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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)。
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。
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
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。
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。
