单模光纤中受激布里渊散射阈值研究
SBS_FOG中受激布里渊散射光偏振特性的理论分析
文章编号:100520086(2001)0420340204SBS-FO G中受激布里渊散射光偏振特性的理论分析3α延凤平,简水生(北方交通大学光波技术研究所,北京100044) 摘要:本文考虑了双折射效应对保偏光纤两个偏振主轴方向上受激布里渊散射(SBS光增益的影响,利用Jones矩阵理论分析了受激布里渊散射光纤陀螺(SBS2FO G)敏感环中在保偏光纤熔接点处进行Η角的偏振主轴旋转后受激布里渊散射光的偏振特性。
得出当Η=90°时,在敏感环中的受激布里渊散射光不仅具有最大偏振度,而且还使其中的两个本征偏振态(ESO P)达到稳定的结论。
关键词:保偏光纤;受激布里渊散射;本征偏振态中图分类号:TN253;O43613 文献标识码:ATheoretica l Ana lysis of Polar iza tion Property of the Sti m ula ted Br illou i nSca tter i ng L ight i n Sti m ula ted Br illou i n Sca tter i ng F iber Optic GyrosYAN Feng2p ing,J I AN Shu i2sheng(Institute of L igh tw ave T echno logy,N o rthern J iao tong U niversity,Beijing100044,Ch ina)Abstract:T he po larizati on degree and po larizati on stability of the eigen state of po larizati on(ESO P)ofthe sti m ulated B rillouin scattering ligh t in the sensing co il w ere theo retically analyzed fo r the sti m ulatedB rillouin scattering fiber op tic gyro s(SBS2FO G)based on the Jones m atrix theo ry and first o rder ran2dom coup ling effect betw een tw o po larizati on axes of the po larizati on m aintaining fiber.T he conclusi onsabout stability of the ESO P and po larizati on degree of the sti m ulated B rillouin scattering ligh t w ere ob2tained.Key words:po larizati on m aintaining fiber;sti m ulated B rillouin scattering(SBS);eigen state of po lariza2ti on(ESO P)1 引 言 光纤陀螺的研究已经进入到第3代,即受激布里渊散射光纤陀螺(SB S2FO G)。
单模光纤SBS阈值的研究
在 传 统 的 光纤 通 信 中 ， 通 常 对 系统 产 生信 噪 比
下降等危害， 所 以人 们 总 是 想方 设 法 抑 制受 激 布里 渊散射 的发生 ］ 。随着对 光纤 传感 器研 究 的深 入 ， 受 激 布 里 渊散 射 在 其领 域 中 占有不 可 或缺 的地 位 ， 人 们越 来 越 意 识 到受 激 布 里 渊散 射 的重要性 ＿ ３ 。 ］ ， 所 以研究受 激 布里 渊散 射 的 阈 值 特 性也 就成 为其 中一 项必 然 的任务 。
ｇｏ Ｌｅ Ｉ ｆ
其中， Ａ 为 光纤 的有 效纤 芯 面 积 ， ｇ 。 为 布 里 渊 增益 峰 值 ， Ｌ 一 型 为 有 效 光 纤 长
发生 非线性 效 应 。因此 将背 向散 射光 迅速 增大
时对 应 的入 射 泵浦 光功 率定 义为 受激 布里 渊 的
阈值 。
度， ａ为光 纤 损 耗 系 数 ， Ｌ 为 光 纤 长 度 。Ｇ 为
》１ 时， Ｌ 一１ ／ ａ ， 则式 （ ２ ） 改写 为 ：
Ｇ
北 京石 油化工 学 院学 报
２ ０ １ ３年第 ２ １卷
的泵浦 光功率 。光 功率计 ２测量 环形 器 ３ 端 背
㈦
向散射 光 的功率 值 。观 察 微 波频 谱 分 析仪 （ 微
阈值 特性 是受 激布 里渊 散射 的重要 特 性之
一
态条件 下 （ 连续 泵浦 光） 考 虑入 射泵 浦光 与背 向 散射光 之 间 的相 互作 用 。考虑 到布 里渊频 移相
对较小 ， 可 以近 似认 为泵 浦 波 和 Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 波有 相 同 的光 纤 损耗 ， 同 时入 射 泵浦 光 和 反 向传输 的
受激布里渊散射(SBS)原理及优化
优化方法及结论
优化方法：
POWSET
在Bias处加一个小的调制电压激光 器的折射率会随电流的变化而变化， 从而导致谱宽展宽。 实现方法： 在POWSET处引人一 飞线，接上一电阻，在其上加入方 波或者正弦波。
DC/DC
POWSET
通过如下几种方法来实现，以选取最佳方案来提高SBS阈值 光功率： 1.加入幅度固定、频率变化的方波。 2.加入幅度变化、频率固定的方波。 3.加入幅度固定、频率变化的正弦波。 4.加入幅度变化、频率固定的正弦波。
改变Iea观察SBS阈值光功率的变化
ECO-P-46043
改变前 DP=3.75
Iea=38mA DP=4.3
Iea=37mA DP=3.99
Iea=33mA DP=3.65
Iea=32mA DP=4.6
Iea=30mA DP=5.03
先增大Iea，SBS阈值功率减小；再减小Iea，SBS阈值功率增大，在33mA时 结论： 最佳，DP也最小。通过改变Iea，使激光啁啾发生变化，从而使SBS的阈值光 功率有很大的提高。
L
eff
1
[1 exp( L)]
影响 因素
•布里渊增益系数 g •纤芯有效面积 Aeff •有效作用长度 Leff •布里渊线宽 B •入射光线宽
P
B
理论方法：
选用谱宽 较宽的 Laser；
