基于光纤中受激散射慢光研究

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光纤受激拉曼散射实验系统

GSL型光纤受激拉曼散射实验系统实验讲义长春禹衡时代光电科技有限公司电光调Q 固体脉冲激光器一、实验目的1、理解电光调Q 的基本原理。

2、学会电光调Q 退压式，加压式的装调方法。

3、掌握调Q 激光的特性参数（动，静脉宽，能量）的测量。

4、理解被动调Q 的基本原理。

5、学会被动调Q 的装调方法。

6、掌握被动调Q 输出激光的参数的测量。

7、理解受激拉曼散射（SRS ）的理论与原理；8、了解光纤受激拉曼散射与激光泵浦源的光束参数关系；9、进一步掌握光谱仪的使用；10、掌握光纤受激拉曼散射谱特征。

二、实验原理1. 调Q 技术原理调Q 技术的发展和应用，是激光发展史上的一个重要突破。

一般的固体脉冲激光器输出的光脉冲，其脉冲持续在几百s μ甚至几ms ，其峰值功率也只有kW 级水平，因此压缩脉宽，增大峰值功率一直是激光技术所需解决的重要课题。

Q 技术就是为适应这种要求而发展起来的。

调Q 基本概念：用品质因数Q 值来衡量激光器光学谐振腔的质量优劣，是对腔内损耗的一个量度。

调Q 技术中，品质因数Q 定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比，可表示为：每秒钟损耗的激光能量腔内贮存的激光能量02πν=Q （1）式中0ν为激光的中心频率。

如用E 表示腔内贮存的激光能量，γ为光在腔内走一个单程能量的损耗率。

那么光在这一单程中对应的损耗能量为E λ。

用L 表示腔长；n 为折射率；c 为光速。

则光在腔内走一个单程所需要时间为c nL /。

由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为c nL E /γ这样，Q 值可表示为γλπγπν002/2nL nL Ec E Q == （2）式中00/νλc =为真空中激光波长。

可见Q 值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大Q 值就低；损耗小Q 值就高。

固体激光器由于存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列，从而阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。

如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。

基于受激布里渊散射的集成微波光子滤波器的研究

基于受激布里渊散射的集成微波光子滤波器的研究现代科学技术的高速发展给人们带来了更加美好的生活,尤其是步入信息时代以后,网络通信以及移动通信给人们之间的交流带来了极大的便利。

对于传统的通信系统,通常是基于电子电路的通信系统,我们称之为电学系统,随着现代通信技术的高速进步以及互联网的发展,信息量呈现爆炸性增长,于是对于通信系统也有了更高的要求。

传统的电学系统由于其特有的电学瓶颈,事实上无法满足现代大容量、高速度、高精确度的信息传输要求,于是微波光子学（Microwave photonics:MWP）应运而生,其是用光学方法来处理电学信号的一门综合学科。

受激布里渊散射（SBS）作为一种非线性光学效应,由于其可以在特定的频率处产生增益峰,因此被广泛应用于光学滤波系统中去,随着现代全光通信的兴起,集成微波系统受到越来越多的重视,研制出能够替代光纤的光学波导就成为了一种趋势,而集成微波光子滤波器作为集成光学器件的一种也受到了越来越多的重视。

本文介绍了微波光子学的发展以及SBS的基本理论,并对基于SBS的集成微波光子滤波器进行了详细的分析与设计。

首先从材料非线性、集成度以及制作工艺上对各种常见的集成波导材料进行分析,这些分析都是建立在SBS的基础之上的,主要看各种材料对SBS增益的加成大小,综合分析最终确定了以硫化砷作为波导的芯层材料,然后结合光场限制、声场限制以及声光耦合效率分析提出了半悬空的波导结构,芯层横截面边长为0.9μm,长度为3.9cm,支撑材料为二氧化硅,支撑物与芯层接触宽度为0.2μm,在此情况下SBS增益为54 dB,3dB线宽为8.2MHz。

然后分析了布拉格光栅的慢光延迟作用对光场能量的增强效果,通过严格计算布拉格光栅的周期以及调制深度使被增强的光波频率恰好落在硫化砷的SBS 增益峰处,此时的光栅周期为344.67nm,调制深度为10-4,由此使得SBS进一步增强,同时由于SBS增益与线宽的反比关系使得SBS线宽进一步降低,最终增益达到了58.5dB,3dB线宽为7.8MHz,波导的截面边长为0.9μm,长度为3.9cm,泵浦光功率为248mW,无论从SBS滤波性能、波导集成度还是能量利用率上都有较大的提升。

单模双折射光纤中受激喇曼散射的光谱特性研究

摘
要：本文系统的研究了石英系高保偏双折射光纤的受激喇曼光谱的特性，给出了七级斯
托克斯谱和一级反斯托克斯谱。测试了各级喇曼谱的闽值、谱宽和喇曼增益，分析了形成各
级喇曼谱的能量转移机制。关键词：双折射光纤：喇曼散射；喇曼增益中图分类号：Ｔ２９文献标识码：ＡＮ１
ｊ＿Ｍ
ｆ）入纤・ａ为６ｋ５ｗ
合作用，式中ｇ为喇曼增益系数。当人纤功率大于受激喇曼散射阈值时，光纤中就有受激喇曼散射现象产生，同时部分能量由泵浦光转移到第一级Ｓｋｓｔｅ波上，随着人纤功率ｏ的增大，第一级Ｓｋｓｔｅ波的能量也增大，它大于ｏ第二级Ｓｋｓｔｅ阐值时，第二级被激发，而它的能ｏ量是从第一级Ｓｋｓｔｅ波耦合过来的，逐次类推。ｏ但是实验证明这种能量转移过程是Ｓｏｅ级数越ｔｓｋ高转移越困难，而且效率也下降，所需时间过程也越长。正是由于这种时间延迟，使得我们用
级的斯托克斯线比高级的斯托克斯线的峰值低，
甚至出现了缺级（图２（）见ａ、图３），这种现象可以通过下面的模式来解释：
光源为调Ｑ倍频ＹＧ激光器，出光波长Ａ输为５２ｍ，脉宽为１ｎ重复频率分别为ｌｐｓ３ｎ０ｍＯｐ
图１测量ＳＳ光谱及传输模式的实验装置Ｒ
和１ｐ。输出光经１倍显微物镜耦合进光纤，ｐｓ０
出射光由Ｂ分光板分为两束：一束光进人系统ｓ（由光谱仪和ＣＤ探测仪及计算机组成）Ｃ，另一束光经过透射光栅（０Ｌｒｍ）３０／ห้องสมุดไป่ตู้ａ，最后由摄像系统给出光谱和模式照片．试验中观测到七级斯托

