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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LP<sub>01</sub>-LP<sub>01</sub>、LP<sub>11</sub>-LP<sub>11</sub>和LP<sub>01</sub>-LP<sub>11</sub>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LP<sub>01</sub>模和LP<sub>11</sub>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。
OptiSystem在光纤通信课堂教学中的应用——以光纤传输特性为例王学勤*(枣庄学院光电工程学院 山东枣庄 277160)摘要：为了提高学生的学习兴趣，帮助学生理解、掌握知识点，提升光纤通信课程的教学效果，将OptiSys‐tem软件引入光纤通信课堂教学。
该文以光纤传输特性部分的教学内容为例，针对光纤的损耗、色散和非线性效应三项光纤的传输特性，搭建OptiSystem仿真模型，演示光纤的传输特性对光纤中传输信号的影响，进而分析对光纤通信系统性能的影响。
通过仿真演示，使学生更直观地理解光信号在光纤中传输时的时域、频域变化特征，掌握光纤传输特性对光纤通信系统的影响机理。
关键词：光纤通信 OptiSystem软件 光纤传输特性 课堂教学中图分类号：G642.0文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)09-0140-05 Application of OptiSystem in the Classroom Teaching ofFiber-optic Communications—Taking Fiber-optic Transmission Characteristics as an ExampleWANG Xueqin*(School of Optoelectronic Engineering, Zaozhuang University, Zaozhuang, Shandong Province, 277160 China) Abstract:In order to improve students' interest in learning, help students understand and master knowledge points, and improve the teaching effect of Fiber-optic Communications, OptiSystem software is introduced to the class‐room teaching of Fiber-optic Communications. Taking the teaching content of fiber-optic transmission character‐istics as an example, aiming at three fiber-optic transmission characteristics: the loss, dispersion and nonlinear effectof optical fibers, this paper builds the OptiSystem simulation model to demonstrate the impact of fiber-optic trans‐mission characteristics on transmission signals in optical fibers, and then analyze the impact on the performance of the fiber-optic communication system. Through the simulation demo, students can more intuitively understand the time-domain and frequency-domain variation characteristics of optical signals when they are transmitted in optical fibers, and master the influence mechanism of fiber-optic transmission characteristics on the fiber-optic communi‐cation system.Key Words: Fiber-optic Communications; OptiSystem software; Fiber-optic transmission characteristic; Classroom teachingOptiSystem是一种光通信系统仿真程序包，具有丰富的组件库，可用于光纤通信系统的建模仿真[1]。
