基于色散調(diào)制的硒化砷條型波導(dǎo)的超連續(xù)譜產(chǎn)生

宋茂壯，楊振，張政，王榮平

（寧波大學(xué) 高等技術(shù)研究院紅外材料與器件實(shí)驗(yàn)室，寧波 315211）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和信息流量的不斷增長(zhǎng)［1］，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信迫切需要低成本、大帶寬、高容量、高速、高密度的數(shù)據(jù)傳輸。片上集成光子器件［2］具有成本低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在光通信、成像和氣體檢測(cè)傳感等領(lǐng)域［3-6］得到應(yīng)用。同時(shí)，片上集成光子器件還可與金屬-氧化物-半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）平臺(tái)兼容［7］，用于制作納米級(jí)光子器件，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性，減小整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的占地面積和功耗成本，為通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)互聯(lián)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

目前在硅基平臺(tái)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大量線性光子器件，同時(shí)硅具有高的非線性折射率，因此也被用于一些非線性應(yīng)用中，但是隨著信息社會(huì)不斷發(fā)展，為了增加信號(hào)處理速度，需要增大功率激發(fā)更高效的非線性效應(yīng)，此時(shí)由于硅的雙光子吸收（Tow-Photon Absorption，TPA）和自由載流子吸收（Free Carrier Absorption，F(xiàn)CA）問(wèn)題會(huì)在高功率泵浦下更加嚴(yán)重，限制了硅基材料的非線性發(fā)展［8，9］。為了解決這一問(wèn)題，研究者開(kāi)展了其他非線性器件材料的研究。其中硫系材料具有超寬的透過(guò)光譜范圍、較高的非線性、較低的吸收及組分靈活可調(diào)等特點(diǎn)，能打破片上光源發(fā)展受限的局面，從而成為研究熱點(diǎn)。這種材料具有許多獨(dú)特的特性，包括低非線性吸收、低的雙光子吸收、無(wú)自由載流子吸收和超快響應(yīng)時(shí)間［10-13］。目前，基于硫系材料的片上光源主要通過(guò)利用超短脈沖抽運(yùn)硫系光波導(dǎo)產(chǎn)生超連續(xù)光譜（Supercontinuum， SC）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)光脈沖通過(guò)具有高度非線性的波導(dǎo)傳播時(shí)，它們的時(shí)間和光譜演化不僅受到多種非線性效應(yīng)的影響，還受到波導(dǎo)的色散特性的影響。所有的非線性過(guò)程都能產(chǎn)生新的頻率，當(dāng)脈沖強(qiáng)度足夠時(shí)，頻譜將變得非常寬，可以超過(guò)100 THz 的頻率范圍［14］，這種光譜極大展寬的現(xiàn)象被稱(chēng)為超連續(xù)譜。超連續(xù)譜的產(chǎn)生依賴(lài)于各種非線性效應(yīng)及色散的相互作用，包括自相位調(diào)制（Self-Phase Modulation，SPM）、交叉相位調(diào)制（Cross-Phase Modulation，CPM）、孤子自頻移（Soliton Self-Frequency Shift，SSFS）、級(jí)聯(lián)拉曼散射（Raman Scattering）和四波混頻（Four-Wave Mixing，F(xiàn)WM）等，它需要一個(gè)具有合適群速度色散（Group-Velocity Dispersion， GVD）的光波導(dǎo)以及一個(gè)靠近泵浦源中心波長(zhǎng)附近的零色散點(diǎn)（Zero-Dispersion Wavelength，ZDW）。泵浦波長(zhǎng)的選擇在加寬超連續(xù)譜產(chǎn)生方面起著關(guān)鍵作用［15］。在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中，使用在反常色散區(qū)域中接近零色散點(diǎn)波長(zhǎng)的泵浦脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜加寬。當(dāng)泵浦波長(zhǎng)處于反常色散區(qū)時(shí)，光譜展寬的主要原因是孤子裂變或調(diào)制不穩(wěn)定性［16］。近年來(lái)，用于產(chǎn)生近中紅外超連續(xù)譜的泵浦光源主要是光參量振蕩器（Optical Parametric Oscillators，OPO）和全固態(tài)激光器（Diode Pumped solid state Laser，DPL）［17-19］，這些激光器的優(yōu)點(diǎn)，包括峰值功率高、脈沖寬度短以及光束質(zhì)量極佳，都有助于高質(zhì)量的超連續(xù)譜輸出。但是，從實(shí)際角度看，這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、價(jià)格昂貴，嚴(yán)重限制了其小型化和集成化的潛力。相比較而言，光纖激光器由于其高亮度、結(jié)構(gòu)緊湊、良好的穩(wěn)定性、較好的光束質(zhì)量以及較低的成本而成為一種很有潛力的替代方案。

