光 通 信 技 术V o l.23 O PT I CAL COMM U N I CA T I ON T ECHNOLO GY N o.1 中国电信技术类核心期刊 受激布里渊散射对光纤传输系统特性的影响α 王晖 谢世钟 谢 涌 吴小萍 孙成城 周炳琨(清华大学电子工程系北京100084) 摘要 受激布里渊散射(SB S)是光纤传输系统中一种重要的非线性效应,它限制了光纤中的光功率。文中主要讨论了SB S的阈值特性与光源静态线宽及光源调制类型的关系,并通过实验进行了验证。同时,还研究了SB S效应对系统误码率特性的影响。所得结果可为系统设计工作中考虑SB S的影响提供一定依据。 关键词 受激布里渊散射 光纤传输系统 Effect for Character istic of Optica l F iber Tran s m ission Syste m due to Sti m ula ted Br il-lou i n Sca tter i ng W ang Hu i,X ie Sh izhong,X ie Y ong,W u X i aop i ng,Sun Chengcheng, Zhou B i ngkun Tsi nghua Un iversity,Be ij i ng100084 Abstract Sti m u lated B rillou in Scattering(SB S)one of i m po rtan t non linear op tical ef2 fects in op tcal fiber tran s m issi on system,it li m its the op tical pow er that can be tran s m it2 ted th rough fiber.In th is p aper,the relati on sh i p of SB S th resho ld characteristic w ith linew idth of ligh t sou rce and m odu lati on typ es w as talked abou t,and w as app roved by exp eri m en ts.A t the sam e ti m e,w e have investigated the effects fo r b ite ero r rate charac2 teristic of system due to SB S. Keywords Sti m u lated b rillou in scattering Op tcal fiber tran s m issi on system 1 引言 在长距离光纤通信系统中,大功率半导体激光器和掺铒光纤放大器(ED FA)被广泛使用,使得传输线路中的光功率提高到很高的水平,最高点可达到50甚至100mW,这就可能导致产生各种光纤非线性效应,对系统传输质量产生较大影响。其中受激布里渊散射(SB S)因阈值较低,在窄线宽情况下可能达到仅仅几个mW的量级,而对系统的影响最大[1]。 SB S是一种在光纤内发生的非线性过程,一旦光纤中传输的光功率超过布里渊阈值,SB S将把部分输入功率转换为后向斯托克斯波,造成传输光强不稳定,从而引入噪声,影响接收灵敏度,而且SB S带来泵浦消耗,使接收端功率远小于无SB S效应时的功率,极大地恶化系统传输特性[2]。因此,在光通信系统中,必须保证进入光纤的功率低于SB S阈值。 本文研究了光源为连续光(C W)及光源 α
第14卷 第3期 2002年5月 强激光与粒子束 H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S V o l.14,N o.3 M ay,2002 文章编号:100124322(2002)0320353204 受激布里渊散射相位共轭激光组束规律Ξ 丁迎春, 吕志伟, 何伟明 (哈尔滨工业大学光电子技术研究所,黑龙江哈尔滨150001) 摘 要: 提出了一种新的SBS激光组束的方法。此方法中,一束按时间分布的激光脉冲序列作为泵浦光 从SBS放大池的一端入射,另一束Stokes频移种子光从SBS池的另一端入射,Stokes种子光在SBS池的相互 作用区提取泵浦光能量。研究了组束效率和输出脉宽随脉冲串个数、间隔和泵浦功率密度等的变化规律。研究 结果表明种子注入型泵浦脉冲串的受激布里渊散射相位共轭组束是一种高效的组束方法。 关键词: 相位共轭;受激布里渊散射;组束效率;脉冲串 中图分类号:O433.5 文献标识码:A 受激布里渊散射是最早被证明能够产生相位共轭的非线性光学技术。从此人们进行了大量的SB S应用的研究,其中包括利用SB S相位共轭技术进行激光组束的研究[1～4]。这种研究的目的是把多束激光合并成具有均匀波前的单一相干光束。文献报道SB S相位共轭激光组束得到标定能量,打破了传统的由单一激活介质得到的最大能量的限制[5]。SB S相位共轭激光组束有两种方法,一种是重叠耦合组束,另一种是后向注入种子光组束。