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<sup>-4</sup>,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。
通常在光场较弱的情况下，可以认为光纤的各种特征参量随光场强弱作线性变化，这时光纤对光场来讲是一种线性媒质。
但是在很强的光场作用下，光纤对光场就会呈现出另外一种情况，即光纤的各种特征参量会随光场呈非线性变化。
光纤的非线性效应是指在强光场的作用下，光波信号和光纤介质相互作用的一种物理效应。
它主要包括两类：一类是由于散射作用而产生的非线性效应，如受激拉曼散射及布里渊散射；另一类是由于光纤的折射指数随光强度变化而引起的非线性效应，如自相位调制、交叉相位调制以及四波混频等。
1.散射产生的非线性效应由于光纤材料的缺陷，有可能使得光通过介质时发生散射。
瑞利散射属于线性散射，即散射光的频率保持不变。
但当输入光功率很强时，任何介质对光的响应都是非线性的，在此过程中，光场把部分能量转移给非线性介质，即在这种非线性散射过程中，光波和介质相互作用时要交换能量，使得光子能量减少。
1）受激拉曼散射（SRS）当强光信号输入光纤后，就会引发介质中分子振动，这些分子振动对入射光调制后就会产生新的光频，从而对入射光产生散射作用，这种现象称为受激拉曼散射。
拉曼散射产生的散射光（斯托克斯波）强度与泵浦功率及光纤长度有关，因此可制成分布式拉曼散射激光器。
2）受激xx散射（SBS）受激布里渊散射和受激拉曼散射的物理过程相似，都是在散射过程中通过相互作用，光波与介质发生能量交换，但本质上也存在差异。
受激拉曼散射产生的斯托克斯波属于光频范畴，其波的方向与泵浦光方向一致。
而受激布里渊散射所产生的斯托克斯波在声频范围，波的方向与泵浦波方向相反，即在光纤中只要达到受激布里渊散射的阈值，就会产生大量的向后传输的斯托克斯波，这将使信号功率降低，反馈回的斯托克斯波也会使激光器的工作不稳定，对系统将产生不良影响。
但是，由于受激布里渊散射的阈值比受激拉曼散射的阈值低很多，可以利用其低阈值功率提高布里渊放大。
2.折射率变化产生的非线性效应折射率随强度的变化引起的非线性效应，最重要的是自相位调制、交叉相位调制及四波混频。
光线非线性效应及其对光纤通信系统的影响摘要：随着科技的飞速发展、信息时代的到来，信息的传输变得越来越重要。
光纤作为众多传输介质中的一种有着其它介质不可替代的优越性。
它传输容量大、传输带宽宽、抗干扰能力强。
然而，由于光纤中的损耗和色散的限制，使得光纤通信的发展受到了制约。
如果要获得更长的传输距离，则要加大入纤光功率，这样就引起了光纤非线性效应的产生。
本文详细地讨论了几种重要的光纤非线性效应，如受激布里渊散射(SBS)、受激喇曼散射(S RS)、自相位调制(SPM)、交叉相位调制（XPM）、克尔效应（Kerr）、超短脉冲孤立子（S oliton）等现象。
并对其在光纤通信中的应用进行了展望。
关键字：光纤非线性效应、散射、阈值、光功率光纤的非线性效应尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。
光纤传输的衰耗和色散与光纤长度呈线性变化的，呈线性效应，而带宽系数与光纤长度呈非线性效应。
非线性效应一般在WDM系统上反映较多，在SDH 系统反映较少，因为在WDM 设备系统中，由于和波器、分波器的插入损耗较大，对16 波系统一般相加在10dB 左右，对32 波系统，相加在15dB 左右，因此需采用EDF A进行放大补偿，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性效应大大增加，成为影响系统性能，限制中继距离的主要因数之一，同时，也增加了ASE 等噪声。
光纤中的非线性效应包括：①散射效应（受激布里渊散射SBS 和受激拉曼散射SRS 等）、②与克尔效应相关的影响，即与折射率密切相关（自相位调制SPM 、交叉相位调制XPM 、四波混频效应FWM ），其中四波混频、交叉相位调制对系统影响严重。
折射率非线性变化SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道的增益或损耗与光信号的强度有关。
这些非线性过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。
受激布里渊散射效应
受激布里渊散射是一种光学非线性效应，它可以在光纤中产生声子（声波）和光子（光波）之间的相互作用。
当一束光通过光纤传输时，光子和声子之间会发生能量交换，从而导致光的频率发生偏移。
具体而言，受激布里渊散射的机制是通过声子引起光子的频率变化。
在光纤中存在微弱的声子振动，当光子与这些声子相互作用时，它们可以吸收或发射声子，从而改变光子的频率。
这种频率变化可以通过布里渊频移来描述，它是由声子的频率引起的。
受激布里渊散射效应在光纤通信中具有重要的应用。
一方面，它可以用来制备光纤激光器，通过激光器在光纤中产生受激布里渊散射来实现光纤放大器。