近年來(lái)，基于硫系玻璃的非線性光波導(dǎo)器件在近紅外波段的SC 方面得到大力發(fā)展。2008 年，EGGLETON B J 團(tuán)隊(duì)成功制備As2S3脊型波導(dǎo)并首次進(jìn)行波導(dǎo)色散調(diào)控，使得泵浦波長(zhǎng)處于反常色散區(qū)域，其色散值為+29 ps/nm/km，計(jì)算得到其非線性系數(shù)約為10 W-1·m-1，以此為基礎(chǔ)采用中心波長(zhǎng)為1.55 μm、脈寬為610 fs、峰值功率為68 W 的光源對(duì)其泵浦，得到30 dB 帶寬的SC 光譜輸出范圍為750 nm［20］。2010 年，澳大利亞國(guó)立大學(xué)GAI X 等首次在Ge11.5As24Se64.5硫系玻璃上制備了納米線波導(dǎo)，獲得了最高的非線性系數(shù)γ為136/W-1·m-1，產(chǎn)生的SC 光譜范圍為1.2～1.7 μm［21］。2016 年，美國(guó)科羅拉大學(xué)MOLLY R 等利用電子束光刻制備了Ge28Sb12Se60波導(dǎo)，表征了其在1.55 μm 處非線性損耗約為0.014 cm/GW，同時(shí)采用脈寬為170 fs、重頻為17.8 MHz、峰值功率為109 W 的脈沖泵浦該波導(dǎo)獲得SC 光譜范圍為1.43～1.85 μm［22］。2020 年南開(kāi)大學(xué)SHANG H 等在Ge25Sb10S65波導(dǎo)上得到了0.85～2.2 μm 的SC 光譜輸出，并將其作為光源監(jiān)測(cè)了CCl4的濃度［23］。

本文擬采用常見(jiàn)的1.55 μm 激光泵浦As2Se3平面波導(dǎo)來(lái)獲得 SC 輸出，硒基材料的透過(guò)范圍基本覆蓋整個(gè)中紅外窗口，而As2Se3的透過(guò)譜最遠(yuǎn)可以達(dá)到15 μm 左右，是產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜的優(yōu)良材料。As2Se3塊玻璃材料在電信波段表現(xiàn)出較強(qiáng)的正常色散，零色散點(diǎn)在7.5 μm 附近，為實(shí)現(xiàn)高效的頻譜展寬，泵浦波長(zhǎng)必須在GVD 或接近零GVD 運(yùn)行，因此零色散波長(zhǎng)必須盡可能移動(dòng)到C 波段區(qū)域附近，由于As2Se3波導(dǎo)具有很強(qiáng)的約束性，可以通過(guò)設(shè)計(jì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整波導(dǎo)色散以抵消材料色散，使得1.55 μm 附近的GVD 為零。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 波導(dǎo)制備

