多芯光纖是一種新型光纖,這種光纖的包層中存在距離較近的多根纖芯,纖芯之間可產生較強的耦合,從而使各個纖芯內的光場成為一個整體,可用于光放大、脈沖壓縮、超連續產生、光場調制、光子彈產生等過程。正六邊形7芯光纖(橫截面如圖1),作為最常見的多芯光纖之一,可用于超連續產生[1],本篇文章通過數值模擬的方式,驗證了普通的階躍折射率7芯光纖可以產生超連續譜。

圖1 正七邊形7芯光纖橫截面
作者假定不同纖芯之間僅僅存在線性耦合,從而得到了描述脈沖在7芯光纖中演化的耦合非線性薛定諤方程(式1,右邊三行分別代表芯自身的色散、自身非線性和芯間線性耦合)。在線性情況下,該方程組的7個本征解代表在7芯光纖中能夠穩定傳播的7個超模式。每個模式在光纖中都有著不同的強度和傳播速度,如圖2所示,其中圖2(a)表示電場強度在光纖中的分布,圖2(b)表示每種超模式的傳播常數,其中\beta(\omega)代表單模光纖傳播常數,\kappa(\omega)代表線性耦合系數。

式1

圖2 超模式分布及傳播常數
當初始脈沖(脈沖寬度為100fs,功率15kW,中心波長1.55μm)輸入到內芯(也就是圖2(a)中的1號芯)時,作者討論了纖芯間距對超連續產生的影響。在模擬中,所有芯徑假設為6μm。
(1)若此時纖芯距離很近,芯距為12μm,纖芯與纖芯之間處于強耦合狀態,脈沖演化如圖3所示:第一行代表中間纖芯處脈沖在時域和頻域的演化,第二行代表外圍纖芯處脈沖在時域和頻域的演化。由圖可見,初始脈沖會迅速激發出低能量的模式A和高能量的模式F。然而,強耦合狀態下模式A與模式F的傳播速度差異很大,脈沖會迅速分裂成時間上不重合的兩個孤子。模式A和F分別獨立的進行自身的拉曼孤子自頻移,并產生色散波(都是模式A,可能是A模式才滿足相位匹配導致),且內外芯都能產生色散波,頻率有略微差異)。由于模式F能量更高,模式F的紅移量要大于模式A。

圖3 強耦合內芯激發脈沖演化圖
(2)若纖芯距離很遠(改為25μm,其他參數均不變,如圖4),纖芯與纖芯的耦合極弱,初始脈沖的大部分能量會保持在內纖芯。此時,光譜的演化與單模光纖如出一轍,僅當拉曼孤子紅移到一定程度后,纖芯與纖芯的耦合因波長變長而增強,內纖芯的能量開始泄露到外纖芯中,峰值功率的減弱加上隨波長增加而減小的非線性系數,拉曼孤子漸漸停止了紅移。

圖4 弱耦合內芯激發脈沖演化圖