硫系光纖，成就最具吸引力的中紅外超連續譜光源
位於人眼視覺之外的寬譜紅外波段，以其特有的軍事意義和民用價值，一直是各國科研機構的研究熱點。例如，中紅外波段（2-16 μm，如圖1所示）覆蓋了絕大部分有機物和無機物的分子特徵吸收“指紋”區，且覆蓋了3-5 μm和8-14 μm這兩個最重要的大氣窗口，在分子光譜學、大氣監測、生物醫療及軍事遙感等諸多領域具有廣泛的潛在應用。但該領域的開發發展需要依賴於一種寬光譜、高質量的中紅外激光光源。普通激光具有高相干、高亮度的特點，但爲窄頻譜輸出；而利用激光在非線性光纖中產生的超連續譜（SC）光源以其高相干性、高亮度和極寬譜輸出等特點，日益成爲紅外波段最具吸引力的光源。
圖1 2-16 μm覆蓋了許多重要分子的“指紋”區
超連續譜（SC）光源主體的組成要素
SC的產生是指窄脈衝入射到非線性光纖後，受光纖中的各種三階非線性和色散的共同作用下使得出射脈衝頻譜得到極大展寬的現象。中紅外SC光源主體由抽運源激光和中紅外非線性光纖組成。
在抽運源方面，通常使用超短脈衝的近紅外光纖激光器或中紅外光參量振盪器（OPO）或放大器（OPA）。其中1.5/2 μm的近紅外光纖激光器已經相對非常成熟，市場上已有各種參數的高功率激光器可供選擇；而空間光耦合的OPO/OPA體積龐大且平均功率低，產生的SC實用性有限。
在非線性光纖方面，需要滿足中紅外高透過、高非線性和高激光損傷閾值等特點。常見的紅外非線性光纖包括石英、重金屬碲酸鹽、氟化物和硫系玻璃光纖，光纖的基質材料損耗曲線如圖2所示。石英光纖具有損耗低和原材料優勢，但非線性極低且受限於材料的本徵多聲子吸收無法產生2.5 μm以上SC，碲酸鹽和氟化物則基本侷限於5 μm以內的中紅外SC。
圖2 常見中紅外光纖的材料損耗曲線
硫系玻璃是VIA主族元素（S、Se、Te）和一些其它元素組合而成的非氧化物玻璃，其紅外透光波長可達20 μm以上，且具有極高的非線性折射率（比石英高2-3個數量級。硫系光纖是唯一一種可覆蓋近、中、遠紅外透過的非線性材料，可滿足全紅外波譜（10 μm以上）SC輸出。
硫系光纖本身具有極高的材料非線性性能，一般採用中紅外OPA激光器研究了硫系光纖的中紅外SC譜輸出性能，表1羅列了部分硫系光纖的中紅外SC譜輸出性能。其中相對較好的方案是採用ZBLAN/As2S3/As2Se3光纖級聯抽運：利用光纖激光器輸出的高功率脈衝在ZBLAN光纖中產生展寬至4.5 μm的SC譜，該寬譜脈衝在As2S3光纖進行接力展寬至6.5 μm，最後在As2Se3中進行接力繼續展寬至11.4 μm。該方案的優勢在於可克服4 μm處的S-H、4.5 μm處的Se-H吸收峯影響，同時又避免了As2Se3光纖較低的抗激光損傷性能劣勢，但是多級光纖間的級聯處理要求極高且引入了額外的連接損耗，導致輸出功率也限制在百毫瓦附近。
表1 硫系光纖的中紅外SC譜輸出性能（部分）
硫系光纖的色散調控方式
傳統硫系玻璃的材料，色散零點波長（ZDW）普遍位於中長波紅外區域，如典型的As2S3大於4.5 μm，As2Se3大於7 μm，通常需採用中紅外OPO/OPA抽運以獲得超寬SC譜輸出。爲了實現光纖激光器的有效抽運，可採用繁雜的氟化物過渡配合多種硫系光纖，進行多種光纖的級聯抽運，或者直接對硫系光纖的色散及ZDW進行調控。
光纖的ZDW色散調節可通過波導色散調控（如微結構設計或波導尺寸的亞波長化）或者材料色散直接調節（玻璃組分優化）來實現。
波導色散調控方式
典型的波導色散調控方式採用光子晶體光纖（PCF）結構設計，利用多層空氣孔徑及孔距調節的自由度，來實現ZDW藍移和色散的調控設計。但是由於硫系玻璃的機械強度低且抗析晶能力差，多層空氣孔結構的硫系PCF製備存在極大的挑戰和難度——硫系PCF易於設計但難於製備。常用的堆積法很難實現高質量硫系PCF製備，2011年法國科研人員採用了澆築法成功獲得了3層空氣孔分佈的硫系PCF-目前僅有的多層空氣孔結構的硫系PCF。