近年來(lái)，薄膜制備工藝也在不斷優(yōu)化，目前薄膜制備主要方式有溶膠凝膠法、化學(xué)氣相沉積、熱蒸發(fā)、磁控濺射以及脈沖激光沉積等。這些方法各有優(yōu)勢(shì)和不足，需根據(jù)材料性質(zhì)選擇相對(duì)應(yīng)的制備手段。本研究使用的As2Se3材料有較低的熔融溫度，因此采用熱蒸發(fā)的方法來(lái)制備該薄膜。

熱蒸發(fā)的工作原理是在真空腔內(nèi)，利用電阻或電子束加熱源將蒸發(fā)舟內(nèi)的塊狀玻璃材料逐漸熔化并汽化成分子或原子形式，然后沉積在沉底基片上，整個(gè)過(guò)程可以通過(guò)調(diào)節(jié)蒸發(fā)源的溫度以及襯底和蒸發(fā)源之間的距離來(lái)調(diào)整蒸發(fā)速率。不能單方面考慮薄膜沉積速率，因?yàn)檩^快的蒸發(fā)速率會(huì)使得薄膜表面顆粒物增加，而且組分很不均勻，所以需要探索最合適的蒸發(fā)速率以獲得質(zhì)量較好的薄膜。同時(shí)為了減少薄膜的散射損耗，需要將薄膜在150 ℃條件下退火5 h。隨后使用電子束光刻和電感耦合等離子體的刻蝕方法得到所需波導(dǎo)。整個(gè)波導(dǎo)的制備流程如圖1 所示。

圖1 As2Se3波導(dǎo)制備流程Fig. 1 Fabrication process for As2Se3 waveguides

1.2 超連續(xù)實(shí)驗(yàn)

由于實(shí)驗(yàn)室1.55 μm 波長(zhǎng)脈沖光源脈寬只有580 fs 左右，因此用于波導(dǎo)非線性測(cè)量的泵浦光源參數(shù)確定。波導(dǎo)長(zhǎng)度均為10 mm，泵浦功率由30 W 到70 W。測(cè)試設(shè)備如圖2 所示。從脈沖激光源輸入的光通過(guò)偏振控制器選擇TE 模式，由于要保持輸入的泵浦激光的脈沖寬度一致，因此在測(cè)試過(guò)程中將泵浦激光的功率調(diào)至最大，然后通過(guò)功率衰減器調(diào)節(jié)輸入波導(dǎo)前的功率大小，接著通過(guò)調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)架來(lái)使得透鏡光纖對(duì)準(zhǔn)波導(dǎo)的端面，將脈沖光耦合到波導(dǎo)中，輸入到波導(dǎo)中的不同功率大小可由功率計(jì)記錄，最后光在波導(dǎo)中作用產(chǎn)生的SC 結(jié)果通過(guò)另一根透鏡光纖耦合到光譜儀（Yokogawa，AQ6375）中。通過(guò)光譜儀（Yokogawa，AQ6375）測(cè)得該光源的中心波長(zhǎng)為1 550.3 nm，半高全寬為11.5 nm；通過(guò)自相關(guān)儀（Femtochrome，F(xiàn)R-103XL）測(cè)量獲得該光源的自相關(guān)軌跡，經(jīng)計(jì)算得到其脈沖寬度為579 fs，脈沖重復(fù)頻率為50 MHz。全程測(cè)試所用的光纖是美國(guó)康寧公司的 SMF-28e 單模透鏡石英光纖。由于單模石英光纖在高功率輸入時(shí)也存在一定的非線性效應(yīng)，為了盡可能地減小光纖中非線性效應(yīng)帶來(lái)的影響，測(cè)試中所用輸入輸出端光纖長(zhǎng)度控制在40 cm 左右。

圖2 As2Se3波導(dǎo)超連續(xù)譜輸出測(cè)試設(shè)備Fig. 2 Experimental setup for measuring SC generation in the As2Se3 waveguide

2 結(jié)果

2.1 色散調(diào)制

研究將采用條型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，采用SiO2作為下包層，As2Se3為傳輸層，上包層為空氣。圖3 是As2Se3的折射率色散曲線，可以用Sellmeier 方程［24］擬合，即