高非线性光子晶体光纤中的慢光延迟增强效应

高非线性光子晶体光纤中的慢光延迟增强效应杨四刚1,李进延2,陈伟2，3,陈宏伟1,谢世钟1（1.清华大学电子工程系，北京 100084）(2. 烽火通信, 湖北武汉 430074)（3．华中科技大学光电子科学与工程学院, 湖北武汉430074）摘要：本文应用国产的小芯径高非线性光子晶体光纤基于受激布里渊散射实现了大延迟的慢光。

通过采用一段普通高非线性光纤作为模式转换器，光子晶体光纤和普通单模光纤得以成功焊接。

由于光子晶体光纤两端尾纤焊接端面的部分反射，在光子晶体光纤中形成一个F-P腔。

实验研究了该光子晶体光纤的布里渊散射增益特性。

采用50米高非线性光子晶体光纤实现了最大半个脉冲的慢光延迟。

实验还发现F-P腔能改变该段光纤的慢光延迟特性，使得慢光延迟的时间随增益的增加呈指数增加。

F-P 腔的存在使慢光延迟得到了大大增强。

关键词：光子晶体光纤，布里渊，慢光，延迟中图分类号：TN913.24 文献标识码：ASlow light delay enhancement in high nonlinearphotonic crystal fiberYANG Sigang1, LI Jinyan2, CHEN Wei2,3, CHEN Hongwei1 and XIE Shizhong1(1. Department of Electronic Engineering,Tsinghua University, Beijing 100084,China)(2. FiberHome Telecommunication Technologies CO.LTD, Wuhan 430074, China)(3. School of Optoelectronics Science & Technology, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China)Abstract: This paper reports that we realize large delay slow light using our fabricated small core high nonlinear photonic crystal fiber (PCF) based on the stimulated Brillouin scattering. The PCF can be spliced with single mode fiber pigtails via high nonlinear fiber as the mode converters. A Fabry-Perot cavity occurs due to the partial reflective splices in the end of PCF. The Brillouin gain characteristics of the PCF is experimentally investigated. Up to 1/2 pulse width slow-light delay is achieved in only 50-m PCF. The presence of the cavity modifies the slow-light delay characteristics and the delay time grows exponentially with the Brillouin gain. The F-P cavity can enhance the slow-light delay significantly.Key words: photonic crystal fiber, Brillouin, slow light,delay收稿日期: 2007-09-02基金项目：国家973科研项目（2003CB314907）1 引言随着光纤通信技术的飞速发展，全光网以其可以在光域内完成光信号的传输和交换受到人们的日益关注，是光网络的一个重要发展方向。

光纤中受激布里渊散射的性能分析

下关系式 : 几二 N 呜一
凡二 , - rc, x
的光信噪比 ( OSNR ) 和光纤的非线性效应。了一个斯托克斯光子和声学声子。由于散射
在典型的光纤参数下，其峰值增益8e0' 5xio-"m/w，全半宽度。 - 50 M v, Hzo
2
光纤中 5 日闻值的理论估算 5
SBS 作为一种非线性效应，它在光纤中
I , 别处Yrn=KPf"I吩a小SR a. , A 分 R RR
统对OSN日的要求。实际系统中信号光为准连续光，它具有
一定的带宽，而且采用的光纤一般为非保偏
0 50 10 0 150 200 2 50 300
一 0 5 3
40 0
45 0
5 50
光因在算纤，而估 SBS闭时，式的时值公中应取为 se=嵘 [(1+A v刊，里K为振 /K v,lA 这偏因 1! 子( 5K<2 )。考偏影时pcn约当虑振响
于光通信中继站的建设和运行成本较高且有一定的风险，因此建设与电力特高压输电相配套的长跨距无中继光纤通信线路具有非常重要的现实意义。无中继光纤通信系统的性能受制于系统对长跨距的无中继系统，由于传输距离的增加，为满足系统要求的OSNR, 必然要求增加系统的入纤功率。由于光纤较小的芯径，较大的入纤功率必然导致较强的非线性效应的产生，而受激布里渊散射SBS效应具有最低的产生闭值。为了抑制SBS 效应的影响，系
有3 dB 的提升 ( 取K=2 )。采用大信号带宽的光源或采用内调制方式可以达到提升光纤 5日阑值的目的， S 但信号传输过程中光纤固有的色散效应必然会引起系统传输性能的恶