Bias调制，改 变激光的波长；
通过改变EA，使激 光器的啁啾改变
介质折射 率
改善 方法
受激布里渊散射原理及优化
Yan Chen 4/10/2013
Contents
1 2 3 4
光纤的非线性
Click to add Title 受激布里渊散射
光纤中受激布里渊散射的性能分析
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
单模光纤受激布里渊散射阈值分析与计算
2009 年第 3 期 No . 3 2009
应用技术
单模光纤受激布里渊散射阈值分析与计算
赵丽娟
(华北电力大学 电子与通信工程系 , 河北 保定 071003)
[ 摘 要 ] 受激布里渊散射是光纤一种非常重要的非线性效应 ,不同光纤的受激布里渊散射阈值不同 。在光 纤通信系统和光纤分布式布里渊传感系统中 ,受激布里渊散射阈值的研究非常必要 。设计并搭建受激布里渊散射 阈值测量系统 ,实验测量了普通通信光纤 ( G. 652) 、大有效面积的非零色散位移光纤 ( G. 655) 在常温时的受激布里渊 散射阈值 。通过阈值测量可知 , G. 655 光纤阈值明显大于 G. 652 光纤 ,所以无论对于光纤通信系统 ,还是自发布里 渊传感系统 ,都应优选 G. 655 光纤 。 [ 关键词 ] 单模光纤 ; 受激布里渊散射 ; 阈值 [ 中图分类号 ] TN818 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 100621908 (2009) 0320024203
3 测量结果
该测量方法采用对光纤的传输光和反向散射光 的测量来确定其受激布里渊散射阈值的大小 。通过 测量得到 G. 652 光纤传输光功率 、反向散射光功率 与入射光功率之间的关系 ,如图 2 所示 ,可见随着入 射光强的增加 ,传输光强也随之迅速增大 ,但是当入 射光功率超过 5. 2 mW 后 ,传输光出现了饱和的趋 势 ;反向散射光随着入射光强的增加缓慢增长 ,但当 入射光功率在 5. 2 mW 附近时 ,反向散射光开始迅 速增加 。受激布里渊散射阈值定义为反向散射光强 开始迅速增加或者传输光强开始出现饱和时的入射 光功率 ,可以测得 G. 652 光纤的受激布里渊散射阈 值约为 5. 2 mW 。使用相同的方法测得 G. 655 光纤
SR 121-2012 单模光纤的受激布里渊散射阈值测试方法
目 录1 概述 ..................................................................... 1 2 缩略语 ................................................................... 1 3 SBS理论 (1)3.1 物理过程 ............................................................ 2 3.2 阈值特性 ............................................................ 2 4 SBS阈值功率的测试装置 . (3)4.1 光源 ................................................................ 4 4.2 掺铒光纤放大器 ...................................................... 4 4.3 可变光衰减器 ........................................................ 4 4.4 光纤偏振控制器 ...................................................... 4 4.5 耦合器和环形器 ...................................................... 5 4.6 耦合器尾纤与接续 .................................................... 5 4.7 端口C光纤连接 ....................................................... 5 4.8 功率计 .............................................................. 6 5 测试程序 .. (6)5.1 反射功率测试 ........................................................ 6 5.2 输入功率测试 ........................................................ 7 6 系统测试的重复性 ......................................................... 7 7 SBS阈值定义 .. (7)7.1 定义A ............................................................... 9 7.2 定义B ............................................................... 9 8 测试结果的分析和计算 .. (9)8.1 采用定义A时的数据分析 ............................................... 9 8.2 采用定义B时的数据分析 .............................................. 10 8.3 测试和计算的重复性 ................................................. 10 8.4 试验数据与理论计算 ................................................. 11 8.5 dBm与mW的转换 ...................................................... 11 8.6 长度归一化 ......................................................... 11 8.7 衰减归一化 ......................................................... 13 9 结果 .................................................................... 13 参考文献 (14)电话：82054513 h t t p ://w w w .p t s n .n e t .c n单模光纤的受激布里渊散射阈值测试方法简介：本研究报告参考了ITU-T G.650.2(2007)中对于受激布里渊散射阈值的定义和测试方法，基于实际的测试实验结果，给出了受激布里渊散射阈值功率的两种定义方法和对应的实验装置仪器，并详细说明了测试过程中的具体操作及要求。