另一方面，受激布里渊散射也是一种光纤传感技术，可以利用光纤中声子的变化来测量温度、压力等物理量。
总之，受激布里渊散射是一种重要的光学效应，具有广泛的应用价值。
它不仅在光纤通信领域有重要作用，还在光纤传感、激光技术等方面具有潜在的应用前景。
光纤的非线性光学效应及其对光纤通信的影响随着科学技术的发展，人们对物质和文化生活的要求不断提高，导致待传输的信息量（语音、图像、视频和数据等）爆炸式增长，光纤通信已成为大容量现代传输网的基本组成形式。
近些年由于掺铒光纤放大器（EDFA）的实用化，在信号的传输过程中，光纤的损耗对系统影响已不再是主要因素了，而光纤的非线性光学效应确引起人们的极大关注。
特别是在密集波分复用（DWDM）系统中，随着光纤中信道数量的增多，进入光纤的光功率将随之加大，光纤的非线性光学效应将成为影响系统性能的主要因素。
本文介绍了光纤中常见的几种非线性光学效应及其对光纤通信的影响。
标签：非线性光学效应受激散射效应非线性折射率效应交叉相位调制Abstract：With the development of science and technology，people’s material and cultural life is ever increasing，cause the amount of information to be transmitted（voice，image，video and data，etc.）explosive growth，large-capacity optical fiber communication has become a basic modern communication network composition form. In recent years because of EDFA practical，in the process of signal transmission fiber loss impact on the system is no longer a major factor，while the nonlinear optical effect indeed cause for concern. Especially in DWDM systems，with the increase in the number of channels in optical fibers，The optical power into the fiber increases，nonlinear optical effect will become a major factor affecting system performance. This article describes several common optical fiber nonlinear effects and their impact on the optical fiber communication Key words：nonlinear optical effects；stimulated scattering effects；nonlinear refractive index effects；cross-phase modulation中圖分类号：TN24 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2014）03-0009-03非线性光学效应是光场与传输介质相互作用时发生的一种物理效应，当光纤中传输的光功率较弱时，光纤呈现为线性系统，其各项特征参量随光场作线性变化，但在高强度的电磁场中，任何电介质（包括光纤）都会表现出非线性特性。
布里渊散射现象与应用研究布里渊散射是一种重要的光学现象，它在很多领域中都有广泛的应用。
本文将探讨布里渊散射的基本原理以及其在通信、传感和光纤激光器等领域中的应用研究。
一、布里渊散射的基本原理布里渊散射是指当光在光纤中传播时，与光纤中存在的声子引起的光子-声子相互作用而发生的散射现象。
它具有三个主要特点：首先，布里渊散射是一种非弹性散射，能量和动量并不守恒；其次，布里渊散射是共振性的，只有当光子频率和声子频率满足一定的共振条件时，才会发生散射；最后，布里渊散射是自发的，不需要外部激励。
布里渊散射产生的机制是基于光子与光纤中的声子发生能量和动量交换。
当光子频率与声子频率满足布里渊共振条件时，光子会被声子散射，并改变自己的能量和动量。
这种散射过程会导致光子的频率发生变化，即产生新的频率为原频率加或减声子频率的散射光子。
同时，声子的频率也会发生偏移，这被称为声子多普勒偏移。
二、布里渊散射在通信领域中的应用研究通信领域是布里渊散射最重要的应用之一。
在光纤通信中，布里渊散射扮演着两个重要角色：信号衰减和非线性效应的产生。
布里渊散射引起的信号衰减是光纤通信中的一大挑战，尤其是在长距离传输中。
这种衰减限制了信号的传输距离和数据传输速率。
因此，研究布里渊散射对信号的影响，优化光纤设计和信号放大技术，是提高光纤通信性能的关键。
另一方面，布里渊散射还可以用于光纤传感领域。
由于布里渊散射对温度和应变等外界物理参数敏感，利用它进行光纤传感已成为一种重要的测量手段。