受激喇曼散射及其在光纤通信中的应用研究（光学工程专业优秀论文）

电子科技大学硕士学位论文摘要近年由于新业务的不断出现，通信业务量的显著增长、科技的快速进步，促进了通信网络的快速发展。

发展最为显著的全光通信网、无线网、数据分组网虽然其在传输原理、承担业务、传输数据量上各不一样，但都离不开光纤骨干网。

光通信技术研究主要集中在光波复用和全光网络，而光放大技术、光交换器件、新型激光器等新技术为其快速发展提供了基础。

但要使光纤传输系统的的速率不断提高，光纤传输器件的结构更加合理，功能更加完善和强大，就必须注意光纤传输系统中的几个丰要因素：光纤损耗、光纤色散、光纤非线性效应。

基于光纤非线性效应的受激喇曼散射在光通信系统中发挥着重要的作用，合理利用能够制作出满意的光器件，不注意对它控制义会对光通信系统产生不利影响。

本文将主要探讨受激喇曼散射对光通信系统的影响。

第一章绪论中首先引出了受激喇曼散射效应，然后介绍了受馓喇曼散射在光纤通信中的应用：光纤喇曼激光器、光纤喇曼放火器、波长转换器。

接着介绍了受激喇曼散射效应导致的系统串扰。

最后介绍了光子自动化设计软件ＰＴＤＳ。

第二章对受激喇曼散射原理进行了详细分析，仔细讨论了两个重要指标：喇曼增益谱和喇曼闽值，并得到了相关公式。

第三章对喇曼放大器进行研究。

建立了喇曼放大器的功率和模场理论模型，探讨了其主要特性，包护增益、带宽、噪声以及大功率泵浦特性。

最后对光纤喇曼放大器在Ｓ波段的应用进行了研究，得出一些结果。

第四章内容主要集中在ＷＤＭ系统中的喇曼串扰。

首先对ＷＤＭ系统中每个信道的功率理论模型进行了探讨，得到了ＷＤＭ系统中拙述喇曼串扰的公式，并使用最大受激喇曼散射串扰（ＭＲＣ）和平均最大受激喇曼散射串扰（ＡＭＲＣ）对其进行量化，然后通过ＰＴＤＳ仿真软件搭建实验平台，对ＷＤＭ系统中信道频率、入纤功率、光纤长度，光纤有效模场面积、光纤非线性系数、信逆数、信道比特率，以及信道不同波段组合的变化对喇曼串扰的影响进行了研究，得到～些有益结果并进行了分析。

光纤中基于SBS实现慢光的数值研究

Ａｂｔａｔｈｂｒａｅｔｌｅｒｌｕｃ￣ｒｇ（ＢＳｏｐｅｑａｏｓｗｒｏｖｄｂｈｔｏｆｓｃ：Ｔｅｆｅ－ｓｄＳｉａｄＢｉｏｉＳａｅｉＳ）ｃｕｌｄｅｕｔｎｅｅｓｌｙｔｅｍｅｄｏｒｉｂｍｕｔｌｎｎｉｅｈ
ＮｕｍｅｉａｔｙｏｒｃｌＳｕｄｆＳＢＳＳｏＬｉｈｔｉｐｔｃｌｂｒｌｗｇｎＯｉａｅｓＦｉ
ＨＯＵｈａｎｌｎ，ＷＡＮＧＳｇ－ｉＺｈｏｎｇ－ｉｙ
（ｃｏｌＳｉｎｅＬｎｈｕＵｉｅｓｙｏｅｈｏｏｙＬｎｈｕ７０５，ｈｎＳｈｏｃｅｃ，ａｚｏｎｖｒｉｃｎｌ，ａｚｏ３００Ｃｉａ）ｆｏｔｆＴｇ
光纤中基于Ｓ实现慢光的数值研究ＢＳ
侯尚林，王忠义
（兰州理工大学理学院，兰州７０５）３００
摘要：通过运用带有预测一校正的隐格式有限差分法对基于光纤的受激布里渊散射耦合方程组进行了数值求解。在增益０１范围内考察了布里渊增益系数、增益带宽以及有效模面积对时间延迟和脉冲展宽的影响。结果表明，～６
关键词：光纤通信；受激布里渊散射；时间延迟；脉冲展宽因子；增益饱和中图分类号：Ｔ２．１Ｎ９９１文献标志码：Ａｄ１．９９．ｓ．０ —０Ｘ．１．２１ｏ：０３６￣ｉｎ１３５１２００．６ｉｓ０００
较小的增益系数和增益带宽、大的有效模面积使得Ｓｏｅ信号具有更犬的饱和增益值，较ｔｋｓห้องสมุดไป่ตู้ 相应的时间延迟也较大。在固定泵浦功率并保证增益参数在小信号范围的情况下，时间延迟及脉冲展宽因子随着增益系数的增加而增加，但随着增益带宽以及有效模面积的增加而减少。

用受激布里渊散射在光纤中实现光存储的研究的开题报告

用受激布里渊散射在光纤中实现光存储的研究的开题报告一、选题背景和研究意义随着通信技术的不断发展，光通信已成为信息传输的主要手段之一。

而随着信息量的不断增大和传输速度的不断提高，数据存储和备份也成为了极其重要的任务。

传统的存储介质如硬盘和磁带由于物理限制已不能很好地满足需求。

因此，寻求一种高效快速的新型光存储技术被广泛关注。

受激布里渊散射（SBS）是一种在光纤中非常重要的光学现象，其本质是由于光与光子流在光纤中相互作用而发生的。

SBS已被广泛用于光纤通信中的光泵协议、光纤环形拉曼振荡器等设备中。

本研究借鉴SBS的原理，研究在光纤中实现光存储的可行性和实用性，有重要意义。

二、研究内容和方法1.研究内容本研究将探讨利用SBS实现光存储的基础理论和技术方案。

主要研究以下几方面内容：（1）利用SBS在光纤中实现高速的光存储过程；（2）设计并实验验证一种高效可靠的光存储解决方案；（3）研究SBS在光存储中的应用场景以及优缺点。

2.研究方法（1）理论分析：理论分析SBS在光存储中的基本原理，拟定实验方案；（2）光纤光学实验：建立光学实验系统，验证光存储的实现方案。

（3）数据分析：对实验得到的数据进行分析，评估所设计的光存储方案的性能和可行性。

三、论文结构和预期成果本论文将分为以下几个部分：引言、SBS在光存储中的应用、光存储方案设计与实现、光存储实验结果分析、结论和展望。

预期成果包括：1.设计并验证了一种基于SBS的光存储系统的可行性和高效性；2.分析研究SBS在光存储中的应用场景以及优缺点；3.对所设计的光存储方案进行实验验证，并展示了实验数据的分析结果；4.为基于SBS的光存储技术的应用提供一定理论和实践基础。

四、研究安排和预期时间表计划从2021年9月开始进行研究，预计用时十二个月，具体安排如下：1.9月：研究背景及前期调研；2.10-11月：理论分析和光学实验的设计；3.12-2月：数据采集和分析；4.3-4月：论文撰写和修改；5.5月：论文提交和答辩准备。

多模光纤中基于受激布里渊散射的光束净化效应研究

多模光纤中基于受激布里渊散射的光束净化效应研究受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)在光纤领域的研究中一直处于十分重要的地位。

一方面,人们渴望抑制光纤中的SBS效应所带来的各种不良影响;另一方面,科学家们又利用SBS特性进行了有关光纤传感、慢光和相位共轭等有利因素的研究并广泛应用于通信、建筑等诸多领域。