在重叠耦合组束中,多束入射光交叉在SB S波导中或者是SB S池的远场相互作用区。在这种情况下所有光束的布里渊声场都是共同的,导致了Stokes输出光束是入射光束的共轭。也就是说在重叠耦合组束中不仅入射光束的相位彼此锁定(即在两光束间建立起固定的位相关系),而且两光束间的相对位相被共轭,返回光束有零的相位延迟。在后向注入种子光组束中,把一束与入射光方向相反的种子光注入到被组束的入射光束的相互作用区,种子光束的功率低于SB S的峰值功率,尽管如此,但它也比通常激发共轭光束的任意声场噪声的自发辐射要大,所以只要控制种子光束的相就可以控制Stokes输出光束的相。也就是说,在后向注入种子光组束中,SB S返回光(Stokes输出)的位相被外部提供的低功率的种子光束锁定。在以上两种组束方法中,两束激光要同时到达SB S池,因此调整精度要求较高;多束激光同时入射到SB S池,使得这种组束方法不能承受大能量负载;组束效率较低,为了弥补上述组束方法的不足,我们研究了串脉冲的SB S相位共轭组束。 F ig.1 Physical model of beam com binati on by sti m ulated B rillouin scattering 图1 SBS相位共轭组束的物理模型 1 理论模型 1.1 物理模型 图1是串脉冲的SB S相位共轭组束的物理模型。在SB S放大器模型中,泵浦脉冲串从z=L处入射到放大池,Stokes种子从z=0处入射到放大池,Stokes种子光与泵浦脉冲串在放大池中相互作用,Stokes种子光束从泵浦脉冲串提取能量并从z=L处出射。 1.2 数学模型 斯托克斯场和抽运场由麦克斯韦波动方程描述,介质中的声波场由纳维2斯托克斯(N avier2Stokes)能量传 Ξ收稿日期:2001204205; 修订日期:2002201215 基金项目:1999年教育部“跨世纪优秀人才培养计划”基金;国家863惯性约束聚变领域资助课题;国家自然科学基金(60088001)资助作者简介:丁迎春(19662),女,副教授,哈尔滨工业大学物理电子学专业博士研究生,现从事非线性光学方面的研究。
2 掺铒光纤激光器的设计 一、实验目的 1、完成环形腔掺铒光纤激光器谐振腔的设计，通过选择环形腔中耦合器的不同耦合比，优化设计激光器的阈值特性和输出效率。 2、通过使用不同滤波特性的滤波器，完成环形腔掺铒光纤激光器输出纵模特性的设计和选择。 3、完成光纤激光器的构建，并进行相关性能参数的测试。 二、实验原理 1.掺铒光纤(EDF)与掺铒光纤放大器(EDFA) 当泵浦光通过掺杂光纤中的稀土离子（Er3+、Nd3+、Tm3+、Yb3+等）时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激发态能级，从而实现通常所说的粒子数反转。反转后的高能态粒子在外界光场的诱使下，以光辐射的形式从高能级转移到基态，完成受激光辐射。 图2.1铒粒子能级图 掺铒光纤在0.5～1.6μm 波长范围内有几个吸收峰，分别对应的铒离子能级（铒离子能级图如图 2.1所示）是0.5～0.60μm （2 /1132/154 ~H I ）、0.63μm （2/942/154 ~F I ）、0.8μm μm （ 2 /942/154 ~I I ）、0.98μm （ 2 /1142/154 ~I I ）和1.48μm （ 2 /1342/154 ~I I ）直接吸收峰。 掺铒光纤放大器主要由波分复用器、大功率泵浦激光器、光隔离器和掺铒光
纤构成。根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系, 掺铒光纤放大器的结构可分为正向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种形式。EDFA 是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在泵浦光(波长980nm 或1480nm ) 的作用下, 形成粒子数反转, 产生受激辐射, 辐射光随入射光的变化而变化, 进而对入射光信号提供光增益。其放大范围为1530～ 1565 nm , 增益谱比较平坦的部分是1540～ 1560nm , 几乎可以覆盖整个1550nm工作窗口。 2.掺铒光纤激光器(EDFL) 掺铒光纤激光器是在掺铒光纤放大器技术基础上发展起来的。目前掺稀土元素光纤激光器的研究受到了世界各国的普遍重视，成为国际激光器技术研究领域一个十分活跃的前沿研究方向。 和传统的固体、气体激光器一样，掺稀土光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器( LD) , 增益介质为掺稀土光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射。所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。 由于掺稀土光纤激光器在增益介质和器件结构等方面的特点，与传统的激光技术相比，在很多方面显示出独特的优点： (1) 较高的泵浦效率。通过对掺杂光纤的结构、掺杂浓度和泵浦光强度和泵浦方式的适当设计，可以使激光器的泵浦效率得到显著提高。例如采用双包层光纤结构，使用低亮度、廉价的多模LD泵浦光源即可实现超过60%的光光转换效率。 (2) 易于获得高光束质量的千瓦甚至兆瓦级超大功率激光输出。光纤激光器表面积/体积比大，其工作物质的热负荷小，易于散热和冷却。 (3) 易实现单模、单频运转和超短脉冲(fs级)。 (4) 工作物质为柔性介质，使得激光器的腔结构设计、整机封装和使用均十分方便。 (5) 激光器可在很宽光谱范围内(455～3500nm)设计与运行, 应用范围广泛。