11-受激布里渊散射对光纤的影响分析
" ）相位调制法。光纤中的 ’(’ 阈值跟泵浦光
［ %) ］ 的线宽有关 ， 对于有多个泵浦频率分量的情况，
当各个频率之间的距离远大于布里渊增益谱宽时， ’(’ 阈值仅取决于功率最高的频率分量， 因此通过 相位调制使泵浦光功率分散在不同的频率分量上， 可以有效地提高 ’(’ 阈值。已有文献报道采用对 泵浦光进行相位调制的方法， 将光功率分散到多个 频率分量上来达到这一目的。王青等人提出一种二
"L # !S ! !J !L U "S V （ V "J ） 其中 " S 和 " J 分别是泵浦光和布里渊散射光的波 矢， ! L 是声波的波矢。声波的频率 " L 和波矢 ! L 满足色散关系 "L U #L !L # L 是介质中的声波速度。因为 " S 和 " J 几乎相等， 所以布里渊频移可以近似表示为
［ #) ］
在被动调 9 激光腔中插入声光调制器 （ ?@< ） 构成 主被动混合调 9 激光器。这种混合调 9 的方法既 保持了声光调制器主动调 9 激光器输出脉冲序列 重复频率低而且稳定的特点， 又发挥了瑞利散射和 受激布里渊散射被动调 9 机制动态速度快、 输出脉 冲宽度窄的优势。 布里渊光纤激光器一般采用高精度的全光纤无 缘环形谐振腔来实现低阈值和高转换效率， 布里渊 光纤环形激光器是一种线宽极窄的高相干光源， 具 有频率稳定、 增益方向性敏感等优点， 在温度传感 器、 窄 带 放 大 器、 相干光学通讯等领域有重要应
单模光纤中的后向布里渊散射理论模型
一．问题界定与描述1. 受激散射与自发散射在自发散射中，散射的发生是由于材料的光学性质自发微扰而形成的，并且这种自发微扰主要是由于热力学量的随机涨落而形成的。
因此，在自发散射中，认为入射的光场并不影响材料的光学性质。
自发布里渊散射（Spontaneous Brillouin Scattering ，SpBS ）就可能是材料中的压力随机扰动造成的。
在受激散射中，光强足够强以至于能够改变材料的光学性质从而产生比较强的散射。
受激布里渊散射（SBS ）可以描述为：入射光（频率为1ω）与自发产生的散射光（频率为2ω）相干涉产生一个12ωω-的干涉频率项，通过材料的某一物理机制，材料对这一干涉频率项产生响应，该响应可作为声波场的源，激励声波，使得材料的光学性质发生改变，进一步加强散射效果。
2. 受激布里渊散射的机制在SBS 中，有两种物理机制能够使得信号光和散射光干涉之后能够驱动声波。
一种机制是电致伸缩效应；一种机制是光吸收效应。
粗略地讲，电致伸缩效应是指材料在高光强的区域会变得更加密集；而光吸收效应是指材料在高光强的区域会发生膨胀。
由于电致伸缩响应要比光吸收效应要普遍得多，并且在光纤中，光吸收效应可以忽略不计，因此在光纤中，一般只考虑基于电致伸缩效应的SBS 。
3. 前向SBS 和后向SBS在一般的理论描述中，认为在光纤中只有后向的布里渊散射光，而无前向布里渊散射光。
这实际上是不正确的。
在光纤中也存在前向的布里渊散射光。
在本文中我们只讨论后向布里渊散射光。
这样，我们所描述的对象就是光纤中的基于电致伸缩效应的后向布里渊散射。
二．布里渊散射的热力学理论1. 基本理论我们从宏观的热力学理论的角度来讨论材料的光学性质的改变。
热力学量包括密度ρ、温度T 、熵S 、压强P 。
一般认为，温度与密度为一对独立的热力学量，熵与压强为一对热力学量。
对于非混合的材料，材料相对介电常数r ε仅为密度ρ和温度T 的函数，即(,)r r T εερ=。
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。
单模光纤SBS阈值的研究
单模光纤SBS阈值的研究
单模光纤SBS 阈值的研究
孙丽妍1，2，黄民双2，黄军芬2，龙腾宇2
【摘要】研究了阈值增益系数与光纤长度的关系，计算了受激布里渊散射的理论阈值。
设计并搭建了受激布里渊散射阈值测量系统，在常温状态下对5 km SMF28 的受激布里渊散射阈值进行了测量，测得的阈值为7 mW，这与受激布里渊散射的经典阈值估算模型计算所得的结果存在一定差异。
研究其时域特性并分析了偏振态对受激布里渊散射的影响，得到实验系统修正后的阈值计算公式。
【期刊名称】北京石油化工学院学报
【年(卷),期】2013(021)002
【总页数】4
【关键词】阈值；受激布里渊散射(SBS)；时域特性；偏振态
受激布里渊散射是光纤中重要的非线性特性［1］，不同条件下受激布里渊散射的阈值不同。
在传统的光纤通信中，通常对系统产生信噪比下降等危害，所以人们总是想方设法抑制受激布里渊散射的发生［2］。
随着对光纤传感器研究的深入，受激布里渊散射在其领域中占有不可或缺的地位，人们越来越意识到受激布里渊散射的重要性［3-4］，所以研究受激布里渊散射的阈值特性也就成为其中一项必然的任务。
阈值特性是受激布里渊散射的重要特性之一，当光纤的入射泵浦光的功率较小时，光纤中不会产生非线性现象，输出的光功率与入射光功率成线性变化。
当入射泵浦光功率增大到一定值时，光纤中就会产生非线性效应。
由于受激布里渊散射具有低阈值的特性，所以很容易发生非线性效应。
因此将背向散射光迅。
单模光纤参数对布里渊散射阈值的影响
