBm。实验发现,随着As₂Se₃拉锥光纤直径的增大,v_B增大,Δv_B减小,当拉锥光纤的纤芯直径为1 μm时,v_B=7.53 GHz,Δv_B=64 MHz。

与普通阶跃型光纤相比,光子晶体光纤(PCF)可灵活调控新颖结构,能实现更强的SBS效应。研究者们设计了具有更小A_eff值的单模硫系PCF,使其三阶非线性系数增加,以期获得更高的SBS增益特性。Fortier等^[31]首次报道了基于Ge₁₅Sb₂₀S₆₅玻璃的六角形硫系光子晶体光纤[图3(a)]SBS特性,其参数为:空气孔孔间距Λ=13.3 μm,空气孔直径与孔间距之比d_air-hole/Λ=0.3,模场直径(MFD)为8 μm,A_eff=50 μm²,损耗α=5.5 dB/m;对2 m长的光纤进行实验,得到v_B=8.2 GHz,Δv_B=64 MHz,g_B=8.10×10^-9 m/W(该值为石英光纤的184倍);Tow等^[32]报道了基于As₃₈Se₆₂玻璃的悬吊芯硫系光纤[图3(b)]SBS特性,拉制的光纤参数为:外径d_outer-clad=240 μm,d=5 μm,A_eff=13 μm²,α=1 dB/m;对3 m长光纤进行实验,测量结果为v_B=7.95 GHz,Δv_B=14.2 MHz,g_B=5.75×10^-9 m/W,P_th=45 mW。

另外,研究者开展了新型结构硫系PCF光纤SBS特性数值仿真研究。2011年,Cherif等^[33]设计了一种三层空气环绕的三角形结构的As₂Se₃ PCF光纤,空气孔直径d_air-hole=1.26 μm,孔间距Λ=1.77 μm,L=1 m,n₂=2.3×10^-17 m²W^-1,数值仿真结果为P_th=36 mW,g_B=5.59×10^-9 m/W,v_B=8.08 GHz;随后,其设计了一种三层空气孔环绕的三角形结构的小纤芯As₂Se₃ PCF光纤,空气孔d_air-hole=0.5 μm,Λ=2 μm,数值仿真结果为g_B=5.91×10^-9 m/W,v_B=8.19 GHz,小纤芯PCF光纤的SBS增益谱线呈现高g_B和多峰行为,这可归结于减小纤芯直径时的高阶声模作用;2015年,Abidi等^[34]设计了一种椭圆形三层空气孔环绕的As₂Se₃ PCF光纤,由于椭圆空气孔中光学和声学模式相互作用增强,其布里渊增益谱出现多峰行为,当气孔椭圆率η(椭圆孔的主轴与次轴长度之比)从1增加到3时,g_B从1.74×10^-10 m/W增加到4.08×10^-9 m/W;2017年,华中科技大学Chen等^[35]设计了一种双包层六边形(内外两层空气孔直径不同)As₂Se₃ PCF光纤,数值仿真结果发现,当两种空气孔直径d_air-hole1和d_air-hole2分别为0.8 μm和1.2 μm,Λ=2 μm时,g_B=5.51×10^-9 m/W,v_B=8.12 GHz;2017年,Xu等^[36]数值仿真了四孔悬吊芯As₂S₃光纤在空气孔分别填充不同物质(空气、三氯甲烷、酒精、水)情况下的SBS光场和声场特性,通过改变空气孔直径和内孔填充不同折射率物质可以调控光纤中声场和光场的相互作用强度,从而实现调控SBS效应大小。

图 3. 硫系微结构光纤端面图。(a)三角形结构硫系PCF;(b)悬吊芯硫系PCF;(c)全固态硫系-碲化物光子带隙光纤

Fig. 3. Cross sections of chalcogenide micro-structured fibers. (a) Chalcogenide glass PCF with triangular lattice cladding; (b) suspended-core chalcogenide glass PCF; (c) all-solid-state chalcogenide-tellurite photonic bandgap fiber

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此外,通过全固态光子带隙(PBG)型PCF结构设计,可以抑制硫系光纤SBS效应,提升SBS阈值。2012年,Cheng等^[37]设计了一种硫系玻璃(As₂Se₃)/碲酸盐玻璃(TeO₂-ZnO-Li₂O-Bi₂O₃)杂化的全固态PBG光纤[图3(c)],如果包层区域的有效声速比纤芯区域更快,声波将通过全内反射机理被限域于纤芯层,否则,声波将被声波带隙机制所限制,通过这种机理设计相应的结构可以降低光声效应,有效降低g_B值4个数量级(达10^-13 m/W)。