得分：_______ 光纤通信技术实验 (2) 掺铒光纤激光器的设计 实验报告
一、实验目的 1、完成环形腔掺铒光纤激光器谐振腔的设计，通过选择环形腔中耦合器的不同耦合比，优化设计激光器的阈值特性和输出效率。 2、通过使用不同滤波特性的滤波器，完成环形腔掺铒光纤激光器输出纵模特性的设计和选择。 3、完成光纤激光器的构建，并进行相关性能参数的测试。 二、实验原理与背景知识 1.掺铒光纤(EDF)与掺铒光纤放大器(EDFA) 当泵浦光通过掺杂光纤中的稀土离子（Er3+、Nd3+、Tm3+、Yb3+等）时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激发态能级，从而实现通常所说的粒子数反转。反转后的高能态粒子在外界光场的诱使下，以光辐射的形式从高能级转移到基态，完成受激光辐射。 掺铒光纤放大器主要由波分复用器、大功率泵浦激光器、光隔离器和掺铒光纤构成。根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系, 掺铒光纤放大器的结构可分为正向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种形式。EDFA 是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在泵浦光(波长980nm 或1480nm ) 的作用下, 形成粒子数反转, 产生受激辐射, 辐射光随入射光的变化而变化, 进而对入射光信号提供光增益。其放大
范围为1530～1565 nm , 增益谱比较平坦的部分是1540～1560nm , 几乎可以覆盖整个1550nm工作窗口。 2.掺铒光纤激光器(EDFL) 掺铒光纤激光器是在掺铒光纤放大器技术基础上发展起来的。目前掺稀土元素光纤激光器的研究受到了世界各国的普遍重视，成为国际激光器技术研究领域一个十分活跃的前沿研究方向。 和传统的固体、气体激光器一样，掺稀土光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器( LD) , 增益介质为掺稀土光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射。所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。 由于掺稀土光纤激光器在增益介质和器件结构等方面的特点，与传统的激光技术相比，在很多方面显示出独特的优点： (1) 较高的泵浦效率。通过对掺杂光纤的结构、掺杂浓度和泵浦光强度和泵浦方式的适当设计，可以使激光器的泵浦效率得到显著提高。例如采用双包层光纤结构，使用低亮度、廉价的多模LD泵浦光源即可实现超过60%的光光转换效率。 (2) 易于获得高光束质量的千瓦甚至兆瓦级超大功率激光输出。光纤激光器表面积/体积比大，其工作物质的热负荷小，易于散热和冷却。 (3) 易实现单模、单频运转和超短脉冲(fs级)。 (4) 工作物质为柔性介质，使得激光器的腔结构设计、整机封装和使用均十分方便。 (5) 激光器可在很宽光谱范围内(455～3500nm)设计与运行, 应用范围广泛。 (6) 与现有通信光纤匹配，易于耦合，可方便地应用于光纤通信和传感系统。 上述特点使得光纤激光器在很多应用领域有着广泛的用途。特别是掺铒光纤近40nm宽的增益谱范围与光纤通信的最佳窗口（1550nm窗口）相吻合，因而掺铒光纤激光器的研究和开发在光纤通信领域得到了极大的重视。
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 A Analysis and Measurement of Stimulated Brillouin Scattering Threshold in Single Mode Fiber SH 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 @https://www.doczj.com/doc/016258498.html, 3通信联系人。E -mail :zhangxm @https://www.doczj.com/doc/016258498.html, 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 ASERS Vol.32,No.4 April ,2005