光纤布里渊散射传感可以实现对光纤周围环境的实时监测，广泛应用于油田、地震监测、结构健康监测等领域。
例如，通过测量布里渊散射光的频移，可以精确测量温度的变化，实现光纤温度传感。
三、布里渊散射在激光器中的应用研究布里渊散射也是激光器中一个重要的非线性效应。
在光纤激光器中，布里渊散射导致的反馈作用可以改变激光器的工作特性。
布里渊散射反馈不仅可以提高激光器的输出功率和效率，还可以改变激光器的谱线特性。
布里渊区的名词解释布里渊区是指在光学和无线电工程中，光纤或导波管中因材料非线性而产生的相位调制现象。
这个现象是由于不同频率的光波在光纤中传播时，会发生频率的混合与干涉，导致光波的相位发生变化。
在布里渊区内，光纤中的光波与光纤内部的声波相互作用产生布里渊散射。
布里渊散射是指当光纤中的光波与声波相互作用时，部分光能被散射出去。
这种散射现象是由光波与光纤中声波的相互作用引起的。
光纤中的声波可以由光波引导产生。
当光波在光纤中传播时，由于光纤材料的非线性特性，光波的电场强度会随着光纤中的声波的存在而发生变化。
这种变化会导致光波的相位发生调制。
在布里渊区内，声波的频率与光波的频率非常接近，使得声波与光波发生有效的相互作用。
布里渊区的大小取决于光纤的参数以及传输信号的频率。
对于光纤通信系统来说，布里渊区的存在会对信号的传输产生一定的影响。
当信号频率位于布里渊区时，光纤中的声波与光波的相互作用会导致信号的相位失真和功率损耗。
因此，在设计和实施光纤通信系统时，需要考虑布里渊散射对信号传输的影响，并采取相应的措施来减小布里渊区对信号质量的影响。
布里渊区的现象不仅存在于光纤中，还可以在其他一些导波管（如微纳米波导）中观察到。
这些导波管中的布里渊散射现象也会对波导中传输的信号产生影响。
除了在通信领域中的应用，布里渊区的现象还在光纤传感、光子晶体等领域有着广泛的应用。
通过利用布里渊区的特性，可以设计出基于布里渊散射的传感器，用于测量温度、压力等物理量。
此外，在光子晶体中，布里渊散射也起着重要的作用，可以用于控制和调制光子的传输和储存。
总的来说，布里渊区是光纤或导波管中由于材料非线性而产生的相位调制现象。
它在光纤通信、光纤传感和光子晶体等领域都有着重要的应用。
在光纤通信领域，布里渊散射的存在对信号的传输质量产生一定的影响，因此需要在系统设计中考虑并采取相应的措施来减小布里渊区对信号的影响。
《基于受激布里渊效应的光纤传感温度测量系统》篇一一、引言光纤传感技术作为现代信息感知与传输的关键技术之一，已广泛应用于通信、物理、化学、生物医学等多个领域。
其中，基于受激布里渊效应（SBS）的光纤传感技术因其高灵敏度、高分辨率和长距离传输等优点，在温度测量领域具有广阔的应用前景。
本文旨在介绍一种基于受激布里渊效应的光纤传感温度测量系统，并对其性能进行详细分析。
二、受激布里渊效应原理受激布里渊效应（SBS）是一种非线性光学效应，其基本原理是光在光纤中传播时，与光纤中的声波场相互作用，产生布里渊散射。
当入射光强达到一定阈值时，布里渊散射过程会转变为受激过程，形成SBS效应。
该效应能够使光纤中传输的光信号发生频率和功率的改变，这一改变与光纤中的温度、压力等物理参数密切相关。
三、光纤传感温度测量系统设计基于受激布里渊效应的光纤传感温度测量系统主要由光源、光纤、光探测器及信号处理电路等部分组成。
其中，光源用于产生SBS效应所需的强光信号；光纤用于传输光信号和声波场；光探测器用于接收和处理SBS散射的光信号；信号处理电路则对接收到的光信号进行滤波、放大、A/D转换等处理，以获得温度信息。
四、系统性能分析1. 灵敏度高：该系统利用受激布里渊效应对温度的敏感性，实现对温度的高精度测量。
其灵敏度远高于传统温度传感器。
2. 响应速度快：由于光纤传输速度快，系统响应时间短，能够实时监测温度变化。
3. 长期稳定性好：光纤传感器的抗干扰能力强，能够长时间稳定工作，适用于长期温度监测。
4. 适用范围广：该系统可应用于高温、低温、高湿等恶劣环境下的温度测量，具有较广的应用范围。
五、实验结果与分析为验证基于受激布里渊效应的光纤传感温度测量系统的性能，我们进行了相关实验。
实验结果表明，该系统具有良好的灵敏度、响应速度和稳定性。
通过改变光纤中的温度，我们观察到SBS散射光信号的频率和功率发生明显变化，与理论分析相符。
此外，我们还对系统的测量误差进行了分析，发现其误差较小，满足实际应用的需求。
受激布里渊散射介绍印新达武汉光迅科技股份有限公司简述。
在向较长的光纤中发射激光时，如果超过了某个最大临界功率，则由于线宽和光纤类型的原因，可能会发生强烈的反射，从而导致在光纤另一端所观测到的功率达到最大极限值，这就是受激布里渊散射（SBS）。
显而易见，受激布里渊散射（SBS）现象将对传输功率产生限制，并且引发信号噪声。
该现象起源于光纤中的声波对信号光的反向散射。
在较短的光纤中，也会发生这种现象，但程度要轻微得多。
被散射的光将产生一个等于布里渊散射漂移频率的偏移，变为较低的光频（较长的波长），这是光纤材料的一项固有特性。
普通单模石英光纤的漂移频率约为11GHz（波长0.09nm）。