4 基于SBS效应的硫系光纤器件应用研究

在BFL应用研究方面,由于硫系光纤具有高SBS增益系数,且L_eff和A_eff两个参数易调节,若将其作为增益介质,可以减少谐振腔所需腔长,有利于器件小型化。此外,硫系光纤还可以降低系统功耗。2006年, Abedin^[23]首次实现了基于As₂Se₃硫系单模光纤的1.56 μm单纵模BFL,并测量了该光纤的SBS增益特性,其测量装置结构如图4所示,采用As₂Se₃光纤(d=6 μm,N_A=0.18,A_eff=39 μm²,g_B=6×10^-9 m/W,L=4.9 m),在信号光调制频率为7.958 GHz时,在68 mW激光抽运下产生了42 dB的SBS增益;利用该段光纤构建的紧凑环形腔BFL,当抽运功率为92 mW时,获得了21.4 mW的布里渊激光输出,功率阈值为35 mW,斜率效率为38%;2012年, Tow等^[38]首次报道了一种由As₂Se₃悬吊芯微结构光纤构建的BFL,其装置结构如图5所示,抽运源为1 kHz的窄线宽激光器,以一段长3 m的硫系光纤为主构成环形腔,实现了1.55 μm波段的低阈值(22 mW)布里渊激光输出,斜率效率为26%,最大输出功率为6.5 mW,输出激光线宽小于4 kHz,信噪比低于抽运光6 dB;随后,该课题组^[39]采用一段长3 m的Ge₁₀As₂₂Se₆₈硫系PCF光纤(d_outer-clad=140 μm,d=3.8 μm,α=0.65 dB/m,A_eff=8 μm²)构成的布里渊光纤环形激光器,测得g_B=3.3×10^-9 m/W,v_B=7.25 GHz、Δv_B=17 MHz,该BFL在不需要主动控制腔体的情况下,实现了1.55 μm波段更低阈值(6 mW)布里渊激光输出,而且可作为低通滤波器,斯托克斯分量频率噪声降低了16 dB,输出激光线宽仅为抽运光线宽的1/8,这种线宽压缩效应可通过减少谐振腔体中总损耗进一步增加,或使用具有更高耦合效率的耦合器增加。

图 4. 布里渊增益特性的测量装置图

Fig. 4. Experimental setup used for measuring Brillouin gain

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图 5. 布里渊光纤激光器装置的原理图

Fig. 5. Experimental setup of Brillouin fiber laser cavity

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中红外2 μm波段的硫系BFL随后也相继报道。2014年,Hu等^[12]首次利用硫系光纤搭建了2 μm波段BFL,其装置结构如图6所示,采用工作波长为1952 nm,功率为0.7 mW的CW LD作为种子源,经由两个级联的掺铥光纤放大器(TDFA)放大,再通过光环行器的1号端口进入,2号端口出射后进入由1.5 m长As₃₈Se₆₂悬吊芯光纤(d=4.5 μm,A_eff=8 μm²)构成的谐振腔,最终在输出端得到如图7所示的斯托克斯光输出。整个系统中石英光纤与硫系光纤的连接方法为:在单模石英光纤上熔接一小段高N_A值的光纤(UHNA1,Nufern,美国),将UHNA光纤与As₃₈Se₆₂光纤对接耦合,每个端面损耗耦合为3.7 dB,插入损耗为3.3 dB。由于谐振腔中的反馈机制,其P_th值(52 mW)约为As₃₈Se₆₂悬吊芯光纤SBS阈值(91.4 mW)的60%。与单模石英光纤进行对比实验发现,基于140 m石英单模光纤的激光器阈值为340 mW,约为前者的6.5倍,而前者使用的增益介质长度比后者小两个数量级,这主要归功于采用的悬吊芯As₃₈Se₆₂光纤具有高g_B值(比石英高两个数量级)和低A_eff值(约为单模石英光纤的1/8)。

图 6. 2 μm BFL装置图

Fig. 6. Setup of 2 μm BFL

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图 7. 不同抽运光功率下的斯托克斯激光器输出

Fig. 7. Stokes laser output with different pump powers

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在慢光产生方面,传统的石英光纤作为慢光介质,延迟效率较低,对光纤长度和抽运功率要求较高。将高非线性硫系光纤作为慢光介质应用于慢光产生系统,可以有效提高系统的延迟效率。2006年, Song等^[16]利用一段长5 m的单模As₂S₃光纤作为慢光介质构建了光延迟装置,如图8所示,在抽运功率仅为60 mW的情况下,利用工作波长为1560 nm的50 ns高斯脉冲信号获得了43 dB的SBS增益,脉冲延迟37 ns,延迟效率为0.82 ns/dB,如图9所示;2009年,Florea等^[40]在一段10 m长的单模As₂S₃光纤中,仅用30 mW抽运功率对工作波长为1548 nm的40 ns正弦脉冲信号实现了19 ns延迟;2016年,Sinha等^[41]设计了一种基于As₂Se₃玻璃的双包层单模PCF光纤,光纤内包层结构为三层空气环绕,理论仿真结果表明,当Λ=2 μm,d_air-hole/Λ=0.4,抽运功率为100 mW时,在1 m长的光纤中可将光脉冲延迟137 ns。