单模光纤参数对布里渊散射阈值的影响王菊巍;薛乐梅【摘要】Both Spontaneous Brillouin scattering model and stimulated Brillouin scattering model are applied for the analysis of the threshold for stimulated Bdllouin scattering in short and long SMF respectively at 1550nm communication window.For short distance transmission the dependency of the threshold exponential gain on fiber numerical aperture and fiber length is studied.%应用自发布里渊散射模型和受激布里渊散射模型,在1550nm通信窗口,分别对短距离和长距离普通单模光纤中的布里渊散射阈值进行了研究.对于短距离传输,分析了自发布里渊阈值增益系数与光纤数值孔径以及有效长度的依赖关系.【期刊名称】《光通信技术》【年(卷),期】2013(037)006【总页数】4页(P56-59)【关键词】单模光纤;布里渊散射;阈值增益系数【作者】王菊巍;薛乐梅【作者单位】青海大学基础部,西宁810016;兰州理工大学理学院,兰州730050;青海大学基础部,西宁810016【正文语种】中文【中图分类】TN929.110 引言受激布里渊散射 (stimulated Brillouin scattering,SBS)过程是一种受激的非线性过程，是泵浦波、斯托克斯波与声波之间的相互作用[1]。
SBS阈值是非常低的，所以布里渊散射是光纤中主要存在的一种非线性效应。
Smith从理论上估算出了SBS阈值的方法，这种计算方法是建立在大损耗光纤当中的，而它并不适用于当今低损耗的光纤系统中。
光纤放大器中的受激布里渊散射阈值
型 ， 论 仿 真 了信 号 带 宽 、 芯 直 径 、 大 器 增 益 对 Ｓ Ｓ阈 值 的影 响 ， 从 实 验 上 研 究 了 单 频 百 纳 秒 脉 冲 信 号 理 纤 放 Ｂ 并
在 掺 镱 双包 层 光 纤 放 大 器 中 的受 激 布 里 渊散 射 现 象 。实 验 中输 入 脉 冲信 号 重 复 频 率 １Ｈｚ脉 宽 ２ ０Ｙ ， 不 ， ０ Ｉ 对 Ｓ 同 的输 入 脉 冲 信 号 放 大 ， 向放 大 脉 冲在 脉 冲 能 量 ６ ０ｎ 、 值 功 率 ３ ３Ｗ 时 出 现 畸 变 ， 生 后 向 Ｓ Ｓ窄 脉 前 ６ Ｊ 峰 ． 产 Ｂ 冲 ， 到 了 Ｓ Ｓ阈 值 ， 验计 算 的 Ｓ Ｓ阈值 与 理 论 分 析 结 果 基 本 一 致 。 达 Ｂ 实 Ｂ
器动 态增 益 和 分 别为信 号 光和 一级 Ｓｏ ｅ 光频 率 。 ｔｋ ｓ
（ １ ） （ ２ ）
式中： 为光 纤背 景损 耗 （ 不包 括 Ｙｂ 的衰 减 ）Ａ 抖 ； 为光 纤有 效纤 芯 面积 ； 为 布里 渊增益 峰值 ； （ ，） 放 大 ｇ ｇ ｚ 为
由于 Ｓ Ｓ是 由 自发 布里 渊散射 噪声发 展起 来 的 ， 以可假 设 在 ｚ Ｂ 所 —Ｌ处 注入 一频率 为 一ｖ 的虚 拟光子 ， ｓ
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＩＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ１ ２ ． ３，ＮＯ ９ ．
Ｓｅ ｐ．，２０ １ １
文 章 编 号 ： ｌ Ｏ 一 ３ ２ ２ ｌ ） ９２ ０ —４ Ｏ ｌ４ ２ （ ｏ １ ０ — ４ ５０
光 纤 放 大 器 中的 受激 布 里渊 散射 阈值
等效 噪声 功率 为 Ｐ ｌ ， 边 界条件 为 ｇ 有 ］
光纤受激布里渊散射的光信号特性分析
光纤受激布里渊散射的光信号特性分析张聪;余文峰;夏珉;杨春华【摘要】In order to study effect of pulse width of pump light on Brillouin scattering light , three-wave coupling equations of stimulated Brillouin scattering in optical fiber sensing system were researched .The approximate expressions of scattering light were deduced based on frequency domain analysis and perturbation approximation theory .The influence of pulse width on Brillouin spectrum was analyzed through numerical calculation .The results show that a multi-peak structure of Brillouin scattering spectrum is gotten when the width is close to20ns(phonon lifetime).When the width is more and more close to 40ns, the main peak increases and the sub-peak decreases gradually .When pulse width is far greater than phonon lifetime , scattering spectrum appears only one peak and maintains a constant peak .The study gives references for the choose of suitable pulse width in sensing.%为了研究抽运光的脉冲宽度对布里渊散射光的影响，对光纤传感系统中基于受激布里渊散射的三波耦合方程进行了分析，采用频域分析和一种微扰近似理论推导了散射光的近似表达式，然后通过数值计算分析了散射光随着脉冲宽度的变化规律。
激光线宽对光纤受激布里渊散射阈值的影响