圖3 As2Se3折射率色散曲線Fig. 3 Refractive index dispersion curve of As2Se3

超連續(xù)譜的展寬主要依賴(lài)于非線性特性和色散兩個(gè)光學(xué)參數(shù)，其中結(jié)構(gòu)的色散D定義為

式中，c是真空中的光速，Re(neff)是有效折射率neff的實(shí)部。由于在計(jì)算中考慮到了Sellmeier 方程，所以結(jié)果中包含了材料色散和波導(dǎo)色散。

使用商業(yè)軟件（COMSOL）進(jìn)行優(yōu)化，在圖1 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過(guò)改變傳輸層寬度W和厚度H來(lái)調(diào)整色散。硫系材料的零色散點(diǎn)通常大于5 μm，通過(guò)改變波導(dǎo)的寬度和厚度來(lái)優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以獲得嚴(yán)格的約束模式，并將ZDW 移到更短的波長(zhǎng)用以匹配1.55 μm 的泵浦激光波長(zhǎng)。仿真結(jié)果如圖4 所示，其中圖4（a）、（b）分別是波導(dǎo)寬度W為500 nm 和厚度H為800 nm 時(shí)準(zhǔn)TE 模和TM 模在1.55 μm 處的電場(chǎng)分布，很明顯，準(zhǔn)TE 模和準(zhǔn)TM 模在波導(dǎo)中有很好的限制。

圖4 色散仿真結(jié)果Fig. 4 Result for dispersion simulation

為了獲得高非線性系數(shù)的波導(dǎo)，固定波導(dǎo)寬度為800 nm，分別計(jì)算了波導(dǎo)厚度從400 nm 到700 nm 的TE 模式和TM 模式的色散分布，如圖4（c）、（d）所示，其中黑色虛線表示零色散波長(zhǎng)的變化軌跡，黑色實(shí)線表示實(shí)驗(yàn)所用泵浦波長(zhǎng)1.55 μm 的位置。從圖4（c）可以看出，TE0模式中隨著波導(dǎo)厚度的增加，ZDW 在1 500 nm 處基本沒(méi)有變化，此時(shí)泵浦波長(zhǎng)處于反常色散區(qū)域。圖4（d）對(duì)于TM0模式來(lái)說(shuō)，存在兩個(gè)ZDW 且均隨著厚度的增加往長(zhǎng)波方向移動(dòng)，第一個(gè)零色散點(diǎn)逐漸靠近泵浦波長(zhǎng)。

計(jì)算不同寬度波導(dǎo)中色散分布情況，如圖4（e）、（f）所示。圖4（e）顯示當(dāng)固定波導(dǎo)厚度為500 nm，改變波導(dǎo)寬度從600 nm 到1 000 nm 時(shí)，TE 模式的ZDW 隨著寬度的增加逐漸向泵浦波長(zhǎng)靠近，在波導(dǎo)寬度為900 nm 左右時(shí)發(fā)生重合。而圖4（f）中TM 模式ZDW 隨波導(dǎo)寬度變化而變化的幅度不明顯。從不同結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的色散調(diào)控結(jié)果可以看出，波導(dǎo)厚度在500 nm 以上時(shí)方便調(diào)節(jié)泵浦波長(zhǎng)位于反常色散區(qū)域，同時(shí)為了獲得相對(duì)較高的非線性系數(shù)，最終選擇波導(dǎo)厚度為500 nm。

圖5 給出厚度為500 nm 時(shí)不同寬度下波導(dǎo)中TE0和TM0模式所對(duì)應(yīng)的有效折射率分布與波長(zhǎng)的關(guān)系，從結(jié)果可以看出，調(diào)節(jié)波導(dǎo)的寬度和厚度處于亞微米尺寸以?xún)?nèi)時(shí)，所示波長(zhǎng)范圍內(nèi)的TE0和TM0模式對(duì)應(yīng)的有效折射率值基本都保持在2.0 以上，說(shuō)明光在亞微米級(jí)別的As2Se3波導(dǎo)中傳輸時(shí)可以被很好地約束，同時(shí)也便于獲得更高的非線性系數(shù)。