图 8. As2Se3硫系光纤构建的光延迟装置

Fig. 8. Setup for optical delay experiment using As2Se3 chalcogenide fiber

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图 9. 不同布里渊增益下的脉冲时域波形

Fig. 9. Time domain waveforms of probe pulses for different Brillouin gains

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图 10. 片上级联SBS产生过程的实验装置

Fig. 10. Experimental setup for characterizing on-chip cascaded SBS process

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此外,利用硫系光纤的较高SBS增益特性,还可将其应用于布里渊频率梳领域。2015年, Büttner等^[42]利用长38 cm的单模As₂Se₃光纤构成法布里-珀罗腔,抽运源采用500 ns、1550 nm,平均功率小于10 mW的准连续光源,利用SBS和四波混频(FWM)在谐振腔中的相互作用,在无额外锁相元件辅助下,实现了重复频率为8 GHz稳定的40 ps脉冲序列。

5 基于SBS效应的硫系波导器件

与光纤相比,波导结构可以制备尺寸更小,A_eff值更低的光器件。澳大利亚在基于SBS效应的硫系波导器件研究方面取得了重要进展。2011年, Pant等^[43]首次在截面尺寸为4 μm×850 nm,长度为7 cm的As₂S₃硫系波导中获得了SBS增益谱,当采用300 mW的1545 nm连续LD激光抽运时,得到v_B=7.7 GHz,Δv_B=34 MHz,增益为16 dB的SBS增益谱,计算得到As₂S₃波导g_B=0.74×10^-9 m/W,SBS功率阈值为1.73 W;同年,该课题组报道了基于As₂S₃波导的级联布里渊多波长激光器,装置原理如图10所示^[44],采用脉宽为2 μs的1.5 μm激光器作为抽运源,一块4 cm长的As₂S₃波导(A_eff=2.3 μm²)同时作为增益介质和法布里珀罗线性谐振腔,当抽运脉冲峰值功率为1.34 W时,观察到了3级斯托克斯谱线,如图11所示;2012年,Levy等^[8]通过热蒸发沉积薄膜,采用810 nm激光直写方法制备了截面尺寸为4 μm×1 μm的1 cm长度As₂S₃波导,在该波导中实现SBS频移v_B和增益线宽Δv_B分别为7.5 MHz和200 MHz,所对应抽运功率为45 mW;2013年,Kabakova等^[45]报道了基于硫系波导的窄线宽布里渊激光器,采用一块7 cm长的As₂S₃波导(宽4 μm,A_eff=2.3 μm²)作为增益介质,得到激光输出的阈值为360 mW,斜率效率为30%,输出光线宽为100 kHz,仅为抽运光线宽(1.55 MHz)的1/15。

图 11. 不同峰值抽运功率下的As2S3片上的布里渊散射光谱

Fig. 11. Brillouin-scattered spectra in As2S3 chip at different peak pump powers

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图 12. 布里渊频率梳时域测量结果。(a) 11个300 ns抽运脉冲以0.5 ms延迟耦合入波导中获得的脉冲输出;(b1) 70 ns和(b2) 280 ns处宽度为1 ns的输出脉冲的放大图

Fig. 12. Temporal measurements of the Brillouin frequency comb. (a) Eleven output pulses generated by coupling eleven 300 ns input pump pulses into the waveguide with 0.5 ms delay; 1 ns long zoomed-in section at (b1) 70 ns and (b2) 280 ns of all 11 traces shown in Fig. (a)

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具有GHz重复频率的紧凑光频梳在一些重要领域极具应用前景,例如全光任意波形产生和直接频率梳光谱学等,而采用具有高集成度的片上集成技术是获得光频梳的主要手段之一。2014年,Büttner等^[46]在尺寸为3 μm×850 nm×6.5 cm的As₂S₃硫系玻璃脊型波导谐振腔中产生了相位锁定的7.5 GHz重复频率光频梳,如图12所示。该方案在包含布拉格光栅的片上法布里-珀罗波导谐振腔中利用SBS和Kerr非线性FWM相互作用产生布里渊光频梳,实时测量结果表明,该光频梳相位锁定,抽运脉冲内频率梳重复频率的啁啾,该结果为最终实现GHz重复频率的集成光频梳奠定了重要基础。