激光线宽对光纤受激布里渊散射阈值的影响张永宁;张明江;刘毅;张建忠;刘慧;王云才【摘要】理论分析了线宽对受激布里渊散射阈值的影响,使用噪声信号直接调制分布反馈半导体激光器构成可调线宽激光光源,搭建了受激布里渊散射阈值测量系统.结果表明,可调线宽激光的频谱与所使用的噪声信号的频谱类似,光谱与分布反馈半导体激光器输出光的光谱相比明显展宽.当可调线宽激光光源使用400 mV噪声信号进行调制时,长度为900 m单模光纤的受激布里渊散射阈值为616 mW,与使用DFB激光器测量的106 mW阈值相比,提高了7.6 dB.因此,可调线宽激光光源可以提高光纤的受激布里渊散射阈值,增加长距离光纤通信和光载电能传输系统中的光功率.【期刊名称】《深圳大学学报（理工版）》【年(卷),期】2016(033)001【总页数】7页(P89-95)【关键词】光纤非线性效应;受激布里渊散射;噪声调制;可调线宽激光光源;光纤通信;光载电能传输【作者】张永宁;张明江;刘毅;张建忠;刘慧;王云才【作者单位】新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原030024;太原理工大学物理与光电工程学院,光电工程研究所,山西太原030024;新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原030024;太原理工大学物理与光电工程学院,光电工程研究所,山西太原030024;新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原030024;太原理工大学物理与光电工程学院,光电工程研究所,山西太原030024;新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原030024;太原理工大学物理与光电工程学院,光电工程研究所,山西太原030024;新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原030024;太原理工大学物理与光电工程学院,光电工程研究所,山西太原030024;新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原030024;太原理工大学物理与光电工程学院,光电工程研究所,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】O437.2【光电工程 / Optoelectronic Engineering】随着光纤通信技术的发展，光纤传输距离越来越长，传输容量越来越大，这就要求尽可能增加入射到光纤中的光功率；同时，随着光载电能传输(power over fiber, PoF)系统的提出，使用光纤传输电能为远距离的电子器件进行供电成为研究热点之一[1-3]. 但是由于光纤非线性效应的影响[4-7]，当入射光功率超过光纤的非线性阈值时，光在光纤中传输时会受各种非线性效应的影响，其中，受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering, SBS) 效应使光纤的透射光功率出现饱和，即当入射光功率增加时，透射光功率不再增加，而后向散射光的功率随入射光功率的增加而增加. 因此，入射到光纤中的光功率一般小于光纤的受激布里渊散射阈值，但是长距离光纤的受激布里渊散射阈值非常低，仅有几毫瓦[2]，这就使得长距离传输光纤末端的输出光信号非常微弱，对光信号的检测、解调及PoF系统中的光电转换有很大影响. 为提高长距离传输光纤末端的光信号功率，同时满足入射光功率小于光纤受激布里渊散射阈值的要求，最简单直接的办法就是提高光纤的受激布里渊散射阈值，为此，研究提出多种提高光纤受激布里渊散射阈值的方案[8-9]，包括相位调制法[10-11]、频率抖动法[12]、沿光纤引入参量变化[13]及改变光纤横向声学特性[14]等.本研究使用噪声信号直接调制分布反馈(distributed feedback, DFB)半导体激光器构成可调线宽激光光源(linewidth variable laser source, LVLS)，从而改变光纤的受激布里渊散射阈值，达到在满足入射光功率小于光纤受激布里渊散射阈值的情况下，提高长距离传输光纤末端光信号功率的目的. 实验中可调线宽激光光源使用400 mV的噪声信号进行调制时，长度为900 m单模光纤的受激布里渊散射阈值为616 mW，与使用DFB激光器测量的106 mW阈值相比，提高了7.6 dB. 本方案与之前使用相位调制等方法[10-14]相比，结构简单实用，仅需在原有系统上添加一个白噪声信号源即可实现；同时可以根据需要灵活调节光源线宽，从而改变光纤的受激布里渊散射阈值，满足不同的实际需要.光在光纤中传输时，入射光波与光纤中声学声子的相互作用使得后向散射光中产生与入射光波频率有偏差的散射光，即布里渊散射光. 当入射光功率较小时，后向散射光中会同时产生频率下移的斯托克斯布里渊散射光和频率上移的反斯托克斯布里渊散射光[15]. 入射光功率逐渐增加至超过某一阈值时，后向散射光中的布里渊斯托克斯散射光分量随入射光功率的增加而急剧增加，而布里渊反斯托克斯散射光和瑞利散射光几乎保持不变，定义此时的入射光功率为光纤的受激布里渊散射阈值. 受激布里渊散射的理论分析有Smith模型和Küng模型[16]，通常情况下，阈值估算都可以使用以下的通用计算模型Leff=[1-exp(-αL)]/α式(1)中阈值增益系数G在Smith模型和Küng模型中都被近似为定值，其表达式为根据式(1) 至式(3)，本研究对受激布里渊散射阈值随光纤长度和激光线宽的变化进行仿真. 其中，仿真参数设置如下：入射光中心波长λ=1 550 nm；νB=10.8GHz；g0=2.0×10-11 m/W；ΔνB=30 MHz； K=2.0；k=1.38×10-23 J /K；T=300 K；声子寿命TB=10 ns；Γ=1/TB；SiO2单模光纤的模场直径d=9 μm；光纤长度L=1.0 km.图1为仿真得到的受激布里渊散射阈值随光纤长度和激光线宽的变化关系. 图1(a)表明受激布里渊散射阈值随光纤长度的增加先急剧减小，当光纤长度超过一定值后，受激布里渊散射阈值基本保持不变；对于同一长度的光纤，受激布里渊散射阈值随激光线宽的增加而增大. 图1(b)表明对于固定长度的SiO2单模光纤，受激布里渊散射阈值随入射光线宽的增加而线性增加.受激布里渊散射阈值测量的实验装置如图2. 