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
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 K
g 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=42
A e
g 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 K
B≈
?v B
B+?v B
g 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 K
th r≈P C W th r
B+?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 K
th r=
P C W th r
1-
f0
2?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 K
th 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
17
1999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
2
7 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 z
C :T T 1=0d B ,HW F M =300M H z
D :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。这是
由于光源静态谱线中的相位噪声经传输后转化而成的强度噪声(PM 2AM 噪声)引起的。在对光源进行小信号调制的系统中,作者观察到了同样的现象。所以,系统设计要综合考虑两方面因素,选用宽线宽光源或进行小信号调制时,应同时考虑进行色散补偿,才能保证传输距离不受影响。4 结论
从理论计算和实验验证两方面研究了SB S 的阈值特性,得出了其与光源线宽及调
制类型的关系。并证实了SB S 效应对系统误
码率特性的极大影响。笔者认为,SB S 效应是长距离光纤通信系统(特别是采用LN 调制的系统)中较易产生的非线性效应,而且会使系统特性极大恶化,在系统设计中必须着重考虑,保证入纤功率不超过SB S 阈值。在应用加宽光源线宽方法抑制SB S 效应的同时,应考虑进行色散补偿。
参考文献
1 Yasuh iro A ok i,Kazuh ito T aji m a A nd Ikuo M ito.Input pow er li m its of single 2mode op tical fibersdue to Sti m ulated B ril 2
louin Scattering in op tical comm unicati on system s .J.of L igh tw ave T echno logy,1988,6:710
～7192 A graw al .G .P 非线性光纤光学.天津:天津大学出版社,1992
3 Sm ith R G .Op tical pow er handling capacity of low lo ss op tical fibers as deter m ined by sti m ulated R am an and B rillouin
scattering .A pp l
.Op t .,1972,11:2489～24944 F ishm an D A and N agel J A .D egrati ons due to sti m ulated B rillouin scattering in m utigigabit intensity 2modulated fiber 2op tics system s .J .of L igh tw ave T echno l
.,1993,11:1721～17275 Gautheron O ,Grandp ierre G and Gaba P M .407km ,2.5Gb s repeaterless trans m issi on using an electroabso rp ti on modu 2
lato r and remo tely pumped erbium 2doped fiber Po st 2and p reamp lifiers .ECOC’94,4:15
～18371999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
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。
布里渊散射激光雷达探测技术研究 【摘要】基于布里渊散射的激光雷达探测技术是一种新型的探测技术，已经在大气国防、环境监测、气象保障、等领域受到越来越多的关注。在20km以下，较长波长的激光能分辨出更明显的布里渊频移，利用该频移，可进行空气中隐身目标的探测。此外，还可以用布里渊信号来精确测量大气不同高度的温度、压强等物理参数。 【关键词】激光雷达；布里渊散射；频移；高度 引言 激光雷达在目标跟踪与识别，导航制导、大气探测等领域发挥着重要作用。常规的激光雷达是通过测量目标的反射回波信号幅度来获得目标的参数信息，近年来，基于调频的探测方法越来越受重视，特别是瑞利、布里渊散射探测技术在星载、机载大气探测系统中的成功应用，已显示出高灵敏度、高信噪比，探测系统结构简单，适用范围广等优点。马泳等人用大气布里渊散射来探测大气温度，该方法测量大气温度的不确定度小于0.4256K[1]。用探测布里渊散射频移信号来探测水下隐身目标，该方法不是探测隐身目标本身的回波信号，而是通过探测隐身目标周围环境的布里渊信号变化来发现和跟踪隐身目标。