圖5 不同寬度波導(dǎo)有效折射率Fig. 5 Effective refractive index distribution in waveguides with different width

圖6 為厚度為500 nm、寬度分別為800 nm 和900 nm 波導(dǎo)中TE 模式和TM 模式下色散和有效模場(chǎng)面積Aeff以及非線性系數(shù)γ隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系，水平黑色虛線表示零色散點(diǎn)的位置，垂直黑色實(shí)線表示實(shí)驗(yàn)中所用泵浦波長(zhǎng)的位置。從圖6（a）、（b）可以得到，波導(dǎo)寬度為800 nm 和900 nm 時(shí)TE 模式與TM 模式對(duì)應(yīng)的零色散波長(zhǎng)分別為1 479.11 nm、1 559.81 nm 以及1 302.75 nm、1 315.52 nm，其泵浦波長(zhǎng)1.55 μm 處對(duì)應(yīng)的TE模式的色散值分別為200.76 ps/nm/km、-23.94 ps/nm/km， TE 模式的色散值分別為883.74 ps/nm/km、818.25 ps/nm/km。圖6（c）、（d）可以看出兩種模式下的有效模場(chǎng)面積都隨著波長(zhǎng)的增加逐漸增加，非線性系數(shù)則相反。寬度為800 nm 和900 nm 的波導(dǎo)兩種模式對(duì)應(yīng)的泵浦波長(zhǎng)處的Aeff和γ如表1 所示。綜合考慮了TE 模式和TM 模式在泵浦波長(zhǎng)1.55 μm 處的色散值以及非線性系數(shù)后，確定接下來(lái)波導(dǎo)非線性效應(yīng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)都基于TE 模式進(jìn)行分析。所選波導(dǎo)厚度均為500 nm，寬度分別為800 nm 和900 nm。

表1 As2Se3波導(dǎo)1.55 μm 處的Aeff和γTable 1 Aeff and γ of the As2Se3 waveguide at 1.55 μm

圖6 不同寬度波導(dǎo)仿真結(jié)果Fig. 6 Result for simulation of waveguides with different width

2.2 波導(dǎo)表征

按照所設(shè)計(jì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)用電子束刻寫(xiě)制備了相應(yīng)的硫系波導(dǎo)，利用掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡觀察了波導(dǎo)的形貌，如圖7 所示。從圖7（a）中可以看出，波導(dǎo)排列整齊，刻蝕后波導(dǎo)表面光滑。從圖7（b）中可以看出，波導(dǎo)的寬度均勻，寫(xiě)場(chǎng)拼接處連續(xù)無(wú)錯(cuò)位、斷連。圖7（c）電子掃描顯微鏡下的波導(dǎo)形貌顯示本研究采用制備工藝制備的波導(dǎo)形態(tài)良好，側(cè)壁幾乎垂直。波導(dǎo)中幾乎完美的側(cè)壁可以有效地限制模場(chǎng)中的光，減少散射造成的損失。

圖7 波導(dǎo)形貌表征Fig. 7 Characterization of the waveguide morphology

通過(guò)截?cái)喾ㄓ? 550 nm 激光測(cè)試長(zhǎng)度分別為1.1 cm、2.1 cm 和3.2 cm 的波導(dǎo)的損耗，所得到的損耗數(shù)據(jù)和波導(dǎo)長(zhǎng)度的關(guān)系用線性函數(shù)擬合，結(jié)果如圖8 所示?？梢钥吹?，波導(dǎo)損耗約為1.44 dB/cm，通常情況下，硫系波導(dǎo)的損耗在0.5～2.6 dB/cm 之間，本文制備的波導(dǎo)損耗在這個(gè)范圍內(nèi)。同時(shí)擬合曲線與縱軸的截距大小約為4.77，因此波導(dǎo)的耦合損耗大致為2.4 dB/端面。可以通過(guò)改進(jìn)工藝中的細(xì)節(jié)，降低表面粗糙度，從而進(jìn)一步降低波導(dǎo)傳輸損耗，使本實(shí)驗(yàn)制備的硫系波導(dǎo)更好地應(yīng)用于超連續(xù)譜光源中。