噪声信号直接调制DFB激光器构成可调线宽激光光源，DFB激光器的中心波长为1 550.72 nm，由任意波形发生器产生的带宽为20 MHz的噪声信号进行直接调制，输出光功率约为700 μW，经掺铒光纤放大器(erbium-doped optical fiber amplifier，EDFA)1、光纤布拉格光栅滤波器(fiber Bragg grating, FBG)、扰偏器(polarization scrambler, PS)进入高功率掺铒光纤放大器2(EDFA2). 光纤布拉格光栅滤波器用于滤除EDFA1的放大自发辐射(amplified spontaneous emission, ASE)噪声；扰偏器的扰偏速率为700 kHz，扰偏后光的偏振度<5%，光源输出的激光经扰偏后消除了偏振态对受激布里渊散射阈值的影响；EDFA2用于进一步放大光功率，确保待测光纤中能够发生受激布里渊散射. 实验中使用两个光放大器是因为EDFA2的输入光功率范围为1～10 mW，DFB激光器输出光功率不能达到EDFA2可以工作的最低输入值，所以需要EDFA1先进行预放大. EDFA2的输出光经光环形器(optical circulator, OC)进入待测光纤(fiber under test, FUT)，待测光纤为900 m单模光纤，型号为G 655. 待测光纤的末端浸入折射率匹配液中，消除末端的菲涅尔反射，待测光纤的后向散射光经OC进入50∶50 的光耦合器中，输出光分别进入光功率计(power meter, PM)和光谱分析仪(optical spectrum analyzer, OSA).图3为噪声调制幅值为100 mV时，可调线宽激光光源输出光的频谱和光谱与DFB激光器输出光的频谱和光谱对比. 从中可以看出，两者之间存在明显区别. 图3(a)中的频谱是由激光经12 GHz光电探测器转换为电信号后，通过频谱分析仪(Agilent N9020A)测量的功率谱，表明输出光的光强变化情况，图中仅给出0～50 MHz的低频部分是因为40 MHz以上的可调线宽激光光源的频谱和DFB激光器的相同，所以只给出了两者之间存在差异的频段，以突显两者之间的差别.图3(a)清晰表明，可调线宽激光光源输出光的频谱在0～25 MHz范围内明显高于DFB激光器输出光的频谱，这说明可调线宽激光光源的输出光强一直在微小抖动. 图3(b)中的光谱由分辨率为1.12 pm的高分辨率光谱仪(Apex AP2041B)测得，从中可见，可调线宽激光光源输出光的光谱与DFB激光器的光谱整体相似，均为单波长输出并且中心波长相同，但是图3(b)中的插图表明可调线宽激光光源的光谱明显宽于DFB激光器的光谱，所以由噪声信号直接调制DFB激光器构成的可调线宽激光光源可以在保持DFB激光器单波长输出的情况下，展宽输出光的线宽，并且这种展宽仅对频谱的低频段有影响，对高于40 MHz的频段，可调线宽激光光源的频谱与DFB激光器的频谱相同.用延时自外差法(delayed self-heterodyne interferometer, DSHI)详细测量可调线宽激光光源的线宽和噪声信号幅值的关系如图4. 图4(a)为噪声幅值为100 mV 时，可调线宽激光光源输出光经延时自外差法测得的拍频谱，红色曲线是对拍频谱进行洛伦兹拟合得到的. 之所以对延时自外差法测得的拍频谱进行洛伦兹拟合，是考虑到半导体激光器的线型大多为洛伦兹型，而且两个洛伦兹线型的激光进行拍频，其结果也为洛伦兹型，且拍频谱的半高全宽(full width at half maximum, FWHM)为待测激光线宽的两倍[18-20]，图4(a)中拍频谱的半高全宽为111.89 MHz，所以此时可调线宽激光光源输出光的-3 dB线宽为55.95 MHz. 图4(b)表示噪声调制幅值改变时，可调线宽激光光源输出光线宽的变化情况，图中激光线宽随噪声幅值近似呈指数变化.噪声调制幅值为0 mV表示DFB激光器自由运转，此时激光线宽为2.43 MHz；噪声调制幅值为400 mV时，可调线宽激光光源的线宽最大，为379.89 MHz.图5为噪声幅值100 mV，由分辨率为0.02 nm的光谱仪(Yokogawa AQ6370C)测得的后向散射光谱随入射光功率增加的变化. 可见，入射光功率较低时，待测光纤的后向散射光中存在瑞利散射光、布里渊斯托克斯光和布里渊反斯托克斯光3个光频分量，并且布里渊斯托克斯光和反斯托克斯光对称的分布在瑞利散射光的两侧. 图5中瑞利散射光和布里渊斯托克斯光之间的频差为0.087 nm，故待测光纤的布里渊频移约为10.864 GHz. 图5曲线的整体变化趋势表明，当入射光功率较低时，随着入射光功率的增加，后向散射光谱整体升高，但是当入射光功率超过一定阈值后，瑞利散射光和布里渊反斯托克斯光不再增加，而布里渊斯托克斯光的功率随入射光功率的增加而急增，表明已经发生受激布里渊散射.实验还研究了不同噪声幅值下，可调线宽激光光源的后向散射光功率随入射光功率的变化，如图6(a). 可见，改变可调线宽激光光源的噪声调制幅值，受激布里渊散射阈值也发生变化. 使用DFB激光器作为光源时，900 m单模光纤的受激布里渊散射阈值为106 mW；而使用噪声调制幅值为400 mW的可调线宽激光光源作为测量系统的光源时，受激布里渊散射阈值提高为616 mW，与之前相比提高了7.6 dB. 图6(b)为受激布里渊散射阈值与可调线宽激光光源输出光线宽之间的关系. 可见，受激布里渊散射阈值随激光线宽的增加而增加，呈现类似负指数的分布，即受激布里渊散射阈值的增加幅度随激光线宽的增加逐渐变小. 实验中测得的受激布里渊散射阈值与可调线宽激光光源输出光线宽近似呈负指数的关系，与仿真得到的线性关系相差较大，这是因为可调线宽激光光源输出光的线宽与所用噪声调制信号的幅值呈指数关系，如图4(b). 同时仿真中所使用的布里渊散射光线宽为典型固定值30 MHz，而实际测量时发现，布里渊散射光线宽随入射光线宽的变化而变化. 所以实际测得的受激布里渊散射阈值随激光器线宽的变化并不是呈线性的，而是类似于负指数的变化.本实验使用噪声信号直接调制DFB激光器构成可调线宽激光光源，虽然具有结构简单实用，可以灵活调节输出激光线宽的优点，但同时存在激光线宽不能无限展宽的缺点，即施加噪声信号的幅值是有限制的，这种限制是由DFB激光器的阈值电流、最大工作电流和偏置电流共同决定的；噪声信号直接调制DFB激光器时，信号是直接加载于激光器的偏置电流上的，引起偏置电流的抖动，进而引起激光器内部PN结中载流子浓度的涨落．载流子浓度的变化造成了DFB激光器有源区折射率的变化，从而引起刻蚀在有源区的光栅参数的变化，由此造成了激光器输出中心波长的抖动，在宏观上观察就是激光器线宽的展宽. 