实验证明基于布里渊散射的探测方法具有很好的反隐身性[2]。大气层内飞行器周围大气温度低、高压、气体分子扰动剧烈，存在很强空气激波等特征，这些特征使利用隐身飞行器周围大气布里渊散射来探测隐身目标成为可能。 用布里渊散射来探测水下隐身目标时，水中发生的布里渊频移约为7.5GHz，用高光谱分辨率探测器能直接分辨出布里渊散射频移信号，在探测点附近有目标时，布里渊信号消失或变得极不明显，无目标时无此现象[3]。在大气中，由于散射介质和水中不同，大气布里渊散射频移大约在 1.03～1.3GHz，以目前的技术很难把布里渊信号和瑞利信号分开，这给利用布里渊散射进行大气探测带来了很大困难，我们首次提出通过预先建立大气布里渊散射模型，然后借助模型对实际探测信号进行布里渊特征频谱分析来探测大气中的隐身目标。 1.大气布里渊散射理论基础 大气布里渊散射和水的布里渊散射的原理相同，只是介质不同，根据布里渊散射探测水下隐身目标的实验结果：当激光探测点附近存在隐身目标时，布里渊峰会消失或变得不明显，无目标时，布里渊峰比较稳定的对称分布在瑞利峰的两侧。在大气高度小于20km的标准大气中，激光波长越长，两侧对称的布里渊峰越明显；温度越低，压强越大，布里渊峰越明显。在同一波长条件下，离海平面越近，布里渊峰越强。这些特征不仅使利用大气布里渊散射探测20km以下的空中隐身目标成为可能，而且更有利于海面上的隐身舰船等目标的探测。20km及以上，由于压强急剧下降，空气气体分子密度小，不同激光波长的布里渊散射峰变得不明显，且几乎隐藏在瑞利散射谱内，不利于隐身目标的探测。
光纤激光器的工作原理及其发展前景 1 引言 光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。光纤激光器有很多独特优点，比如：激光阈值低、高增益、良好的散热、可调谐参数多、宽的吸收和辐射以及与其他光纤设备兼容、体积小等。近年来光纤激光器的输出功率得到迅速提高。已达到10—100 kW。作为工业用激光器,现已成为输出功率最高的激光器。光纤激光器的技术研究受到世界各国的普遍重视，已成为国际学术界的热门前沿研究课题。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。本文简要介绍了光纤激光器的结构、工作原理、分类、特点及其研究进展，最后对光纤激光器的发展前景进行了展望。 2 光纤激光器的结构及工作原理 2.1光纤激光器的结构 和传统的固体、气体激光器一样。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)，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，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。图1为典型的光纤激光器的基本构型。 增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间．从而构成F—P谐振器。泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤中．激射输出光从第2个反射镜输出来。 2.2 光纤激光器的工作原理 掺稀土元素的光纤放大器促进了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时．就会被稀土离子所吸收。这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有2种：自发辐射和受激辐射。其中，受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可
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/026459651.html, 3通信联系人。E -mail :zhangxm @https://www.doczj.com/doc/026459651.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４４卷第３期 ２０１５年３月 光 子 学 报ＡＣＴＡ ＰＨＯＴＯＮＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡＶｏ ｌ．４４Ｎｏ．３Ｍａｒｃｈ ２０１５ 基金项目： 国家自然科学基金（Ｎｏｓ．６０９０７０２０，６１００７０４６，６１２７５０８０）资助第一作者：马万卓（１９８９－），男，硕士研究生，主要研究方向为光纤激光器技术．Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｚｈｕｏｍａ＠１２６．ｃｏｍ导 师：王天枢（１９７５－），男，教授，博士，主要研究方向为光纤激光器及空间激光通信技术．Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇ ｔｓ＠ｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０１４－０９－０５；录用日期：２０１４－１１－ １０ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｐ ｈｏｔｏｎ．ａｃ．ｃｎｄｏｉ：１０．３７８８／ｇ ｚｘｂ２０１５４４０３．０３０６００５双向反馈布里渊－喇曼光纤激光器输出特性 马万卓１， ２，王天枢１，３，张鹏１，赵春英１，３，张靓１，３，刘鑫３，孔梅３，姜会林１，２ （１长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心，长春１３００２２ ）（２长春理工大学光电工程学院， 长春１３００２２）（３长春理工大学理学院，长春１３００２２ ）摘 要：设计了一种双向反馈布里渊－喇曼光纤激光器，研究了布里渊泵浦对输出特性的影响．