此外,多模光纤的SBS研究中还发现过一种称之为SBS光束净化的特殊效应,它能将光束质量恶劣的多模光束转化成为良好光束质量的基模光束。

SBS光束净化效应的发现为多模光纤中光束质量的改善提供了一条有利途径,但这种效应却违背了人们对于SBS具有相位共轭特性的传统认识。

自1993年SBS光束净化效应被发现以来,国际上不少课题组都开展过相关研究,但至今仍没有一套比较完整、合理的理论来解释SBS光束净化,甚至关于SBS 光束净化的发生条件及产生原因都还各执一词。

本论文便针对多模光纤中的SBS 光束净化进行了系统的理论和实验研究,建立了一套较为完整的SBS光束净化理论模型,合理解释了SBS光束净化的产生机制并明确提出了SBS光束净化的发生条件,还实验改善了之前泵浦转化效率低下、输出光束不稳定等制约其应用的关键性问题。

首先,我们建立了适宜于分析多模光纤中模间SBS过程的三维SBS耦合波方程。

该方程解决了传统平面波近似的SBS耦合模型下因忽略模式横向分布而无法分析不同模式间SBS差异的问题,同时使用弹性动力学理论建立声子场方程,更正了传统耦合波方程中的流体参数。

根据三维SBS耦合波方程的形式解,我们指出了多模光纤与体介质中SBS过程的区别并提出了使用―布里渊模间增益系数‖来分析不同模式间布里渊增益差别的方法。

其次,我们通过对三维SBS耦合波方程进行仿真分析给出了轴对称型多模光纤中各模式间布里渊增益的分布曲线,理论预测了各种光纤参数对模间布里渊增益的影响。

根据理论结果,我们明确提出了多模光纤中发生SBS相位共轭和光束净化的物理机制和产生条件,揭示了SBS光束净化的本质并加以实验佐证。

光纤激光受激布里渊散射的动力学特性研究

光纤激光受激布里渊散射的动力学特性研究光纤激光中受激布里渊散射表现出了丰富的动力学特性,近年来已经引起了广泛的关注。

基于这些动力学特性,受激布里渊散射已经被广泛用于实现光通信系统中的布里渊放大器、光纤传感、脉冲压缩、信号处理技术(如光存储以及快慢光等)以及产生不同种类的光源。

然而在这些与受激布里渊散射相关的应用当中,仍然存在一系列的问题,如光纤激光器中有源增益对受激布里渊散射过程的影响、共振频率失谐对受激布里渊散射动力学特性的影响、受激布里渊散射过程中泵浦光和斯托克斯光之间的瞬时能量流动特性以及多模光纤中受激布里渊散射的动力学特性和阈值特性等,尚未有明确解释,需要进一步深入研究。

另外在高功率窄线宽脉冲光纤激光器中,包括受激布里渊散射在内的各种非线性效应已经成为限制其功率进一步提升进而制约其在地球科学、原子分子物理、频率变换、光束合成等领域的应用前景的主要因素。

本文针对上述问题开展了针对性的理论和实验研究,主要内容如下:论文首先回顾了目前关于光纤中受激布里渊散射动力学特性的研究进展,详细介绍了分别在单模和多模光纤内与受激布里渊散射效应相关的各种动力学特性的研究,阐明了进一步拓展和深入研究受激布里渊散射在光纤激光中的动力学特性的意义。

针对在高损耗稀土离子掺杂光纤激光器中的受激布里渊散射过程,从实验和理论两个方面证明了混合的布里渊和有源增益可以支持部分锁模现象的出现。

首先,设计了相应的实验方案,实验结果表明为了使得激光器内部分锁模现象能够出现,需要布里渊和有源增益同时存在;其次,还建立了描述这一动态过程的理论模型,较好地解释了实验结果;最后详细阐述了导致不同斯托克斯纵模之间相位实现部分同步的物理机制。

针对在连续泵浦下无外界反馈光纤中的受激布里渊散射过程,研究了共振频率失谐对受激布里渊散射动力学特性的影响。

从数值和理论结果中首次发现在无需克尔效应的参与下,共振频率失谐可以使得受激布里渊散射过程表现出丰富的动力学特性。

光子晶体光纤中基于SBS实现慢光的数值模拟

（．Ｓｈｏｌｆｉｎｃ，ＬａｚｕＵｎｖｏＴｅｋ，Ｌｎｂｕ７０５１ｃｏｏＳｃｅｅｎｂｏｉ．ｆｃａｚ３００，Ｃｈｉａ；２ｏｎ．ＫｅａｏｒｔｒｆＩｆｒａｉｎＰｈｔｎｃｎｙＬｂａｏｙｏｎｏｍｔｏｏｏｉｓａｄＯｐｔａＣｏｍｕｉｉｌｍｃｎ—
ｔｏｓｗｅｅｓｌｅｙｕｉｇｆｕｔ－ｒｅｎｅＫｕｔｅｈｄａｄｃａａｔｒｓｉｓｍｅｈｄｉｎｒｏｖｄｂｓｎｏｒｈｏｄｒＲｕｇ－ｔａｍｔｏｎｈｒｃｅｉｔｃｔｏ．ＴｈｎｌｅｃｆｅｉｆｕｎｅｏｆｂｒｃｒｉｍｅｅｎＳｌｗｇｔｗａｉｃｓｅｏｄｔｏｆｃｎｔｎｔｋｓｐｗｅｎｔｋｓｗａｅｉｅ —ｏｅｄａｔｒｏＢＳｓｏｌｈｓｄｓｕｓｄｉｃｎｉｎｏｏｓａｔｏｅｏｒａｄＳｏｅｖｉｎｉＳｐｌｅｉｔｎｉ．ＩｓｆｕｄｔａｈｍａｌｒｔｅｆｅｏｅｗａｈｅｔｒｔｅＰｕｓｎｅｓｔｙｔｗａｏｎｈｔｔｅｓｌｅｈｉｒｃｒｓｔｅｂｔｅｈＣＦｉｅｄｌｙｗｏｌｅｂｔｍｅａｕｄｂ，
光子晶体光纤中基于ＳＳ实现慢光的数值模拟Ｂ
侯尚林，孔谦，黎锁平刘延君，，韩佳巍，徐永钊。
（．兰州理工大学理学院，１甘肃兰州７０５；．京邮电大学信息光子学与光通信教育部重点实验室，３００２北北京１０７；．东莞理工学院０８６３