近年来,微波光子滤波器(MPF)已成为微波学和光学交叉领域的研究热点^[47-51],其将微波信号调制到光域中,处理后的信号经过光电探测器转换为电信号,从而实现所需频率信号的选择或抑制,其优点是滤波频段高、体积小、损耗低、成本小、抗电磁干扰强、宽带宽、低色散以及高容量等,可以实现一些电子微波滤波器不能实现的功能。而基于SBS效应的MPF不仅拥有可调谐和可重构特性,且其具有阈值低,调谐范围大和系统稳定性好等优点,已引起广泛关注。2012年,Byrnes等^[52]报道了一种基于As₂S₃波导光子芯片的MPF,其实验装置如图13所示,采用的As₂S₃芯片尺寸为4 μm×850 nm×6.5 cm,实验结果如图14所示,该微波光子滤波器在2~12 GHz的调谐范围内,2 dB带宽可稳定在23±2 MHz,幅值稳定在20±2 dB,品质因数Q为520,将抽运光从单抽运光调节到双抽运光,可实现MPF的3 dB带宽重构范围20~40 MHz,形状因子从3.5到2;2014年,该课题组又在As₂S₃芯片中实现了基于SBS的可调谐微波光子陷波滤波器(MPNF)^[53],装置原理如图15所示,通过非抑制载波的单边带调制作为反斯托克斯光,并和抽运光产生损耗谱,载波和单边带的混频形成陷波,其3 dB和6 dB带宽分别为126 MHz和78 MHz,可调谐范围为2~8 GHz。

图 13. 基于As2S3光子芯片的MPF装置

Fig. 13. Setup of MPF based on As2S3 photonic chip

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图 14. 理论仿真和实验测量结果。(a)单抽运和(c)双抽运下的MPF理论滤波响应曲线;(b)单抽运和(d)双抽运下实验测量得的MPF曲线

Fig. 14. Theoretical simulation and experimental results. Theoretical filter response for (a) single and (c) two pumps demonstrating MPF profile reshaping (flat top); measured MPF profiles for (b) single pump and (d) dual pump

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图 15. 可调谐MPNF装置图

Fig. 15. Schematic of tunable MPNF

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2014年,Pant等^[47]综述了片上受激布里渊散射在微波信号处理与产生的研究进展,讨论了单通道和谐振腔几何型式实现片上布里渊散射所需的几种关键材料和器件特性,实验证明了采用硫系芯片可获得减缓因子Δn_g=130的SBS慢光,其可导致从0~23 ns的连续可调延迟;采用新方案可在几mW抽运功率下实现高效、超高抑制(>50 dB)的片上微波光子陷波滤波器;2016年,Merklein等^[48]指出硫系片上SBS为极具发展前景的微波光子滤波器,但需要开发新型硫系基质材料以更好利用高SBS效应。

6 存在的问题

从国内外研究进展可以看出,基于SBS效应的硫系光纤和波导器件研究已经取得了重要进展。但还存在以下几点明显不足:1)硫系光纤普遍基于As₂S₃或As₂Se₃阶跃型光纤,光纤的d、NA以及SBS增益系数调控范围均有限,且关于硫系玻璃组成和光纤结构对SBS性能影响等方面的研究鲜有报道;2)硫系玻璃体系众多,可通过玻璃组成与性能调控,设计具有更高SBS系数的新基质材料,进一步对硫系光纤调控芯包折射率、有效模场面积和光纤长度等参数,获得更低抽运阈值功率,实现更高的SBS增益,以满足基于SBS效应的光纤器件小型化的需求;3)在BFL结构方面,硫系光纤与石英光纤基本采用透镜对接或胶水粘结等方式进行耦合,两种光纤具有较大的折射率差和较大的菲涅耳反射系数,会导致强烈的端面反射,不仅提升了SBS激光的阈值功率,而且不利于整个器件的全光纤化,另外,胶水粘结的牢固性难于保证,器件运行过程中稳定性也存在问题,因此,需要探索熔接方式解决有效耦合问题,以降低阈值功率。

7 结束语

近年来,基于SBS效应的硫系光纤和波导器件在低阈值BFL、慢光产生和微波光子滤波器等领域的应用研究取得了长足进步,但总体而言仍处于基础研究和应用试验的起步阶段。作为光子器件中的新成员和有益补充,随着相关制作工艺、传输理论、性能测试和器件耦合技术的不断改进,相信未来在一些特殊应用领域必将有其实际的用武之地。

中红外2 μm波段作为人眼安全波段,对大气气体分子的强烈吸收特性,可在医疗手术、大气中传感和气象监测等领域具有重要应用,也将是下一代通讯网络的潜在工作波段。硫系玻璃具有优良的透红外特性和极高的非线性系数,是中红外波段理想的非线性光学介质,而基于SBS效应的硫系光器件研究也会推动2 μm波段光器件的发展。