布里渊－喇曼光纤激光器由一段７ｋｍ色散补偿光纤、１ ４５５ｎｍ喇曼泵浦、可调谐激光器及双反馈环组成．喇曼泵浦功率固定在２５０ｍＷ，布里渊泵浦工作波段在喇曼峰值增益处附近，可得到较多波长数输出．随着布里渊泵浦功率增加，相邻的布里渊斯托克斯光和经背向瑞利散射的斯托克斯光之间功率差减小，同时各阶斯托克斯光平均强度增加并达到饱和．受色散补偿光纤中喇曼交叉增益影响，布里渊泵浦功率由１．８ｄＢｍ增加到６．９ｄＢｍ，输出多波长数先增后减．当布里渊泵浦功率为４．４ｄＢｍ时， 对应输出波长数最多，为３７个，波长间隔０．０７８ｎｍ．关键词：受激布里渊散射；受激喇曼散射；瑞利散射；色散补偿光纤；反馈环中图分类号：ＴＮ ２４８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－４２１（２０１５）０３－０３０６００５－ ５Ｏｕｔｐ ｕｔ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ－Ｒａｍａｎ Ｆｉｂｅｒ ＬａｓｅｒＭＡ Ｗａｎ－ｚｈｕｏ１，２，ＷＡＮＧ Ｔｉａｎ－ｓｈｕ１，３，ＺＨＡＮＧ Ｐｅｎｇ１，ＺＨＡＯ Ｃｈｕｎ－ｙｉｎｇ１，３，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ１，３ ， ＬＩＵ Ｘｉｎ３，ＫＯＮＧ Ｍｅｉ ３， ＪＩＡＮＧ Ｈｕｉ－ｌｉｎ１，２（１ Ｎａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｌｏｃａｌ Ｊｏｉｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇ ｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ）（２ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｏｐｔｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ）（３ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ａ ｎｅｗ－ｄｅｓｉｇ ｎｅｄ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ－Ｒａｍａｎ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈＢｒｉｌｌｏｕｉｎ ｐｕｍｐ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ－Ｒａｍａｎ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ａ ｓｅｇｍｅｎｔ ｏｆ ７ｋｍ ｌｏｎｇｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｆｉｂｅｒ，１４５５ｎｍ Ｒａｍａｎ ｐｕｍｐ，ｔｕｎａｂｌｅ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｄｏｕｂｌｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐｓ．Ｔｈｅ ＢＰｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍｕｓｔ ｂｅ ｃｌｏｓｅｒ ｔｏ Ｒａｍａｎ ｐｅａｋ ｇａｉｎ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｍｏｒｅ Ｓｔｏｋｅｓ ｌｉｎｅｓ ｗｈｅｎ ＲＰ ｉｓ ｆｉｘｅｄ ａｔ ２５０ｍＷ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｎｅｉｇｈｂｏｕｒｉｎｇ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｗａｓｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ＢＰ ｐｏｗｅｒ，ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔｏｋｅｓ ｌｉｎｅｓ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎｖａｌｕｅ，ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ－ｇａｉｎ ｉｎ ＤＣＦ，ｆｉｒｓｔｌｙ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｌａｓｉｎｇ ｌｉｎｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ＢＰ ｐｏｗｅｒ ｗａｓ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｆｒｏｍ １．８ｄＢｍ ｔｏ ６．９ｄＢｍ．Ｍａｘｉｍｕｍ ３７ｏｕｔｐｕｔｃｈａｎｎｅｌｓ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｈｅｎ ＢＰ ｐｏｗｅｒ ｆｉｘｅｄ ａｔ ４．４ｄＢｍ，ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｓｐａｃｉｎｇ ｉｓ ０．０７８ｎｍ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｆｉｂｅｒ；Ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐ ＯＣＩＳ Ｃｏｄｅｓ：０６０．３５１０；１４０．３４６０；０６０．３５１０；１４０．３５５０１ －５００６０３０