本实验中所使用的DFB激光器阈值电流为20 mA，最大工作电流为40 mA，所以偏置电流的抖动范围为20～40 mA，实验中设置的偏置电流为30 mA，可以实现的最大抖动幅值为20 mA，DFB激光器的内部电阻约为25 Ω，所以噪声信号的最大幅值为500 mV (20mA×25 Ω = 500 mV)，超过500 mV的噪声信号有可能引起DFB激光器的损坏. 实验为确保DFB激光器的安全，施加的噪声信号最大为400 mV，所以本实验可以实现光源的最大线宽为379.89 MHz.利用噪声信号直接调制DFB激光器构成可调线宽激光光源，实现激光线宽的灵活可控，从而可以改变光纤传输系统中受激布里渊散射的阈值. 理论分析了光源线宽对受激布里渊散射阈值的影响，搭建了基于可调线宽激光光源的受激布里渊散射阈值测量系统. 实验结果表明，可调线宽激光光源输出光的频谱与所使用的噪声信号的频谱类似，光谱与DFB激光器输出光的光谱相比明显展宽. 可调线宽激光光源输出光线宽与所用的噪声信号幅值呈指数关系. 当可调线宽激光光源使用400 mV的噪声信号进行调制时，900 m单模光纤的受激布里渊散射阈值为616 mW，与使用DFB激光器测量的106 mW阈值相比，提高了7.6 dB. 对于光通信系统，本研究所提出的可调线宽激光光源方案因为只对频谱的低频段有影响，因此可以在保证通信系统原有性能的条件下，提高入射光功率，增加通信距离，减小光纤末端信号的解调难度，同时还可以节省成本，减少光纤通信网络中光放大器的数量等；对于PoF系统，本方案因为只需对原有的DFB激光器进行直接调制就可实现透射光功率增加7.6 dB，系统结构简单，并且可以充分利用已有的光纤网络，因此可以使PoF系统更具实用性.。
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文章编号:025827025(2005)0420497204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3,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 üng 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 TDR )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 TN253 文献标识码 AAnalysis and Measurement of Stimulated Brillouin ScatteringThreshold in Single Mode FiberSH EN Y i 2chun ,SON G Mu 2ping ,ZHAN G Xian 2min ,C H EN Kang 2sheng(De partment of I nf ormation and Elect ronic Engineering ,Zhej iang Universit y ,H angz hou ,Zhej iang 310027,China )Abstract The Smith ′s model and K üng ′s model for calculating the threshold of stimulated Brillouin scattering (SBS )are analyzed and discussed.The more exact method is investigated.The relationship between critical gain coefficient and fiber length is obtained ,which shows that the critical gain coefficient can be considered as constant only when fiber length is long enough.The SBS threshold of 25km single mode fiber is measured by experiment.Finally ,the experiment to measure SBS threshold using Brillouin optical 2time 2domain reflectometer (BO TDR )is done.The results are well agreed with the theoretical predication.K ey w ords optoelectronics ;single mode fiber ;Brillouin optical 2time 2domain reflectometer ;stimulated Brillouin scattering 收稿日期:2004202217;收到修改稿日期:2004207206 基金项目:浙江省自然科学基金(M603127)资助项目。
作者简介:沈一春(1979—),男,江苏南通人,浙江大学信息与电子工程学系博士研究生,主要从事光纤光子学方面的研究。
E 2mail :syczju @ 3通信联系人。
E -mail :zhangxm @1 引 言受激布里渊散射(SBS )是一种光纤内发生的非线性过程,抽运波通过电致伸缩产生声波,然后引起介质折射率的周期性调制。
抽运引起的折射率光栅通过布拉格衍射抽运光,由于多普勒位移与声速移动的光栅有关,散射光产生了频率下移,形成了斯托克斯波[1]。
受激布里渊散射是光纤中的一种常见的非线性现象,通常会对光通信系统造成危害[2～4]。
但近些年来,光纤中的受激布里渊散射在激光器、放大器、滤波器、传感器等许多领域的应用引起了人们极大的关注[5～9]。
光纤中布里渊散射一旦达到阈值,受激布里渊散射将把绝大部分输入功率转换为后向斯托克斯波。
因而研究光纤中的布里渊散射阈值显得十分必要。
Smit h 提出了布里渊散射阈值的理论估算法[10],由于当时光纤损耗较大,这样的理论估算法应用于现在低损耗光纤并不准确。
传统上测量光纤中布里渊散射阈值的系统搭建比较复杂,而且不适合野外作业。