第30卷 第1期光 学 学 报 Vol.30,No.12010年1月 ACTA OP TICA SINICA J anuary ,2010 文章编号:025322239(2010)0120132205 环形腔光纤激光器中光谱边带不对称性特性研究 高玉欣 徐文成 罗智超 罗爱平 宋创兴 (华南师范大学光电子信息科技学院,光子信息技术广东省重点实验室,广东广州510006) 摘要 理论分析了环形腔锁模光纤激光器中光谱边带不对称性产生的物理机制,实验中搭建了环形腔被动锁模光纤激光器平台,通过调节偏振控制器,在L 波段获得了明显不对称的边带光谱。实验结果表明,光谱不对称性主要存在两方面的明显特点:1)强度不对称性,最明显时正二级的强度比负二级的强度高14.28dBm ;2)数量不对称性,最明显时正级数量要比负级数量多5个。通过对光谱边带不对称性物理机制的分析对如何消除边带效应以获得理想的孤子脉冲具有重要的指导意义。 关键词 激光器;边带不对称性;光纤激光器;被动锁模;环形腔 中图分类号 TN248 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 20103001.0132 Ch a r act e ris t ics of t he S i deba n d As y m met r y i n a Fi be r Ri n g L as e r Gao Yuxin Xu Wencheng L uo Zhichao L uo Aiping Song Chuangxing (L abor a tor y of Photonic Inf or m a tion Tech nology ,School of I nf or m a tion of Op toelect ronic Science a n d Engi neeri ng , Sout h Chi n a Nor m al U niversit y ,Gu a ngzhou ,Gua ngdong 510006,Chi n a ) Abs t r act Physical mechanism of the sideband asymmet ry is theoretically analyzed in the fiber ring lasers ,A passive mode 2locked erbium 2doped fiber ring laser is const ructed in the experiment ,The obvious asymmet ry of the spect ral sidebands in an L 2band is obtained by adjusting polarization cont rollers.The asymmet ry of sidebands can be observed in two aspects :on the one hand ,the asymmet ry of the power between the positive and the negative order numbers is obvious ,which can be observed that the intensity of the positive second order is higher 14.28dBm than that of the negative same order ;on the other hand ,the sideband asymmet ry numbers f rom the positive to the negative orders are also obvious ,the number of the positive orders is more 5numbers than that of the negative.The sideband asymmet ry is usef ul for the research of eliminating the sidebands and acquiring the ideal soliton p ulses and so on.Key w or ds lasers ;sideband asymmet ry ;fiber laser ;passively mode 2locking ;ring cavity 收稿日期:2009201219;收到修改稿日期:2009204210 基金项目:广东省自然科学基金(04010397)资助课题。 作者简介:高玉欣(1981—),女,硕士研究生,主要从事光纤激光器和高码率光通信等方面研究。E 2mail :liayuan322@https://www.doczj.com/doc/016258498.html, 导师简介:徐文成(1965— ),男,教授,博士生导师,主要从事光纤激光器及其在高码率光通信系统中的应用等方面的研究。