如果光纤中前向和反向传输的光之间的频率差恰好等于布里渊散射漂移频率，则反向散射光将引起更多的前向传输的光信号被反向散射。
因此，如果信号功率足够大，由该受激反向散射所导致的反向散射光功率，可能会超过因为光纤衰减而损失的功率。
为了实现更大距离与更高速率的传输，现代传输系统的光发射功率越来越大。
因此，人们不得不考虑非线性效应，特别是受激布里渊散射（SBS）等现象，而系统设计者们也需要在功率分配要求与由SBS等非线性效应所引起的信号损失这两者之间进行平衡。
为了使光纤放大器的高输出功率能够有效地注入单模光纤，必须提高SBS门限功率。
采用的方法主要是对信号光源作附加调制或对外调制器作附加调相，使入射光的谱宽增大。
1 SBS的产生和物理现象当注入光纤中的光功率从0开始增加，在光功率很小时，光纤中不产生非线性过程。
当注入光纤功率增加到超过某一阈值光功率后，光纤中出现非线性过程。
该非线性过程产生的物理现象是：绝大部分输入光功率转换为后向散射的斯托克斯光波。
这一非线性过程称为受激布里渊散射。
产生SBS的阈值光功率与入射光波的谱宽有关。
对连续光波或相对较宽的脉冲光波(≥1Ixs)，SBS 的阈值光功率可低至lmW(0dBm)；而对脉冲宽度<1Ons的短脉冲光波，SBS几乎不会发生。
第 17 卷 第 1 期中国光学（中英文）Vol. 17 No. 1 2024年1月Chinese Optics Jan. 2024文章编号 2097-1842（2024）01-0226-12Stimulated brillouin scattering in double-cladthulium-doped fiber amplifierLIU Qing-min1,2，SUN Hui-jie2，HOU Shang-lin1,2 *，LEI Jing-li2，WU Gang2，YAN Zu-yong2（1. College of Electrical and Information Engineering, LanzhouUniversity of Technology, Lanzhou 730050, China；2. School of Science, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China）* Corresponding author，E-mail: houshanglin@Abstract: In this paper, the effect of Stimulated Brillouin Scattering(SBS) on the laser output performance in a 2 µm thulium-doped fiber amplifier was analyzed theoretically. The optical mode distribution, the effective refractive index, the effective mode field area, and the normalized frequency of the double-clad thulium-doped fiber at 793 nm pump wavelength and 1.9−2.1 µm laser waveband were studied. The stimulated Bril-louin scattering characteristics, including the Brillouin frequency shift and the Brillouin gain spectrum, in the double-clad thulium-doped fiber were numerically simulated in the laser waveband of 1.9−2.1 µm. The influ-ence of stimulated Brillouin scattering on the laser output performance of thulium-doped fiber amplifiers was investigated using the theoretical model of stimulated Brillouin scattering in gain fibers. In the DTDF-10/130 double-clad thulium-doped fiber, a continuous wave with power of 100 W and wavelength of 793 nm is used as a pump to amplify a continuous signal wave with wavelength of 2 µm and power of 0.01 W. The maxim-um output powers of the signal wave are 25.27 W, 31.08 W and 34.06 W when the pump power filling factors are 0.01, 