C. C.Lee 等[11]提出了使用布里渊时域反射仪(BO TDR )测量光纤中布里渊散射阈值的简单方法,但使用的理论模型中将布里渊第32卷 第4期2005年4月中 国 激 光C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERSVol.32,No.4April ,2005增益系数近似为一常数,有一定的误差,而且不能方便测量不同长度光纤的受激布里渊散射阈值。
本文从理论上分析了光纤中布里渊散射准确的理论模型,在此基础上推导出使用布里渊时域反射仪测量不同长度光纤受激布里渊散射阈值时的计算公式,最后利用布里渊时域反射仪和已知阈值的25km 康宁标准单模光纤测量出不同长度的中天光纤受激布里渊散射阈值,测量结果与理论分析值吻合。
2 理论分析人们对光纤中布里渊散射阈值作了很多理论分析,继Smit h之后Küng又经实验研究后提出了增益模型[12]。
但是,所有这些阈值估算都可以用一个通用计算模型P th=GA eff/g0L eff,(1)其中P th为布里渊散射阈值,G为阈值增益系数,A eff 为光纤有效截面积,g0为布里渊增益峰值,光纤有效长度L eff为L eff=[1-exp(-aL)]/a,(2)其中a为光纤损耗系数,L为光纤长度。
影响光纤中布里渊散射阈值有很多因素,除了与光纤长度、面积有关外,还与激光器的波长等很多因素有关。
在(1)式中,应该在阈值增益系数G中体现出来。
但无论在Smith还是Küng的理论分析中都将G近似为一常数,而更为准确的阈值增益系数应为[12]G≈ln 4A effνB-G3/2π1/2g0k TΓν0L eff,(3)式中νB为布里渊频移,-G≈21,k为玻尔兹曼常数,T 为绝对温度,Γ为声子衰减速率,ν0为抽运波频率。
从(3)式可以看出,阈值增益系数G并不是一个常数,与很多因素有关,其中包括光纤长度。
但对于长距离光纤,这时aLµ1,(3)式为G≈ln 4aA effνB-G3/2π1/2g0k TΓν0。
(4)从(4)式可以看出,这时阈值增益系数G与光纤长度并没有关系,在一定的条件下近似为一常数。
图1为阈值增益系数G随光纤长度的变化关系。
这里的计算参数为,抽运波长λ=1.55μm,单模光纤模场直径d=9μm,布里渊频移νB=11GHz,布里渊增益峰值g0=2×10-11m/W,绝对温度T=330K,声子寿命T B=10ns,声子衰减速率Γ=1/T B。
从图中可以看出,阈值增益系数G不是Smith提出的常数21或Küng认为的小一些的数值,而是随着光纤长度的增大而减小。
随着光纤长度的增加,G的减小幅度越来越小,光纤长度大于一定长度后,阈值增益系数G几乎保持不变,其值可由(4)式求出。
在一定条件下,当知道光纤长度后可由图1查出或由(3)式计算出阈值增益系数G,代入(1)式就可以估算出光纤中受激布里渊散射的阈值。
图1阈值增益系数与光纤长度的关系Fig.1Critical gain coefficient G versus fiber length3 实验结果与分析首先测量25km康宁公司的SM F228单模光纤的受激布里渊散射阈值,实验原理如图2所示。
激光器发射的1550nm抽运光经过掺铒光纤放大器(EDFA)放大后通过3dB耦合器进入25km的单模光纤,功率计B用来监测入纤抽运光功率。
抽运光进入光纤后由于布里渊散射效应,产生斯托克斯光,通过3dB耦合器耦合到A端,在A处利用光谱分析仪分析,观测后向斯托克斯波频谱和测量功率。
在光纤中产生的瑞利散射也会进入到A处,实验中将Agient86141B光谱分析仪设定为滤波器模式,带宽为0.07nm,来减小瑞利散射带来的影响。
光纤末端的传输功率用功率计C测量。
在B,C之前,为了防止功率过大对功率计造成损害,分别加入了100∶1和100∶10的固定衰减器。
图2实验系统框图ISO:光隔离器;VOA:可调光衰减器;OSA:光谱分析仪;SMF:标准单模光纤;B,C:功率计;1,2:衰减器Fig.2Experimental setupISO:Isolator;VOA:Variable optical attenuator;OSA:Optical spectrum analyzer;SMF:Single mode fiber;B,C: Powermeters;1,2:Attenuator通过实验测得25km康宁公司的SM F228单模894中 国 激 光 32卷 光纤的受激布里渊散射阈值为6mW 。
图3为实验中测得的斯托克斯光与入纤抽运光功率的关系。
图3斯托克斯光与入纤抽运光功率的关系Fig.3Stokes power versus launching power光纤中受激布里渊散射阈值是由其布里渊增益频谱决定的,故可以通过测量光纤中的布里渊增益频谱来测量布里渊散射阈值。
而布里渊光时域反射仪用于测量光纤中自发布里渊散射频谱,受激布里渊增益频谱可由其推出,因此利用布里渊时域反射仪可以测量光纤中的布里渊散射阈值,实验装置如图4。
实验中布里渊光时域反射仪为日本Ando 公司生产的AQ8063,其空间分辨率为5cm ,测量精度为±0.005%。
布里渊时域反射仪利用光纤中布里渊散射现象,通过自相干检测,可以测得沿整个光纤后向斯托克斯光功率分布和其布里渊增益频谱。
25km 的标准单模光纤A 通过连接器与需要测量的单模光纤B 连接,为了减少光纤末端的反射对布里渊阈值的影响,将光纤的末端浸入匹配液,然后利用布里渊时域反射仪对光纤的正向和负向进行测量,得到自发布里渊散射后向斯托克斯光功率沿光纤的图4测量光纤受激布里渊散射阈值的实验装置图Fig.4Experimental setup for S BS threshold measurementof fibers using BOTDR分布P +s (z )和P -s (z ),其值可以表示为[13]:P +s (z )=P 0exp (-2az )a B S ×(c/n )・W /2,(5)P -s (z )=P 0exp [-2a (l -z )]a B S ×(c/n )・W /2,(6)式中P 0为输入脉冲光功率,c 为真空中光速,n 为光纤折射率,W 为脉冲宽度,l 为光纤总长度,a B 为布里渊散射损耗系数,可以表示为a B =8π2cn 2k T ΔνB g 03νBλ3K ,(7)式中ΔνB 为布里渊频谱宽度,λ为入射光波长,K 为偏振极化系数,其值在0～1之间,由抽运波和斯托克斯波的偏振极化匹配度决定,即当抽运波和斯托克斯波偏振极化方向相同时为1,相反时为0。