基于布里渊散射的分布式光纤传感器综述 一引言 光纤传感器具有无辐射干扰、抗电磁干扰性好、化学稳定性好等优点，受到越来越多的重视。其中分布式光纤传感器（DOFS）不仅具有一般光纤传感器的优点，而且可以在沿光纤的路径上同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息。能做到对大型基础工程设施的每一个部位都象人的神经系统一样进行远程监控。因此具有广范的应用前景，在民用和国防诸如城市煤气管道、城市输电/通信缆线、海底输油气管道、海底电缆、水库水坝、桥梁、隧道、高速公路、大型设施等建筑物的应力温度检测方面有独特的优势，因此受到越来越多的重视。 由于分布式光纤传感器具有其它传感技术无法比拟的优点，因此成为目前传感技术研究领域的热点之一。目前对它的研究主要集中在以下三个方面：（1） 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术； （2） 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术； （3） 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。 瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同．在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位，基于瑞利散射的研究已经趋于成熟, 并逐步走向实用化。基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础，它在80年代初期得到了广泛的发展．然而由于该技术难以克服测量精度低、传感距离短的缺陷，目前在这方面的研究已鲜有报道．拉曼散射DOFS利用的是光纤中的自发拉曼散射光，信号微弱，较自发布里渊散射信号约低一个数量级，因此传感性能较低且难以实现几十公里以上的长距离传感；另外拉曼散射只对温度敏感，难以用于地质、建筑结构等的健康检测。而光纤的布里渊散射对温度和应变都敏感，通过检测来自传感光纤的布里渊散射光的频移和强度，布里渊散射DOFS得到沿光纤分布的温度或应变信息；并且工作于1.55μm波长附近的布里渊散射DOFS，光信号受到的衰减和色散较小，从而使得布里渊散射DOFS适合于长距离（大于几十千米）分布式传感。 虽然基于布里渊散射的分布传感技术的研究起步较晚, 但由于它在温度、应变测量上达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术, 因此这种技术目前得到广泛关注与研究。 布里渊散射DOFS主要有布里渊光时域反射计（BOTDR）、布里渊光时域分析（BOTDA）、布里渊光频域分析（BOFDA）三种，由于具有不同的光信号处理结构和布里渊散射作用机制，因此他们具有不同的性能特点和适用场合。另外日本的保利和夫教授提出的基于基于布里渊相关域分析（BOCDA、BOCDR）的光纤传感技术也有自己独到的地方。 基于自发布里渊散射的BOTDR，拥有单端光信号处理的优点，但由于自发布里渊散射光较微弱，传感器的分辨率和响应时间受到很大的制约。 基于受激布里渊散射的BOTDA，具有检测信号较强的优点，相对于BOTDR，传感器的分辨率和响应时间可得到有效的改善，但BOTDA一般需要对传感光纤的两端进行光信号处理，使用场合受到一定的限制。 基于布里渊光频域分析的BOFDA，和BOTDR、BOTDA相比，BOFDA同
基于布里渊散射的多波长光纤激光器及分布式光纤传感研究随着信息容量需求的日益增长，高速大容量长距离将成为下一代全光通信网络的发展趋势。为了有效的利用光纤中有限的频率资源，频率间隔20GHz，甚至10GHz将是未来密集波分复用技术发展方向之一。 多波长的布里渊掺铒光纤激光器(MBEFL)具有窄线宽、宽调谐性、低阈值、低强度噪声、低成本，频率间隔固定，在室温下稳定的单纵模运转等特点，将可能成为未来最佳的通信光源之一。另外，布里渊光纤激光器(BFL)在光纤传感网络、频谱分析、RF等领域存在潜在的应用价值。 分布式布里渊光纤温度与应变传感器具有分布式光纤传感器优点的同时，还具有其它光纤传感无法媲美的显著特点，能同时测量温度与应变，可以应用于电力，石油化工、核电站、公路、桥梁、隧道、大坝、铁路、航天航空等各行业，受到国外内广泛关注。然而分布式布里渊光纤传感存在系统复杂，技术不成熟，成本高，测试时间长等问题而难以广泛应用。 本论文在佛山市禅城区工业公关计划，国家自然科学基金和国家863计划支持下，围绕多波长布里渊光纤激光器(MBFL)和分布式布里渊光纤传感两个方向进行初步的理论和实验研究，概括全文的研究成果和贡献，有如下几个方面：(1)根据布里渊耦合强度方程，推导出求解布里渊强度耦合方程一种快速有效近似解析方法，并数值解进行比较。分析了在四种情况下，光纤中的受激布里渊散射(SBS)阈值大小，用实验验证了光纤中的布里渊阈值与理论的一致性。 研究了脉冲形式的布里渊泵浦光在光纤中的Stokes与泵浦光强演变，对光纤中的温度或应变引起的频率失谐对泵浦光与探测光光强的影响进行仿真研究，检测出失谐处的位置与失谐量。(2)基于135m的高非线性光纤(HNLF)，利用光纤