基于光纤中受激拉曼散射效应的光神经元[实用新型专利]

专利名称：基于光纤中受激拉曼散射效应的光神经元
专利类型：实用新型专利
发明人：巩稼民,左旭,赵云,冷斌,袁心易,李栋,方健,巩明辉申请号：CN201320067365.7
申请日：20130205
公开号：CN203071941U
公开日：
20130717
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种基于光纤中受激拉曼散射效应的光神经元，包括外部光发射机、第一本地光发射机、第二本地发射机和减法器，合波器，合波器的输出端通过用于通过受激拉曼散射的非线性效应来进行功率累加求和运算的第三光纤连接有光滤波器，光滤波器的输出端连接有第一光电转换器，第二本地光发射机的输出端连接有第二光电转换器，第一光电转换器的输出端与减法器的正极输入端电连接，第二光电转换器的输出端与减法器的负极输入端电连接，减法器的输出端电连接有用于将电信号转换为光信号输出的激光二极管。

本实用新型设计新颖合理，实现方便且成本低，功耗小，噪声低，信息处理速度快，可扩展性强，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

申请人：西安邮电大学
地址：710121 陕西省西安市长安区韦郭路西安邮电大学南校区
国籍：CN
代理机构：西安创知专利事务所
代理人：谭文琰
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少模光纤中受激布里渊散射慢光的研究

少模光纤中受激布里渊散射慢光的研究本文利用全矢量有限元法,分析了少模光纤受激布里渊散射过程中光场和声场的特性,利用光波和声波的耦合理论得出了不同条件下各模式的慢光传输特性,并通过该特性分别讨论了掺杂浓度、温度和应力对少模光纤中受激布里渊散射慢光的影响。

主要研究内容和结论如下:1.在稳态小信号解下,根据受激布里渊散射的声光耦合方程推导出少模光纤中时间延迟量的表达式,给出了慢光研究的理论基础。

利用有限元法计算了少模光纤中不同模式对（泵浦波-Stokes）下的布里渊慢光,模拟了泵浦功率、有效传输长度对各模式对的布里渊阈值、时间延迟量及脉冲展宽因子的影响。

结果表明,少模光纤中不同模式对的布里渊慢光特性不同;布里渊阈值随光纤有效长度的增大而减小,但随模式阶数的增大而变大;泵浦功率及有效传输长度越大,各模式对的时间延迟量、脉冲展宽越大,且当输入泵浦功率相同时,模内受激布里渊散射产生的慢光时间延迟量及脉冲展宽均大于模间。

输入泵浦功率为0.5 W,光纤有效长度为1 km时,得到LP01-LP01、LP11-LP11和LP01-LP11模式的时间延迟量分别为643.7 ns、362.6 ns和213.2 ns,对应的展宽因子分别为1.346.1.207和1.126。

通过对少模光纤中受激布里渊散射慢光特性的分析,得到了较大时延量及较小脉冲形变的少模光纤,该结论从理论上为设计慢光器件和提高传输容量指明了一个可行的研究方向。

2.研究了不同掺杂浓度对少模光纤中受激布里渊散射慢光特性的影响,模拟了不同掺杂条件下LP01模和LP11模的有效模场面积、布里渊阈值、时间延迟量及脉冲展宽因子的变化。

