摘要：11月21日，自然出版集团旗下《光:科学与应用》（Light: Science & Applications，IF：14）刊发华中科技大学武汉光电国家研究中心光电子器件与集成功能实验室多维光子学团队（Multi-Dimensional Photonics Lab, MDPL）青年教师沈力与英国南安普顿大学Anna Peacock教授、美国克莱姆森大学John Ballato教授和挪威科技大学Ursula Gibson教授合作研究成果。该论文题为 “Low-loss silicon core fibre platform for mid-infrared nonlinear photonics” （硅芯光纤：低损耗的中红外非线性光学平台）。

宽带中红外光源在自由空间通信、安防、传感、光谱分析、医学诊断等众多领域中有着广泛的应用需求。利用光波导中的非线性产生超宽带的超连续谱是实现中红外光源的一种重要手段。目前用来产生中红外光源的主要光纤材料是氟化物/硫系玻璃/碲酸盐玻璃，但是这些化合物通常稳定性较差或包含毒性原料。另一方面，基于平面硅基波导平台也可以产生超连续谱光源，但受到低耦合效率和衬底材料吸收等影响其产生中红外光源的谱宽和功率有限。

图1 (a) 锥形硅光纤显微镜照片以及不同纤芯尺寸中光场分布。 (b) 光纤损耗与波长和纤芯尺寸的关系。

此论文的研究团队一直致力于开发高性能的硅芯光纤平台，此波导平台融合了硅材料的优越的光学特性与光纤平台的灵活性，在非线性光学领域有着广阔的应用前景。由于硅材料中的超高非线性，硅芯光纤能在很短的长度内产生显著非线性效应。相比常规的石英高非线性光纤，其非线性长度和功率阈值至少降低100倍。研究人员通过将硅棒置入涂有氧化钙的石英玻璃毛细管内，然后将该复合结构加热并拉制成光纤。逐渐拉伸光纤，直至纤芯尺寸从10 μm减小到2 μm(如图1)。

图2 (a) 非对称锥形硅光纤设计。 (b) 光纤色散与波长和纤芯尺寸的关系。(c) 实际纤芯尺寸分布。(d) 零色散波长在光纤长度方向分布。

针对中红外宽谱光源的产生的应用，研究人员独特地设计了非对称的锥形结构，可以在色散控制同时也降低石英包层对长波长的吸收损耗。光纤总长度仅仅8 mm, 其锥区最窄处对应的零色散波长3μm(如图2a-d)。 用飞秒光学参量振荡器在此波长泵浦该锥形硅芯光纤，能产生横跨1.6–5.3 μm的宽带相干光（带宽3700 nm）。此时泵浦功率仅需要10 mW(峰值1 kW), 且该超连续谱光源中光功率转化效率高达61%(如图3a-c)。此种方法极大了降低了中红外光源的产生难度，能实现小型化、轻量化甚至便携式的中红外光源。此外，利用硅光纤与光纤激光光源的无缝熔接技术，未来有望实现全光纤化的实用高亮度相干中红外光源。由于光源的高相干性，也被认为是产生中红外宽谱光频梳的有效方法，在中红外光谱分析，光相干成像等领域也有着重要应用。

图3 (a) 实验光谱图。 (b) 仿真时域脉冲变化图。(c) 仿真光谱图

该研究工作得到了国家自然科学基金青年项目（61705072)，英国工程与自然研究理事会基金（EP/P000940/1）等项目的资助。武汉国家光电研究中心青年教师沈力为此论文的唯一通信作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-019-0217-z