0.02 and 0.03, respectively. The corresponding optimal double-clad fiber lengths are 2.66 m, 2.02 m and 1.75 m. Additionally, the Stokes optical powers generated by the stimulated Brillouin scattering are 1.68 W, 1.39 W and 1.14 W, respectively. The results show that the double-clad fiber with large pump power filling factor in the thulium-doped fiber amplifier can effectively reduce the fiber length, thus to min-imize the influence of stimulated Brillouin scattering on the output power of the signal laser. The numerical model can optimize the fiber length of the fiber amplifier, which is of great significance to improve experi-mental efficiency and reduce experimental costs.Key words: stimulated brillouin scattering; double-clad; thulium-doped fiber; amplifier收稿日期：2023-05-16；修订日期：2023-05-29基金项目：国家自然科学基金（No. 61665005）；兰州理工大学红柳一流学科发展计划资助项目Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61665005); HongLiu First-class DisciplinesDevelopment Program of Lanzhou University of Technology双包层掺铥光纤放大器中的受激布里渊散射刘庆敏1,2，孙慧杰2，侯尚林1,2 *，雷景丽2，武 刚2，晏祖勇2（1. 兰州理工大学 电气工程与信息工程学院, 甘肃 兰州 730050；2. 兰州理工大学 理学院, 甘肃 兰州 730050）摘要：理论分析了波长为2 µm的掺铥光纤放大器中受激布里渊散射（SBS）对激光输出性能的影响，研究了双包层掺铥光纤在793 nm的泵浦波长和1.9~2.1 µm的激光工作波段的光模分布、有效折射率、有效模场面积和归一化频率，数值计算了在1.9~2.1µm的激光工作波段双包层掺铥光纤中的布里渊频移和布里渊增益谱等SBS特性。
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 ng100084Abstract 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 system1 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激光器在直接电流调制、电致吸收(EA)调制器调制和铌酸锂(LN)外调制器调制等不同情况下SB S的阈值特性,着重讨论了窄线宽光源使用铌酸锂外调制器的情况,并研究了这种条件下SB S效应对系统性的影响。
2 理论分析对于连续波,SB S阈值可以由式(1)给出[3]:P C W th r=21A e Kg B L e(1)其中,A e为有效光纤芯截面积。
对于普通单模光纤来说约为80Λm2,L e为有效作用距离,,L e约为1914km;g B为峰值布里渊增益,约4×10-11 m W;K为偏振因子(1≤K≤2),普通单模光纤在随机偏振的情况下,可认为K=2。
实际上,SB S阈值与光源线宽密切相关,而式(1)仅对线宽极窄的泵浦光(∃v Pν∃v B)成立。
当两者相当时,SB S阈值为(假设单模光纤且光谱为洛仑兹线性)[1～5]:P C W th r=42A eg B L e∃v P+∃v B∃v B(2)其中,∃v B为布里渊增益带宽,对普通单模光纤其典型值为50M H z。
由于SB S阈值与光源线宽有较大关系,调制状态下,因不同类型的调制对光源线宽的展宽不同,SB S阈值也有很大差别。
对于直接电流调制和EA调制器调制的激光器来说是A SK调制,但由于啁啾的影响,其中必然伴随着PSK调制,使光源线宽展宽到GH z 的量级。
对于PSK调制,在考虑SB S效应时,其调制后的谱宽可近似等于比特率B,而且可以等效为一静态线宽为B的连续波光源[1],因此布里渊增益随比特率B以式(3)关系减小[2]:g PS KB≈∃v BB+∃v Bg C W B(3)同一光源PSK调制时的SB S阈值与连续波运转时的SB S阈值的关系可由式(4)给出[1]:P PS Kth r≈P C W th rB+∃v B∃v B(4)式中,布里渊带宽∃v B仅50～100M H z,当比特率为2.5Gb s或更高时,布里渊增益显著减小,SB S阈值将变得很高。
