Raman-Verstärkung bei 2,2 μm in Siliziumkernfasern mit Aussicht auf eine erweiterte Erzeugung von Quellen im mittleren Infrarotbereich

Der mittlere Infrarot-Spektralbereich hat im letzten Jahrzehnt großes Forschungsinteresse geweckt, da er für viele biomedizinische und sensorische Anwendungen wichtig ist. Es besteht jedoch immer noch eine große Herausforderung bei der Entwicklung kompakter und abstimmbarer faserbasierter Lichtquellen, die bei Wellenlängen über 2 μm arbeiten.

Raman-Streuung ist ein nichtlinearer Prozess, der zur Erzeugung oder Verstärkung optischer Signale in Wellenlängenbereichen verwendet werden kann, in denen herkömmliche Lichtquellen nur begrenzt oder nicht verfügbar sind. Wenn Raman-Systeme daher aus Hochleistungslasern und Wellenleitern mit breiten Transmissionsfenstern aufgebaut sind, können sie dazu verwendet werden, Nahinfrarot-Pumpquellen in das mittlere Infrarot zu übertragen und so die Wellenlängenlücken in diesem Bereich zu schließen.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungenein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Professor Anna C. Peacock vom Optoelectronics Research Centre der University of Southampton, Vereinigtes Königreich, hat durch den Einsatz einer hochgradig nichtlinearen Siliziumkernfaser (SCF) ein hohes Maß an Raman-Verstärkung bei Wellenlängen über 2 μm nachgewiesen ) Plattform.

Im Vergleich zu planaren Siliziumsystemen haben sich SCFs als spannende Plattform für die Raman-Verstärkung im mittleren Infrarotbereich erwiesen, da sie längere Ausbreitungslängen, geringe Ausbreitungsverluste und eine effiziente Kopplung an Faserlaser bieten. Der in dieser Arbeit verwendete SCF wurde durch ein Schmelzkernziehverfahren hergestellt, das die schnelle Herstellung großer Faserlängen ermöglicht.

Anschließend wurde die Faser durch ein Verjüngungsverfahren nachbearbeitet, das die nichtlineare Leistung durch Optimierung des Kernmaterials und der Kerngröße verbessert. Der resultierende SCF wurde mit einem Übertragungsverlust von nur 0,2 dB/cm und einem konsistenten, sich verjüngenden Taillendurchmesser im Mikrometerbereich über eine Länge von 6 cm hergestellt.

Durch das Pumpen des optimierten SCF mit einem Thulium-dotierten Faserlaser konnte das Team Raman-Emission und -Verstärkung bei 2,2 μm demonstrieren. Im Fall der stimulierten Raman-Verstärkung wurde dank des großen Raman-Verstärkungskoeffizienten des kristallinen Kernmaterials eine On-Off-Spitzenverstärkung von ~30 dB bei einer Pumpleistung von nur ~10 mW erreicht.

Wichtig ist, dass die geringen Verluste des SCF auch die Möglichkeit eröffnen, die Reichweite der Raman-Wellenlängenverschiebung über kaskadierte Prozesse auf 4 μm und darüber hinaus zu erweitern. Diese Arbeit stellt die erste Demonstration der Raman-Streuung im mittleren Infrarotbereich in einem Silizium-Wellenleitersystem dar – sei es faser- oder chipbasiert – und stellt somit einen entscheidenden Schritt in Richtung der Entwicklung robuster, kompakter und abstimmbarer Systeme in diesem Spektralband dar.