基于Tellurite光纤的受激布里渊散射慢光数值模拟

基于Tellurite光纤的受激布里渊散射慢光数值模拟侯尚林;王忠义;朱龙【摘要】利用受激布里渊散射对Tellurite光纤实现慢光进行数值研究.通过数值模拟得到在小信号以及增益饱和情况下,斯托克斯脉冲的时间延迟和脉冲展宽随增益的变化关系;同时模拟了在固定的增益参数下,时间延迟及脉冲展宽随斯托克斯峰值功率的变化关系.结果表明由于Tellurite光纤具有较高的增益系数,可以有效减少增益饱和对斯托克斯脉冲的时间延迟的限制并且具有较大的延迟时间,同时表明较高的斯托克斯峰值功率也是造成增益饱和的重要原因.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2010(036)003【总页数】4页(P110-113)【关键词】慢光;光纤;受激布里渊散射;增益饱和【作者】侯尚林;王忠义;朱龙【作者单位】兰州理工大学,理学院,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学,理学院,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学,理学院,甘肃,兰州,730050【正文语种】中文【中图分类】TN929.11在光通信系统中,由非线性效应特别是受激布里渊散射效应导致的光速减慢(慢光)技术在光数据缓存、光数据精密同步、光开关、全光信号处理、全光通讯、光存贮等方面有着广泛的应用前景[1-2].光纤中可控慢光技术研究的意义集中体现在全光通信的发展需求上.近年来随着光纤通信的迅猛发展,对通信带宽的提高需求越来越大,但是以目前的技术,光信号如果不先转换成电信号就不能够被存储、路由或者进行处理.传统的光电转换由于转换极限速率的限制(40 Gbit/s)己经不能满足发展需求,全光通信的发展势在必行.如果能够用光来控制光信号,那么就可以不经过电转换来处理光信息.因此,在光纤中对光脉冲的传播速度进行操控有非常高的实用价值,光纤中光速可控技术(快慢光)的出现必将给光纤通讯网络、光信息产业带来巨大的推进.受激布里渊散射效应导致的光速减慢(慢光)技术与电磁诱导透明技术EIT(electromagnetically induced transparency)[3]以及相干布局震荡(coherent population oscillations,CPO)[4]技术相比具有以下优点:在光纤中控制光速的技术实用性强,成本低,可以工作在通信波段,而且工作波长可以通过选择泵浦光的频率而任意调节,这些都是以前的方法所不能比拟的.SBS可以理解为两束相向传播的光(泵浦光﹑斯托克斯光)的相互作用.如果泵浦光足够强并且和斯托克斯光之间满足相位匹配条件 fp=fs+VB(其中fp为泵浦光的频率,fs为斯托克斯光的频率,VB为布里渊频移),就会产生声学声子.声子散射泵浦光使之转变为斯托克斯光,所以SBS可以看做是一种窄带放大过程.在这个过程中连续波的泵浦转变成频率在 fp-VB附近的窄带增益.用受激布里渊散射实现慢光的基本思想是通过SBS过程,泵浦光引起斯托克斯光的传播常数发生改变从而使泵浦光的频率发生改变.对一个以斯托克斯光波长传播的光脉冲而言,它的群速度为Vg=dω/dβ(β为传播常数),因此传播常数随频率的突然改变会导致群速度的剧烈变化,使光脉冲发生延迟[5].随着研究的不断深入,人们试图找到一种更适合作为慢光延迟的光纤来制作慢光器件,其中Tellurite[6-7]光纤凭借其优良性能引起了人们的广泛注意,本文从数值模拟的角度对其进行进一步的分析,使人们对其有更深入的认识.1 数值模型基于光纤受激布里渊放大器模型,SBS过程可以用包含泵浦光、斯托克斯光和声波场的一维耦合波方程组来描述.这里假定泵浦波和声波场沿-z方向传播,斯托克斯波沿+z方向传播.在慢变包络近似下,其耦合波方程可以描述如下[8]:式中:Ap、As和Q分别是泵浦波、斯托克斯波和声波振幅;n是光纤中的群折射率(不考虑光纤中各种非线性效应所导致折射率的变化);c是真空中的光速;α是光纤的损耗系数;ΓB/(2π)是布里渊增益带宽(FWHM);Δω=(ωp-ωs)-ΩB是偏离SBS增益中心的角频率即频率失谐,ΩB是布里渊频移,ωp和ωs分别是泵浦波和Stokes波的角频率;g1是泵浦波与斯托克斯波之间的耦合系数;g2是斯托克斯波与声波的耦合系数;g0=4是布里渊增益系数的峰值.为了考虑泵浦损耗的情况,需要对以上方程组进行数值求解来探讨时间延迟以及脉冲展宽随增益以及输入Stokes脉冲峰值功率的变化.根据受激布里渊散射的小信号稳态理论,达到布里渊阈值所需要的临界泵浦功率Pcritical与布里渊增益系数g0有以下关系:其中,Leff是光纤的有效长度:从方程(4)可以得到泵浦波的阈值强度:一旦达到增益饱和,泵浦波的绝大部分能量将转移给斯托克斯波,从而导致输出端的斯托克斯波严重损耗泵浦波,还会出现输出端斯托克斯波的严重失真.本文数值模拟中考虑的泵浦强度在布里渊阈值附近并得到增益大约在18左右.这里增益定义为式中:Pout和Pin分别是输出和输入的Stokes波峰值功率.值得一提的是,这样定义增益是为了与下文提到的增益参数G=g0IpL相对应,而exp(G)表示Stokes波的增益,这样有利于比较.时间延迟定义为SBS发生与不发生时输出Stokes波的峰值时刻的时间差,脉冲展宽因子定义为输出的Stokes波的半幅全宽(FWHM)与输入的Stokes波的半幅全宽(FWHM)的比值.2 数值模拟结果假设泵浦波是连续波(CW),Stokes波是高斯波形,脉冲宽度为60 ns且峰值功率为0.01μ W且频率在SBS的中心并且没有其他的频率掺杂,使用Tellurite的光纤参数如下:长度L=25 m,群折射率n=2.03,有效模面积Aeff=6.9697μm2,损耗系数α=0.0588 dB/m,增益系数g0=1.6989×10-10 m/W 和增益带宽ΓB/(2π)=20.98 MHz.从图1中可以看到,当增益gain很小时(≤12)延迟时间随着增益的增加而近似线性增加,小信号模型分析当增益很小时连续泵浦波没有影响.当增益大时,在接近增益饱和时导致延迟时间偏离出解析解(ΔTd=G/ΓB,这里 G=g0IpL是增益参数,Ip是泵浦强度,L是光纤的长度,最大延迟时间发生在布里渊增益的峰值)的现象,延迟时间在达到最大值前随着增益的增加而缓慢增加直至达到最大延迟时间,然后延迟时间开始急剧下降,增益饱和是限制最大延迟时间的重要因素之一.图1 时间延迟和增益的关系Fig.1 Relationship of time delay to gain由图1观察到当G≈13时时间延迟有最大值103 ns,通过线性拟合可以得到此时的增益与时间延迟的线性系数约为1.8 ns/dB,其系数远大于普通单模光纤的的理论系数.由计算结果可以得到在G很小时计算出的数值解的延迟时间也要比解析解小,解析解和数值解之间的差异可以解释为:一个光谱中往往包括了很多频谱分量(仍旧小于受激布里渊散射的增益带宽),相当多的一部分由于频率的原因使它有更小的延迟,导致了延迟时间的数值解比解析解要小.从图2可以看出,脉冲展宽因子随增益的变化规律与时间延迟随增益的变化基本一致,在小信号情况下脉冲展宽因子随着增益的增加近似线性增加,达到最大值后同样开始急剧下降.在图3中绘制了增益分别为0和16.8时的斯托克斯脉冲的归一化输出波形,可以观察到当gain=16.8与gain=0时相比,脉冲发生了严重畸变,前沿变陡而后沿变缓.进入增益饱和以后,随着增益的进一步增加,泵浦波的损耗逐渐加剧,斯托克斯脉冲前沿得到有效放大将泵浦光抽空,后沿却因为泵浦波被消耗而导致相互作用很弱所以放大很小,这就导致脉冲的前沿得到有效放大而导致脉冲前沿很陡,后沿变得很长.图2 脉冲展宽因子和增益的关系Fig.2 Relationship of pulse broadening factor to gain图3 gain=0和16.8时归一化的Stokes输出脉冲波形Fig.3 Normalized Stokes output pulse waveform for gain=0 and 16.8下一步研究在一个固定的增益参数下,不同的输入Stokes峰值功率对脉冲延迟及脉冲展宽的影响,其他参数不变.此时对应的泵浦波功率为17.42 mW以保证增益参数在小信号范围内.由图4可以观察到当峰值功率很小时脉冲的延迟时间很大,且在功率很小时延迟时间没有太大变化,随着Stokes输入峰值功率的增大,脉冲的时间延迟开始慢慢减小,这是因为随着斯托克斯波能量的增大消耗了更多的泵浦波的能量从而达到增益饱和.在达到饱和增益后此时泵浦波已经被消耗,使得时间延迟量急剧减小.由上可知,输入峰值功率越小得到的脉冲时间延迟越大,说明输入Stokes峰值功率越大,越容易出现增益饱和现象,从而限制了延迟时间.由图5可以观察到当输入峰值功率比较低时脉冲展宽因子几乎没有变化,随着输入峰值功率的增大展宽因子慢慢减小,在大的输入峰值功率下脉冲展宽因子急剧减小. 图4 时间延迟和输入峰值功率的关系Fig.4 Dependence of time delay on inputpeak power图5 脉冲展宽因子和输入峰值功率的关系Fig.5 Dependence of pulse broadening factor on input peak power3 结论通过控制泵浦波的功率可以控制增益,即可以发现增益和脉冲时间延迟的关系.由于在达到饱和增益时脉冲的延迟随着增益的增大而减小,要想获得较大的时间延迟光纤需要有效克服增益饱和的影响.Tellurite光纤由于具有较大的时间延迟系数(ns/dB),且其饱和增益值也较大,与普通单模光纤相比更有利于克服增益饱和的影响而实现较大的时间延迟.脉冲的时间延迟必然伴随着脉冲的展宽变形,当时间延迟达到最大值时,脉冲展宽因子也达到最大值.达到增益饱和后,脉冲展宽因子开始下降,脉冲的前沿开始逐渐变陡,后沿变长.在固定泵浦波功率下,随着输入斯托克斯的峰值功率的增加,脉冲延迟时间逐渐减少,这说明输入峰值功率越大越容易出现增益饱和而导致脉冲的延迟时间变小.参考文献:[1］OKAWACHI Y,BIGELOW M S,SHA RPING J E,et al.Tunable all-optical delays via Brillouin slow light in an optical fiber[J].Phys Rev LETT,2005,94:1-4.[2］DAHAN D,EISENSTEIN G.Tunable all optical delay via slow and fast light propagation in a Raman assisted fiber optical parametric amplifier:a route to all optical buffering[J].Opt Express,2005,13(16):6234-6249.[3］HAU L V,HARRIS S E,DUTT ON Z,et al.Light speed reduction to 17 meters per second in an ultracold atomic gas[J].Nature,1999,397:594-598. [4］BIGELOW M S,LEPESHKIN N N,BOYD R W.Superluminal and slow-light propagation in a room-temperature solid[J].Science,2003,301:200-202.[5］SONG K Y,KERRÁEZ M G,T HÉVENAZ L.Observation of pulse delaying and advancement in optical fibers using stimulated Brillouinscattering[J].Opt Ex press,2005,13(1):82-88.[6］ABEDIN K S.Stimulated Brillouin scattering in single-mode Tellurite glass fiber[J].Opt Express,2006,14(24):11766-11772.[7］QIN Guanshi,SO TOBA YASHI H,TSUCHIYA M,et al.Stimulated Brillouin scattering in a single-mode Tellurite fiber for amplification,lasing,and slow light generation[J].Lightw Technol,2008,26(5):492-498.[8］AGRAWAL G P.Nonliear fiber optics[M].San Diego:Academic,2001:367-368.。