此外爲了提高硫系光纖的結構非線性係數，人們設計了單層空氣孔分佈的懸吊芯硫系PCF，並採用鑽孔法和擠壓法分佈獲得了3孔/4孔分佈的懸吊芯硫系PCF，如圖3所示。其中，基於As2S3玻璃的單層懸吊芯光纖的非線性係數高達[email protected] μm，而基於GeAsSeTe玻璃的單層懸吊芯光纖的非線性係數高達3983 W-1 km-1@5 μm。
圖3 硫系PCF：(左)3層空氣孔PCF，(中/右)3孔/4孔懸吊芯
波導色散調節的另外一種方法是將光纖進行拉錐化處理，通過纖芯尺寸的亞波長化以實現ZDW藍移並提高光纖的結構非線性，但普通階躍型光纖拉錐所付出的代價是激光傳輸功率的降低和纖芯模場能量的損失。
多包層結構設計也可實現光纖的波導色散調控功能，尤其是超平坦色散曲線的設計與實現，低色散值的平坦色散曲線更有利於超平坦SC譜的產生。相比於空氣孔PCF結構，多包層階躍型硫系光纖的製備難度較低更易於實現，國內外已有多個基於多包層結構的階躍型硫系光纖的報道。
材料色散調節
光纖的色散調節的另一途徑是材料色散調節。通過在傳統的硫系玻璃體系中引入大量低色散修飾體以降低玻璃的整體色散實現ZDW藍移。研究表明，引入大量的低折射率鹵化物/鹵素可有效降低硫系玻璃的ZDW，如在GeGaSe中引入40%摩爾百分含量的CsI可將玻璃的ZDW藍移至3.5 μm處，在GeAsSe中引入30%摩爾百分含量的I可將ZDW從7.3 μm藍移至4.3 μm處。儘管硫滷玻璃光纖面臨着許多艱難險阻——吸潮性、元素易揮發、純化難度高等等，但是材料色散的直接調節是最根本的色散調節方法。
中紅外非線性光纖的發展前景
當前硫系光纖的SC譜輸出譜寬已經達到了史無前例的2-16 μm，但這些極寬SC譜的輸出功率太低且平坦性差，還需進一步研究如何提高中紅外超寬SC譜的功率輸出和平坦性以增加其實用性。
爲了提高功率輸出，必須尋求高功率抽運源，現有成熟的大功率光纖激光器的峯值功率較低，其對非線性光纖的傳輸損耗、激光抗損傷性能要求較高。現有硫系光纖的傳輸損耗和激光抗損傷性能尚未能滿足其性能要求，其玻璃的製備工藝還有待優化和突破，同時硫系玻璃的抗激光損傷性能及損傷機理也還有待研究探明。在SC譜的平坦性性能方面，需要對光纖的色散分佈進行優化設計，以實現低色散值的超平坦色散曲線分佈。因此硫系光纖的色散調控目標爲低ZDW、低色散值且平坦型色散分佈。
總的來說，理想的中紅外非線性光纖基質材料應具備如下特性：
低材料色散值和高非線性的統一
寬紅外透過窗口和高激光抗損傷閾值的統一
熱穩定性好不析晶
原料成本低且易於純化
硫系玻璃的魅力在於紅外波段獨有的高非線性和寬紅外透過性能。因此硫系光纖面臨着如何降低傳輸損耗、降低ZDW、實現低色散值和平坦色散分佈以及提高激光抗損傷性能等諸多挑戰。
中紅外SC譜正朝着超寬譜、超平坦、高功率的方向發展，進一步縮小高功率抽運源和硫系光纖兩者之間的性能差距——這一任務十分艱鉅，其面臨着高功率中紅外激光器的短缺和高性能低ZDW硫系光纖的短缺。好消息是中紅外激光已經實現了3.92 μm（~200 mW）的單波長輸出（Optica, 5:761, 2018）和譜寬1-3.9 μm/10.4 W的中紅外SC譜光源（Optica, 5:1264, 2018）。儘管當前效率很低（10%）或者平坦性差，但是這些中紅外光源已經非常臨近硫系光纖的ZDW區域。
因此，隨着中紅外激光器的發展和進步，以及高性能硫系光纖的色散優化和傳輸損耗的進一步降低，超寬譜、超平坦、大功率的高性能中紅外SC譜光源即將到來。
作者簡介：
王訓四，研究員，寧波大學高等技術研究院，致力於紅外特種光纖研究
趙浙明，副教授，嘉興學院南湖學院，致力於硫系光纖的超連續譜研究
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