光纤激光器的详细介绍 光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等。 工作原理 光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，其导光原理是利用光的全反射原理，即当光以大于临界角的角度由折射率大的光密介质入射到折射率小的光疏介质时，将发生全反射，入射光全部反射到折射率大的光密介质，折射率小的光疏介质内将没有光透过。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯、中间低折射率硅玻璃包层和最外部的加强树脂涂层组成。光纤按传播光波模式可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的芯径较小，只能传播一种模式的光，其模间色散较小。多模光纤的芯径较粗，可传播多种模式的光，但其模间色散较大。按折射菲菲内部可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。 以稀土掺杂光纤激光器为例，掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质，掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从M1入射到光纤中，从M2输出激光。当泵浦光通过光纤时，光纤中的稀土离子吸收泵浦光，其电子呗激励到较高的激发能级上，实现了离子数反转。反转后的粒子以辐射形成从高能级转移到基态，输出激光。 类型 按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为： 1、晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG 单晶光纤激光器等。 2、非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。 3、稀土类掺杂光纤激光器。光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器。 4、塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 按增益介质分类为： a)晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:Y AG 单晶光纤激光器等。 b)非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。 c)稀土类掺杂光纤激光器。向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶)而制成光纤激光器。 d)塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 (2)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、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。 (3)按光纤结构分类为单包层光纤激光器、双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。 (4)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，其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器(脉冲宽度为ns量级)和锁模光纤激光器(脉冲宽度为ps或fs量级)。 (5)根据激光输出波长数目可分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。
光纤激光器简介 二、光纤激光器的结构和类型 1.光纤激光器的结构 要产生激光，必须具备工作介质、泵浦源和谐振腔这三个基本条件。光纤激光器一般是采用掺杂光纤作为工作介质，以光纤光栅、光纤环形镜或光纤端面等作为反射镜来构成反馈腔。光纤激光器普遍采用光泵浦，泵浦被耦合进光纤，由于光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下光纤内容易形成高功率密度，造成激光工作介质的能级上“粒子数反转”，再加上合适的反馈装置构成谐振腔，就能够产生激光振荡。 1.1 泵浦方式 (1)小功率LD端面泵浦.。采用一定的耦合系统将泵浦光会聚到较小的激光介质表面,可以实现激光器表面处的高泵浦功率密度,实现对激光介质的高效泵浦.这种小功率激光器的单模纤芯直径只有9um，它只能采用端面泵浦，无法承受太高的功率密度。同时单模纤芯对LD的模式提出了严格的要求，只有单模光才可以耦合进纤芯进行有效泵浦，但是大功率单模LD至今无法实现，该种结构一直局限于光通信领域。 (2)高功率泵浦.其中一个典型的结构及时采用杈纤进行侧面泵浦,其结构如图 1.2 谐振腔结构 (1)线形腔
a. DBR光线激光器. DBR光纤激光器使用两个较高反射率的光纤光栅作为反射镜，将其置于掺杂光纤的两端，构成线形激光谐振腔来增强模式 选择。 b.DFB光纤激光器. 是利用直接在稀土掺杂光纤写入的光栅来构成谐振腔的。 (2)环形腔 光纤环形谐振腔的结构如图. . 1.3增益介质 现在大部分的光线激光器都采用掺杂光纤作为增益介质。目前,比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、Nd3+、Yb3+。掺铒光纤在1.55um波长具有很高的增益，对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒光纤激光器发展十分迅速。掺镱光纤激光器是1.0-1.2um 波长的通用源，Yb3+具有相当宽的吸收带（800-1064nm）以及相当宽的激发带（970-1200nm），故泵浦源的选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。