在一般通信系统中,当采用直接电流调制或EA调制器调制时,可以不考虑SB S效应的影响。
下面主要讨论用LN外调制器调制的情况。
这种调制是零啁啾调制,几乎不产生相位噪声,可以不必考虑PSK调制的影响,认为是A SK调制。
A SK调制即使在很高的码速下其SB S阈值也只与光源的静态线宽有关,假定调制信号为N R Z码,SB S阈值(平均功率)可表示为[4]:P A S Kth r=P C W th r1-f02∃v B(1-e-∃v B f0)(5)其中f0为调制速率,由此式可看出,当f0远大于∃v B时,P A S Kth r可近似为P C W th r的两倍,图1给出了式(2)、(5)的数值计算结果。
由图1可图1 SBS阈值与光源线宽关系数值计算曲线看出,当光源线宽小于50M H z时,SB S阈值低于12dBm,是系统设计中必须考虑的重要因素。
为抑制SB S效应,可采用线宽较宽的光源,或是控制光路中的光功率,对于线宽较窄的光源,可采取低频小信号调制(D ITH ER)的方法提高SB S阈值,其调制频率应远远低于光接收机的下限截止频率,调制幅度应为光源驱动电流的5%以下。
在光源上迭加小信号调制,相当于对光源引入了171999年第1期 王 晖等: 受激布城渊散射对光纤传输系统特性的影响 啁啾。
用这种方法可以使光源线宽展宽到数百M H z 至几GH z ,导致受激布里渊增益降到很小,甚至可使SB S 阈值提高到数百mW[4,5]。
3 实验结果及分析为研究SB S 的阈值特性,笔者采用60km 普通单模光纤为传输媒质作了几组实验。
首先,用线宽较窄的光源连续波运转,当输入光功率增加时,经60km 光纤传输后的输出光功率起初随线性增加,后出现饱和,这是因为输入光功率达到SB S 阈值以上时,部分输入光被转换为背向散射光。
图2为20M H z 及40M H z 线宽光源的实验结果,可以看出,SB S 阈值随线宽的增加而增大。
图2 不同线宽光源输入,输出光功率关系曲线为进一步研究调制状况下的SB S 阈值特性,笔者用静态线宽20M H z 的同一光源分别采用连续波运转、EA 调制器调制及LN 外调制器调制(调制速率均为2.5Gb s ),重复以上的实验。
对于LN 外调制器调制,笔者还对光源迭加10kH z 的D ITH ER 信号人为增加光源线宽后,测量此时的SB S 阈值,上述四种方式得到的结果如图3所示。
分析实验结果,可以看到EA 调制时实验过程中未出现SB S 效应,这是因为EA 调制器啁啾因子Α约为1,经2.5Gb s 的调制信号调制后光源谱宽展宽到几GH z 。
从而使SB S 阈值提高到远超出我们实验时输入光功率的水平,而连续波及LN 调制时则当功率在10mW以图3 不同调制类型光源输入、输出光功率关系曲线下就出现了SB S 效应,其阈值与上节理论计算基本相符。
此外,还可从图3看出,对光源迭加小信号调制后可以明显地抑制SB S 效应,使阈值大大提高。
为了验证SB S 效应对系统特性的影响,笔者作了如图4的实验设计。
图4 实验系统框图图4是采用铌酸锂外调制,调制后的光信号直接进入ED FA 放大,经60km 普通单模光纤传输后测量误码特性。
实验中使用了两级光衰减器:衰减器①用于控制入纤功率,使其超过或低于SB S 阈值;光衰减器②用于测量误码率曲线。
首先采用静态线宽20M H z 的光源,分别将光衰减器①和②置于0dB 及7dB 处,测量误码率曲线;然后将光衰减器①固定于0dB 处,分别采用静态线宽为300M H z 的光源,再测一条误码率曲线。
以上三条曲线与背对背误码率曲线(注:20M H z线宽光源与300M H z 线宽光源的背对背误码率曲线完全一致,故只给出一条)的关系如图5所示。
实验中光路未作其它改动,而当系27 光 通 信 技 术 1999年第1期A :背对背;B 、C 、D :传输60公里普通单模光纤 其中:B :T T 1=7d B ,HW F M =20M H zC :T T 1=0d B ,HW F M =300M H zD :T T 1=0d B ,HW F M =20M H z图5 误码率曲线统同时满足光源线宽较窄和入纤功率较大这两个条件时,系统误码率特性出现严重恶化,故可以认定这是由SB S 效应引起的。
通过实验,可以看出当光源线宽较窄时,光路中的入纤功率很容易超过SB S 阈值。
如本实验中,采用20M H z 线宽光源,光衰减器①置于0dB 时,入纤功率为11.6dBm ,已出现了明显的SB S 效应。
实际通信系统中,尤其是单路系统,在经ED FA 放大之后功率可达15dBm 以上。
一旦出现SB S 效应,系统甚至在10-3处就出现了误码率平台,根本无法正常工作。
因此,在系统设计中必须选用线宽较宽的光源,但是,也不能一味地通过加宽线宽来抑制SB S 效应。
从图5可看出,300M H z 光源传输60km 普通单模光纤后,虽然误码率可以达到10-10以下,但已有1dB 的功率代价。