圖8 波導(dǎo)損耗測(cè)試結(jié)果Fig. 8 Measurement result of the waveguide loss

2.3 SC 輸出

進(jìn)一步模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量了該波導(dǎo)的超連續(xù)光譜。超連續(xù)譜是在拉曼效應(yīng)、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻和孤子裂變等非線性過(guò)程以及色散的共同作用下發(fā)生光譜展寬的現(xiàn)象。影響其光譜展寬程度的因素主要包括波導(dǎo)的色散、波導(dǎo)長(zhǎng)度、泵浦功率以及泵浦光的脈沖寬度等。由于實(shí)驗(yàn)室1.55 μm 波長(zhǎng)脈沖光源脈寬只有580 fs 左右，因此用于波導(dǎo)非線性測(cè)量的泵浦光源參數(shù)確定。波導(dǎo)長(zhǎng)度均為10 mm，泵浦功率由30 W 到70 W。結(jié)合模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量表征As2Se3波導(dǎo)中的超連續(xù)譜的產(chǎn)生情況，其中涉及的光波主要基于TE 模式。

2.3.1 色散對(duì)超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響

超連續(xù)譜的產(chǎn)生主要受到色散和各種非線性效應(yīng)的共同影響，當(dāng)泵浦波長(zhǎng)處于反常色散區(qū)域，四波混頻、光孤子非線性效應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率會(huì)顯著提高，更有利于光譜的展寬。圖9（a）和（b）分別給出了寬度為800 nm 和900 nm 的As2Se3波導(dǎo)中模擬與實(shí)際測(cè)試產(chǎn)生的超連續(xù)譜。從圖9（a）模擬結(jié)果可知，波導(dǎo)寬度為800 nm 時(shí)得到的輸出光譜要比寬度為900 nm 時(shí)波導(dǎo)產(chǎn)生的輸出光譜展寬得更明顯，這主要是1.55 μm 的激光波長(zhǎng)位于寬度為800 nm 波導(dǎo)的反常色散區(qū)域，在脈沖光的泵浦下，更有利于發(fā)生高階孤子的裂變，同時(shí)也更容易發(fā)生高效的四波混頻、拉曼效應(yīng)和調(diào)制不穩(wěn)定性等，在這些因素的共同作用下，更有助于波導(dǎo)中的超連續(xù)譜的展寬，圖9（c）為寬度800 nm 波導(dǎo)光譜演變圖。相反，1.55 μm 的激光波長(zhǎng)位于寬度為900 nm 波導(dǎo)的正常色散區(qū)域，光譜只有微弱的展寬并且對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象，這里光譜的變化主要是自相位調(diào)制的作用，但是在正常色散區(qū)域泵浦，獲得的輸出光譜的相干性更好，因?yàn)樵谡Ｉ^(qū)沒(méi)有調(diào)制不穩(wěn)定性效應(yīng)放大噪聲。如果要想獲得帶寬更寬的超連續(xù)譜，則需要選擇具有反常色散區(qū)域的波導(dǎo)尺寸。圖9（d）為寬度900 nm 波導(dǎo)光譜演變圖。由圖9（b）實(shí)際測(cè)量結(jié)果可以得到類(lèi)似的結(jié)論。

圖9 不同寬度下波導(dǎo)的超連續(xù)譜輸出結(jié)果Fig. 9 SC results of the waveguide with different width