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28卷 第9期光 学 学 报 V ol.28,N o.92008年9月 ACTA OPTICA SINICA September,2008 文章编号:0253 2239(2008)09 1740 05 单纵模布里渊掺铒光纤激光器的实验研究 陈 伟 张 艳 任 民 谢 亮 袁海庆 王 欣 祝宁华 (中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室,北京100083) 摘要 提出了一种具有多环形腔(M R C)和光纤布拉格光栅可调谐滤波器(FBG-T F )相结合的单纵模布里渊掺铒光纤激光器(BED FL )。实验中通过观察激光器输出光的拍频信号分析其光谱精细结构,分别讨论了布里渊增益、FBG T F 、M RC 对BEDFL 单模输出的贡献,给出了激光器的功率特性曲线和波长稳定性测试图。实验得到了在1550nm 处功率为4dBm,信噪比(SN R)>60dB,线宽小于1.5kH z 的稳定单纵模输出光。 关键词 激光器;布里渊掺铒光纤激光器;受激布里渊散射;多环形腔;光纤布拉格光栅可调谐滤波器中图分类号 T N 248.1 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 20082809.1740 Expe rime ntal Study of Single Longitudinal Mo de Brillo uin Erbium Dope d Fibe r Lase r Chen Wei Zhang Yan Ren Min Xie Liang Yuan Haiqing Wang Xin Zhu Ninghua (St at e Key L abor at or y of In tegr at ed Optoelectr on ics ,In stitu te of Sem iconductor s ,Chin ese Aca dem y of Scien ces , Beijing 100083,Chin a ) Abstract A single longitudinal mode (SL M)Brillouin erbium doped fiber laser (BEDFL)with mult iple ring cavities (MRC)and fiber Bragg grating tunable filt er (FBG TF)is proposed and demonstrated.The fine structure of optic al spectrum is measured by observing the la ser beat signals in the experiment,and effects of Brillouin gain,FBG TF,and MRC on the single mode output a re discussed,respectively.The output c haracteristic curve and wavelength stability test c hart are given.The single mode output power of 4dBm with the signal noise rate over 60dB and linewidth of less than 1.5kHz is achieved.Key word s lasers;Brillouin erbium doped fiber laser;stimulated Brillouin sc attering;multiple ring cavities;fiber Bragg grating tunable filter 收稿日期:2007 11 09;收到修改稿日期:2008 02 25 基金项目:国家自然科学基金(60510173,60536010,605060067)资助课题。 作者简介:陈 伟(1982-),男,博士研究生,主要从事光纤激光器方面的研究工作。E mail:wchen@https://www.doczj.com/doc/026459651.html, 导师简介:祝宁华(1959-),男,研究员,博士生导师,主要从事微波光电子器件的封装与测试等方面的研究。E mail:nhzhu@https://www.doczj.com/doc/026459651.html, 1 引 言 半导体激光器输出光的3dB 线宽(半峰全宽,FWH M )是比较大的,如分布反馈式(DFB)半导体激光器其线宽典型值为20M H z,而光纤激光器(FL)的线宽很窄,可以做到千赫兹量级,甚至几个赫兹(如布里渊光纤激光器)。由于其线宽极窄并且易于调谐而广泛应用于超高精度的相干探测,同时也是实验室理想的相干光源。 采用掺铒光纤(EDF)作为增益介质的FL 称之为掺铒光纤激光器(EDFL),目前得到了广泛的研究[1~3]。受激布里渊散射(SBS )是光纤中抽运波、斯托克斯波通过声波进行的非线性相互作用,对于 1.55 m 的入射抽运波,后散射的斯托克斯波相对 抽运波有9到12GH z 的频率下移(频移的大小与纤芯材料和光纤结构有关);布里渊增益的带宽很窄,其典型值为10~20M H z 。采用布里渊增益作为增益介质的FL 称为布里渊光纤激光器(BFL)。一般采用一个具有高精细度的环形腔[4],通过合理地设计环形腔长度、光耦合器的分光比、损耗以及抽运波长,可以使其在抽运功率小于1m W 的情况下就能产生布里渊激射[5],但是高精细度腔的储能对腔长极其敏感,温度变化引起的腔长亚波长级改变会导致增益的剧烈变化,从而引起输出功率的不稳定性,同时其输出功率也很小。