单模光纤中受激布里渊散射阈值研究_沈一春

文章编号:0258-7025(2005)04-0497-04单模光纤中受激布里渊散射阈值研究沈一春,宋牟平,章献民*,陈抗生(浙江大学信息与电子工程学系,浙江杭州310027)摘要分析和讨论了受激布里渊散射(SBS)阈值计算的Smith 模型和K ng 模型,研究了更为准确估算光纤中布里渊散射阈值的方法,通过布里渊增益系数与光纤长度的关系,发现对于较短长度光纤,其布里渊增益系数随着光纤长度变化范围较大,仅在长距离光纤时,布里渊增益系数才可以近似为常数。

实验测量了25km 单模光纤的受激布里渊散射阈值,推导出用布里渊时域反射仪(BO T DR)测量受激布里渊散射阈值计算公式,最后用布里渊时域反射仪测量了不同长度光纤受激布里渊散射阈值,实验结果与理论分析吻合。

关键词光电子学;单模光纤;布里渊时域反射仪;受激布里渊散射中图分类号 T N 253 文献标识码 AAnalysis and Measurement of Stimulated Brillouin ScatteringThreshold in Single Mode FiberSHEN Y-i chun,SONG M u -ping,ZHA NG Xian -min,CHEN Kang -sheng(D ep artment of I nf or mation and Electr onic Engineer ing ,Zhej iang Univ er sity ,H angz hou,Zhej iang 310027,China)Abstract T he Smit h s mo del and K ng s mo del for calculating the threshold of stimulated Brillouin scattering(SBS)are analyzed and discussed.T he mo re exact method is investig ated.T he r elationship betw een cr itical g ain co efficient and fiber leng th is obtained,w hich show s that the cr itical g ain coefficient can be co nsidered as constant only when f iber lengt h is long enoug h.T he SBS threshold o f 25km sing le mo de fiber is measured by experiment.Finally,the experiment to measure SBS t hr esho ld using Br illouin optica-l time -do main reflecto meter (BOT DR )isdone.T he results are w ell agr eed w ith the t heo retical pr edicat ion.Key words optoelectr onics;sing le mode fiber;Br illo uin optica-l t ime -do main reflect ometer;stimulat ed Brillouinscatter ing收稿日期:2004-02-17;收到修改稿日期:2004-07-06 基金项目:浙江省自然科学基金(M 603127)资助项目。

单模光纤中受激散射效应导致光速变慢研究的开题报告

单模光纤中受激散射效应导致光速变慢研究的开题报告
题目：单模光纤中受激散射效应导致光速变慢研究
研究背景：
在单模光纤中传输光信号时，随着信号的传输距离增加，信号的强度会逐渐减弱，同时还会因为单模光纤中的受激散射效应导致光速变慢。