2.3.2 泵浦光峰值功率對(duì)超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響

模擬并測(cè)試了As2Se3波導(dǎo)在不同峰值功率的脈沖光泵浦下產(chǎn)生的超連續(xù)譜，結(jié)果如圖10（a）和（b）所示。所用波導(dǎo)的寬度為800 nm。從圖10（a）中可以看到隨著輸入到波導(dǎo)中的泵浦光峰值功率增加，超連續(xù)譜范圍逐漸變寬，同時(shí)光譜也變的更加平坦。在理論模擬中繼續(xù)增大泵浦光的功率，光譜會(huì)進(jìn)一步展寬，但是結(jié)合實(shí)驗(yàn)制備和測(cè)量，峰值功率不可能一直增加，而且波導(dǎo)端面的解理好壞都會(huì)限制泵浦光的功率值大小。圖10（b）為實(shí)際測(cè)量的輸出結(jié)果，可知在峰值功率為70 W 時(shí)可以得到覆蓋1.2～1.8 μm 的寬度約為600 nm 的超連續(xù)譜輸出。另外圖10（a）和（b）中峰值功率為30 W 和70 W 情況下的實(shí)際測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果差別較小，但是峰值功率為50 W 時(shí)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果與模擬有較大差距，分析其產(chǎn)生的主要原因是端面解理效果不佳導(dǎo)致實(shí)際輸入到波導(dǎo)內(nèi)的功率損失較大，從而沒(méi)能更大效率地激發(fā)波導(dǎo)非線性，所以實(shí)驗(yàn)測(cè)量的超連續(xù)光譜長(zhǎng)波和短波端與模擬的差別較大并不是光譜儀限制造成的。同時(shí)，因?yàn)槊恳淮纬B續(xù)光譜測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)波導(dǎo)或多或少都會(huì)受到激光損傷，為了避免這種損傷的累積，圖10（b）中不同泵浦功率下測(cè)量的光譜是在同一片上不同根波導(dǎo)中得到的，不同根波導(dǎo)的斷面解理或形貌差異可能對(duì)結(jié)果有所影響。

圖10 不同峰值功率下波導(dǎo)的超連續(xù)譜輸出結(jié)果Fig. 10 SC results of the waveguide with different peak power

結(jié)合圖10（c）～（e）的頻率光譜演變可知，在泵浦功率較小時(shí)，光譜的展寬主要以SPM 作用為主。隨著功率逐漸增大，TE 模式中的高階孤子逐漸發(fā)生了分裂現(xiàn)象，此時(shí)SC 光譜的進(jìn)一步展寬以孤子分裂作用為主。同時(shí)可以得到波導(dǎo)中發(fā)生孤子分裂的有效長(zhǎng)度隨著泵浦功率的增加而變短。

設(shè)計(jì)的As2Se3條型波導(dǎo)能在峰值功率為70 W 的激光泵浦下得到近600 nm 的譜展寬，與澳洲國(guó)立大學(xué)在Ge11.5As24Se64.5納米線波導(dǎo)［21］和美國(guó)科羅拉大學(xué)在Ge28Sb12Se60波導(dǎo)［22］上得到的結(jié)果相比均有所突破。

3 結(jié)論

在本研究中通過(guò)色散調(diào)控設(shè)計(jì)了As2Se3波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，使得其在1.55 μm 泵浦波長(zhǎng)下?lián)碛休^小的反常色散值，并制備了高質(zhì)量的As2Se3波導(dǎo)。利用脈沖寬度為579 fs、峰值功率為70 W 的脈沖在該波導(dǎo)中得到了覆蓋1 200～1 800 nm 的SC 輸出。結(jié)果表明，擁有高非線性且色散可調(diào)的As2Se3波導(dǎo)是實(shí)現(xiàn)片上超連續(xù)光源的良好候選材料。為了進(jìn)一步拓寬SC 帶寬，刺激長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)色散波和應(yīng)用短脈沖作為泵浦將是關(guān)鍵。