E 2mail :xuwch @https://www.doczj.com/doc/016258498.html, (通信联系人) 1 引 言 自从1550nm 光通信窗口打开以来,光纤通信向着远距离、高容量的方向发展,该发展趋势对激光光谱的平滑程度以及脉冲前后沿的非重叠性无疑提出了更高的要求。而在超短脉冲掺铒光纤激光器实验中,产生的光谱总伴随着边带。光谱边带一方面使光谱的主脉冲能量减少,另一方面使激光器输出脉冲的频谱质量发生劣化,容易使信号之间产生串扰,从而直接影响激光器在长距离光纤通信系统的 应用。因此,如何获得无光谱边带的超短脉冲是近 年来非线性光纤光学研究领域中一个重要的研究课题[1～6]。 对光谱边带的研究国内并不多。国外从20世纪80年代开始就有人提出了光谱边带的问题,但是在整个80年代,对于边带的产生原因、不对称性机理、如何消除边带等仍处于探索研究阶段。1982年R.H.Stolen 等[7]对双折射光纤中光脉冲以不同的角度入射时对脉冲整形效应做了初步的研究,为以
如图为短脉冲高功率1.5微米光纤激光器 平均功率能达到1W，可调节的脉冲宽度达到ns 可调节的重复频率达到MHz 可以应用于激光雷达/雷达、遥感、测距 什么是光纤激光器 光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。光纤激光器的特点 光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点； 由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、易于系统集成、性能价格比高； 与固体、气体激光器相比：能量转换效率高、结构紧凑、可靠性高、适合批量生产；与半导体激光器相比：单色性好，调制时产生的啁啾和畸变小，与光纤耦合损耗小。 光纤激光器的分类 按谐振腔结构分类为F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔等。 按激光输出波长数目分类为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。 按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器 按光纤材料分为晶体光纤激光器、非线性光学型光纤激光器、稀土类（如铒）掺杂光纤激光器、塑料光纤激光器等 随着高容量光纤通信网的发展，波分复用技术得以广泛的采用，它要求多波长光源 具有波长间隔小、线宽窄、功率谱平坦等特点。因此满足波分复用技术要求的多波长光 纤激光器成为研究的重点 多波长光纤激光器基本结构 1、增益介质 就增益介质而言，多波长光纤激光器通常采用光纤放大器(如掺稀土光纤放大器和拉曼光纤放大器作为增益介质，这将使得其具有结构紧凑、灵活方便等优点。值得注意的是，多个波长同时共用同一增益介质将导致较强的模式竞争，要获得多波长同时稳定振荡，这是首先必须考虑的问题。然而，大多掺稀土光纤放大器为均匀展宽的增益介质，对实现稳定的多波长运转是非常不利的，必须采用一些辅助手段来抑制或削弱它们的均匀展宽特性。 （EDFA）多波长掺铒光纤激光器常采用液氮制冷光纤至77k、声光频移位调制和非线性光学效应等辅助技术来抑制掺饵光纤的均匀展宽。 2、谐振腔 在多波长光纤激光器中，谐振腔起到至关重要的作用—完成多波长选模。在大多实际情况下，多波长激光器要求相等波长间隔(ITU叮标准通信间隔200GHz、100GHz、50GHz 和25GHz)激射。为实现这一目的，通常需要借助梳状滤波器才能满足要求
基于脉冲光的布里渊散射阈值分析 王如刚1 张旭苹1*宋跃江1吴建伟1,2 (1.南京大学光通信工程研究中心，江苏南京 210093; 2. 河海大学理学院，江苏南京 210098) 摘要：针对连续分布式布里渊光纤传感器的阈值问题，本文根据光纤中泵浦光与斯托克斯光之间耦合波方程，推导出布里渊阈值关系式，通过分析该关系式与脉冲宽度、光纤半径和温度的关系，提出了脉冲光布里渊阈值理论估算模型。在实验中，利用布里渊光时域反射仪系统，得出了脉冲光布里渊阈值，并与理论模型的结果进行对比分析，实验证明了该脉冲光阈值模型的结果与实验得到的布里渊阈值符合较好。 关键词：脉冲光；布里渊散射阈值；时域反射仪；光纤传感 中图分类号TN247 文献标识码 A Analysis of Brillouin Threshold Based on Pulsed Light Wang Ru-gang1 Zhang Xu-ping1 Song Yue-jiang1 Wu Jian-wei1,2 (1.Institute of Optical Communication Engineering Research, Nanjing University, Nanjing 210093, China;2. School of Science, Hohai University, Nanjing 210098, China) Abstract Arming at the problem of threshold for the distributed optical fiber sensor based on