这些因素都会影响光信号的
传输质量，进而影响网络的稳定性和可靠性。

因此，对单模光纤中受激散射效应导致
光速变慢的研究具有很高的现实意义。

研究内容：
本研究将重点研究单模光纤中受激散射效应导致光速变慢的机理和影响因素，并探讨如何优化单模光纤的设计以减轻受激散射效应的影响。

具体来说，研究内容包括：
1. 单模光纤中受激散射效应的基本原理和数学模型的建立。

2. 对受激散射效应产生的机理进行深入分析。

3. 研究所使用的光纤材料、光纤的长度、波长等因素对受激散射效应的影响。

4. 设计实验并测量受激散射效应对光速的影响。

5. 探究如何利用不同的材料、结构和技术来减轻受激散射效应对光速的影响。

研究意义：
本研究的意义在于对单模光纤中受激散射效应导致光速变慢的机理和影响因素进行深入研究，为优化单模光纤的设计提供理论依据和实验数据，进一步提高网络的稳
定性和可靠性。

预期结果：
通过本研究，我们将得到单模光纤中受激散射效应导致光速变慢的机理和影响因素的深入理解，掌握相关的实验方法和技术，得到与受激散射效应相关的实验数据，
并提出优化单模光纤设计的建议。

这些成果将有望推动单模光纤相关领域的研究进展，为光纤通信技术的发展提供有力支持。

光纤中的紫外受激喇曼散射

光纤中的紫外受激喇曼散射
紫外受激喇曼散射可以说是光纤的重要工作机制，它有助于光传输过程
中的有效消除信号质量下降的不利影响。

紫外受激喇曼散射是一种自发发射
电磁辐射，其中一部分用于发射紫外信号，另一部分在噪声抑制上表现突出。

紫外受激喇曼散射机制可以消除光纤使用过程中出现的非理想条件，这
种条件包括：晶体结构不均匀、光硅器件表面的吸收以及折射率和表面结构
的参差不齐。

这些因素可能会影响信号的发射和接收效果，但紫外受激喇曼
散射在这方面可以扮演非常重要的角色，其表现出的应力消除能力是十分显
著的。

另外，紫外受激喇曼散射可以抑制噪声增强，保持传输路径上的信号质量，改善路径传播特性和增强信号波形。

此外，它还能够去除电磁干扰来改
善射频信号传输性能，从而实现良好的传输效果，轻松完成信号传输。

总之，紫外受激喇曼散射可以抑制信号传输中出现的不良信号，为光纤
技术的发展带来许多方便，保证信号质量的良好发挥，是信号传输中的重要
工作机制。

基于CPO的慢光技术研究及其进展_掺铒光纤

基于CPO的慢光技术研究及其进展_掺铒光纤论文导读:：首先回顾了近10年中的慢光技术研究的发展历程，简要介绍了实现慢光技术的几种方法——EIT、SBS和CPO，重点介绍了CPO产生慢光的原理和取得的最新进展，简要讨论了实用化过程中存在的问题，最后简述了慢光技术研究的应用和发展趋势。

论文关键词：慢光，CPO，光纤，掺铒光纤1 引言随着光通信系统的日益发展，在享受光通信带来的高速、低损耗、安全等等优点的同时，通过采用非线性光学手段以获得慢光引起许多学者广泛的关注，因为光速减慢可能会极大地促进通信系统中光缓存器的发展，是未来实现全光网的关键性技术。

利用EIT方法Kasapi在铅蒸气细胞中观测到群速度为Vg=C/165的光信号，Hau 在Bose-Einstein凝析油中观测到群速度Vg为17m/s的光信号。

Turukhin使用EIT方法在5K的低温掺Pr的Y2SiO5的固体材料中得到45m/s的群速度[1]。

随着研究的进行，人们发现利用受激布里渊散射(SBS)或受激拉曼散射(SRS)能够控制光脉冲在光纤中的传播速度。

2005年KwangYong Song等人在光纤中利用SBS实现了对光速的减慢[2]。

2003年美国Rochester大学的Matthew S．Bigelow实验小组在红宝石和紫翠玉晶体中实现了超慢光，首次在红宝石晶体中使光速最低降低到了57.5m/s。

2003年至2006年间,人们又不断研究和发展了这一技术，使得基于CPO的慢光可以在室温下的掺铒光纤和半导体结构中同样得以实现,大大增强了在实际应用中的可行性。

E．Baldit等人和A．Schweinsberg等人都在2005年利用CP0原理在掺铒光晶体和掺铒光纤中做了相关实验并发表了文章。

其中Baldit等人在掺铒晶体中做出了一个线宽为26Hz的窄烧孔,并把光速最低下降到2.7m/s[3]。

比较各种实现光速操控的方法，可以发现基于CPO原理实现慢光的技术具有非常高的实用价值。

光纤受激拉曼散射的研究的开题报告

光纤受激拉曼散射的研究的开题报告
一、选题背景
光纤受激拉曼散射是一种新型的光学传输技术，它将激光从光纤中传输过程中发生的散射信号转化为分子振动信息，实现了化学成分的检测和分析。

目前，光纤受激拉曼散射技术已成为一项重要的分析化学手段，在材料科学、生命科学、环境科学等领域取得了广泛应用。

二、研究目的
本文旨在探讨光纤受激拉曼散射技术的基本原理及其应用。

通过对该技术的研究和应用，对其进行全面了解，掌握其在不同领域的应用方法和实现过程，并在此基础上对相关问题进行深入研究，提出新的研究方法和思路。

三、研究内容
（1）光纤受激拉曼散射的理论基础
通过对拉曼散射的基本原理和拉曼散射光谱的特性进行分析，探讨光纤受激拉曼散射的发生机制及其特点。

（2）光纤受激拉曼散射的实验装置
介绍光纤受激拉曼散射实验装置的组成和基本原理，介绍光源、光谱仪、光纤探头等设备的选型及其使用方法。

（3）光纤受激拉曼散射技术在不同领域及应用
通过对光纤受激拉曼散射技术在材料科学、生命科学、环境科学等领域的应用进行详细分析，以期深入了解其研究现状、应用前景及存在的问题。

（4）光纤受激拉曼散射技术的应用案例分析
选取光纤受激拉曼散射技术在不同领域取得的应用案例进行详细分析，评估其可行性和效果，总结其优缺点，并提出改进意见和建议。

四、研究意义
本论文旨在对光纤受激拉曼散射技术进行深入研究和分析，对该技术在不同领域的应用进行详细描述，探讨其研究现状、应用前景及存在的问题，以期为相关领域的研究和应用提供科学依据和技术支持，促进该技术的进一步发展和应用。