Brillouin scattering, the calculated expression of the Brillouin threshold is received through the coupled equation between the pump and stokes wave in optical fiber, by analyzing the threshold coefficient expression of pulse light in this paper, and propose the theoretical estimation model of Brillouin threshold for pulsed light. In the experiment, receive the power relationship between the incident light and scattered light using of Brillouin optical time domain reflectometer system, by comparing the threshold power under the various definitions, the experimental results are consistent with the theoretical calculation. Keywords Pulsed Light; Brillouin Scattering Threshold; Optical Time Domain Reflectometer; Fiber Sensor 1 引言 布里渊散射是入射光波与介质中的声波相互作用而产生的一种非线性过程， 在光纤通信以及光纤传感等方面有着广泛的利用，如布里渊放大器[1]，布里渊多 波长激光器[2]，分布式光纤传感[3]等。基于自发布里渊散射的布里渊光时域反射 仪(BOTDR)具有抗干扰、单端测量、可实现对传感光纤上温度与应变信息的连续 测量等优点，但在长距离、大范围结构监测中，需注入功率较高的脉冲光，而高 功率的光脉冲会在光纤中产生受激布里渊散射，此时的入射光功率称为布里渊阈 收稿日期： 基金项目：国家重点基础研究发展计划（“973”计划）基金资助项目（2010CB327803）；国家自然科学基金资助项目(60644001)。 作者简介：王如刚(1976-)，男，博士研究生，主要从事光纤传感方面的研究。Email：wrg3506@https://www.doczj.com/doc/016258498.html, 导师简介：张旭苹(1962-)，女，教授，博士生导师，主要从事光通信网络的监测与故障定位、分布式光纤传感技术、光通信系统关键器件与组件等方面的研究。E-mail: xpzhang@https://www.doczj.com/doc/016258498.html, *通信联系人。Email：xpzhang@https://www.doczj.com/doc/016258498.html,
掺铒光纤激光器 一、设计背景 激光器的发明是二十世纪科学技术的一项重大成就。1960年梅曼根据受激辐射光量子放大理论研制出第一台红宝石激光器，童年年底研制出He-Ne气体激光器，1962年又报导了砷化镓半导体激光器的研制成功。我国于1961年研制成功红宝石激光器，1966年试制出Nd：YAG激光器。到70年代末，各种激光器技术已经比较成熟，并得到实际应用。经过四十多年的发展，特别是最近十几年，激光技术高速发展，种类众多，现在已经广泛应用于工业加工、通讯、信息处理、医疗卫生、军事国防、文化教育以及科学研究等众多领域，并取得了很好的经济效益和社会效益，对国民经济及社会发展发挥着愈来愈重要的作用。 单纵模(SLM)掺铒光纤激光器(EDFL)由于可以应用在光通信、激光光谱学、光纤传感等领域而备受关注并得到了迅猛发展。掺铒光纤激光器具有结构简单、激射波长可以精确预定、可实现宽带调谐和窄线宽输出等优点，且与其他激光器相比具有许多优良特点：高增益、低阈值(几十毫瓦量级)、低噪声、高效率、抽运寿命长、有很好的单色性和高稳定性、小型化、易与传输光纤耦合[1]。 光纤通信的突飞猛进得益于光线放大器和光线激光器的不断发展光纤放大器的研究始于1964 年，从真正的使用从1986 年开始，这归功于低损耗稀土掺杂光纤工作特性和制造技术的发展其中掺铒光纤放大器格外引人瞩目因为它的工作波长在1550nm 附近适合于现代光通信系统早在1961 年就研制了的一台光纤激光器经过20 世纪七十年代到八十年代初期的酝酿从20世纪八十年代中期开始光纤激光器得到了长足的发展光纤激光器的输出波长范围在400 3400 纳米之间可应用于光学数据存储光通讯传感技术光谱研究和医学等多个领域[2]。
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
在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光纤中的散射过程主要有三种：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，它们的散射机理各不相同。其中，布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。 在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这种散射称为自发布里渊散射。自发布里渊散射可用量子物理学解释如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，其相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。 由于构成光纤的硅材料是一种电致伸缩材料，当大功率的泵浦光在光纤中传播时，其折射率会增加，产生电致伸缩效应，导致大部分传输光被转化为反向传输的散射光，产生受激布里渊散射。具体过程是：当泵浦光在光纤中传播时，其自发布里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强度增加，当增大到一定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光将发生干涉作用，产生较强的干涉条纹，使光纤局部折射率大大增加。这样由于电致伸缩效应，就会产生一个声波，声波的产生激发出更多的布里渊散射光，激发出来的散射光又加强声波，如此相互作用，产生很强的散射，这就是受激布里渊散射（SBS）。相对于光波而言，声波的能量可忽略，因此在不考虑声波的情况下，这种SBS过程可以概括为频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转移的过程。这样受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益的过程。在受激布里渊散射中，虽然理论上反斯托克斯和斯托克斯光都存在，一般情况下只表现为斯托克斯光。
第18卷 第12期强激光与粒子束Vol.18,No.12 2006年12月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Dec.,2006 文章编号: 100124322(2006)1221987204 光纤光栅F2P标准具选模单频环形腔光纤激光器3 伍 波, 刘永智, 刘 爽, 代志勇 (电子科技大学光电信息学院,成都610054) 摘 要: 讨论了光纤光栅法布里2珀罗(F2P)标准具选模光纤激光器的单频运转原理,并研制了全光纤结 构单频掺Er3+光纤环形激光器。实验中采用两个976nm激光二极管双向泵浦作为泵浦源,高掺杂浓度掺 Er3+光纤作为增益介质,以行波腔消除空间烧孔效应,利用光纤光栅F2P标准具窄带选模特性,当泵浦光功率 为36mW时,得到了稳定的单频激光输出。实验中使用了长5和3m的掺杂光纤,在泵浦光功率为145mW 时输出功率分别为19和42mW,光2光转换效率分别为13%和29%,斜率效率分别达到了16%和33%。输出 谱线3dB带宽0.01nm,无跳模现象。 关键词: 激光技术; 光纤激光器; 环形腔; 布里2珀罗标准具; 光纤光栅 中图分类号: TN248 文献标识码: A 光纤激光器以其卓越的性价比,以及抗电磁干扰能力强、转换效率高、线宽窄、输出光束质量好、可靠性高等优点,在光纤通信、激光加工、激光医疗、激光雷达、结构测距、光纤传感等方面得到日益广泛的应用。在光纤激光器中,光纤光栅通常用来作为反射腔镜,产生窄带光谱输出[122],它可以使激光器紧凑、简单。与光纤法布里2珀罗标准具相比,光纤光栅标准具有更好的窄带选模特性,可用来对光纤激光器选纵模。文献[324]理论分析了光纤光栅标准具的透射特性及纵模特性,在掺铒环形腔光纤激光器腔内引入光纤光栅标准具作为选频器件,得到3.16mW单频激光输出[5]。采用掺铒镱双包层光纤作为增益介质,在光环形器上以光纤光栅标准具选频的光纤激光器得到了1W的单频高功率激光输出[6]。这两种激光器的共同缺点是结构复杂,能量转换效率低,文献[5]得到的效率为3%,文献[6]使用了19W泵浦功率,效率为5.3%。国内也研究了在增益光纤上相隔极近距离写入两个光纤光栅,从而构成超短腔光纤激光器实现单纵模输出[728],但是由于增益区太短,同样导致了输出功率小、效率低的问题。 为了得到高效率的单频光纤激光器,本文分析了光纤光栅标准具选模光纤激光器单频运转原理,并采用环形行波腔结构,将光纤光栅标准具作为外腔选模器件,进行了相应的实验研究,得到了稳定的单频激光输出。1 激光器单频运转原理 光纤光栅的反射、透射特性可用耦合模理论描述。设后向传播和前向传播的光波电场分别表示为 a(z)=A(z)exp(iβz)(1) b(z)=B(z)exp(-iβz)(2)式中:A(z),B(z)分别为后向和前向传播光波电场的振幅;β=2nπ/λ为传播常数。光纤光栅反射系数r g=|r g| exp(i
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