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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。
《基于拉曼放大的布里渊光时域反射系统的研究》篇一一、引言随着现代光学技术的飞速发展，布里渊光时域反射系统（BOTDR）作为一种重要的光纤传感技术，在通信、医疗、环境监测等领域得到了广泛的应用。
然而，传统的BOTDR系统在长距离和高灵敏度测量方面仍存在局限性。
为了解决这些问题，本文提出了一种基于拉曼放大的布里渊光时域反射系统（Raman-amplified BOTDR），旨在提高系统的性能和测量精度。
二、拉曼放大技术概述拉曼放大技术是一种基于非线性光学效应的光纤放大技术，其原理是利用光纤中的拉曼散射效应，将泵浦光能量转移到信号光中，从而实现信号的放大。
拉曼放大技术具有带宽大、增益高、噪声低等优点，因此在光纤通信和光纤传感领域具有广泛的应用前景。
三、布里渊光时域反射系统原理布里渊光时域反射系统（BOTDR）是一种基于布里渊散射效应的光纤传感技术。
它通过向光纤中注入脉冲光，测量布里渊散射光的频移和强度，从而得到光纤中不同位置的温度和应变信息。
BOTDR系统具有高分辨率、高灵敏度和长距离测量的优点，因此在光纤传感领域得到了广泛的应用。
四、基于拉曼放大的布里渊光时域反射系统设计放大技术与BOTDR系统相结合，以提高系统的性能和测量精度。
系统设计包括以下几个部分：1. 光源：采用高功率、窄线宽的激光器作为泵浦光和信号光的源。
2. 光纤：采用特殊设计的光纤，包括高非线性光纤和拉曼增益光纤。
3. 拉曼放大器：利用泵浦光在拉曼增益光纤中产生拉曼散射效应，实现信号光的放大。
4. BOTDR传感器：通过向光纤中注入脉冲光，测量布里渊散射光的频移和强度，从而得到光纤中不同位置的温度和应变信息。
五、实验结果与分析我们通过实验验证了基于拉曼放大的布里渊光时域反射系统的性能。
实验结果表明，该系统具有以下优点：1. 高增益：拉曼放大技术能够有效地提高信号光的增益，从而提高了系统的信噪比。
2. 长距离测量：由于拉曼放大技术的带宽大，因此该系统能够实现长距离的光纤测量。
基于布里渊散射的光纤分布传感系统性能分析光纤分布传感系统是一种基于光纤传感技术，能够实现点、线、面分布式传感的一种新型测量仪器。
其中，基于布里渊散射的光纤分布传感系统因其实时性好、分辨率高、可靠性高等特点被广泛应用于多个领域中。
本文将对基于布里渊散射的光纤分布传感系统的性能进行分析。
一、布里渊散射原理布里渊散射是指在一定范围内，能够发生光子的频率和方向变化的现象。
其原理是当激光束经过光纤时，由于光线经过的光纤材料的非均匀性，导致散射现象。
当散射声波的波长等于光纤的原长，产生的强波与弱波正好相等，形成了一个周期性的波，称为布里渊波。
二、布里渊散射的应用基于布里渊散射原理的光纤传感系统可以用来测量温度、应变、压力、流速等物理量，具有广泛的应用前景。
其工作原理是，当测量介质的物理量发生变化时，会导致光纤长度和折射率的变化，进而改变布里渊波的频率和强度，最终将这些信息转换为电信号输出。
三、基于布里渊散射的光纤分布传感系统的性能分析1. 实时性好基于布里渊散射的光纤传感系统采用激光束技术，具有快速响应、高精度、高灵敏度的特点，可以实现实时监测测量介质内各项物理量的变化，保证数据的时效性和准确性。
2. 分辨率高一般情况下，基于布里渊散射的光纤传感系统的分辨率在0.01K左右，可以满足各项物理量的精确测量需求，大大提高了数据采集的精确度。
3. 可靠性高基于布里渊散射的光纤传感系统采用光纤传输技术，可以抵御电磁干扰和外界噪音，具有较高的可靠性和稳定性，可以在恶劣的环境条件下保证数据的准确输出。
4. 应用范围广基于布里渊散射的光纤传感系统可以用来测量温度、应变、压力、流速等多项物理量，可以广泛应用于核电、航空航天、交通运输、地质勘探等领域中，在工业自动化、环境监测、安全检测等方面都具有广泛的应用前景。
四、总结基于布里渊散射的光纤传感系统具有实时性好、分辨率高、可靠性高、应用范围广等特点，是一种新型、有效的测量仪器，被广泛应用于多个领域中。
基于布里渊散射光时域分析的形状传感研究
刘紫娟;武佳琪;张立欣;李永倩;王健健;王宽
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2024(53)4
【摘要】搭建了基于布里渊散射光时域分析技术的应变测量系统,采用七芯光纤作为分布式形状传感器,通过测量七个纤芯在弯曲时的布里渊散射谱,验证了七芯光纤偏芯之间每两个对称芯所受应变值相等且互为相反数的特点。
对比七芯光纤中间芯与偏芯的布里渊增益谱,测得偏芯在不同弯曲半径下的布里渊频移变化,得到偏芯在每个位置受到的应变值。
利用并行传输标架形状重构算法对七芯光纤在曲率直径为0.112 m和0.052 m时的形状进行了重构,当曲率直径为0.112 m时,曲率重构误差为0.375%。
【总页数】9页(P95-103)
【作者】刘紫娟;武佳琪;张立欣;李永倩;王健健;王宽
【作者单位】华北电力大学(保定)电子与通信工程学院;华北电力大学(保定)电子与通信工程学院河北省电力物联网技术重点实验室;华北电力大学(保定)电子与通信工程学院保定市光纤传感与光通信技术重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
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4.基于布里渊散射光时域反射测量技术的分布式光纤测斜管研发与应用
5.基于光频域布里渊散射的全分布式光纤应变传感器的研究
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基于光纤布里渊测量系统的脉冲发生器的设计和实现2400字摘要：该设计是为分布型光纤布里渊测量系统中的电光调制器提供一个激励源，包括数控脉冲系统和自动偏压系统。
该设计在对测量系统认真分析的基础上，制定了基于SOPC 的实现方案，并分别对数控脉冲发生系统和自动偏压系统的硬件电路、软件设计，最终成功实现了作为电光调制器激励源的设计。
关键词：：脉冲发生器，自动偏压控制，SOPC，NiosII1 引言该设计是为分布型光纤布里渊测量系统中的电光调制器提供一个激励源。
在测量布里渊散射信号时，由窄谱激光器发出的光经耦合器输出，一部分光作为本振光，另一部分光通过由脉冲发生器激励的电光调制器（Electro-Optic Modulator，EOM）调制成脉冲光。
光在传播时产生的散射光经环形器输出，在光电检测器上与本振光进行相干检测，将布里渊散射信号变换为电信号，通过分析电信号频谱的方法同时得到布里渊散射信号的强度和频移[1-3]2 整体系统框图整个系统根据所实现的功能，可以分为两部分：高速脉冲发生源及其控制系统部分[17]；偏压产生及自动偏压控制系统部分[6][7]，系统整体框图如图1所示。
3 功能结构3.1 高速脉冲发生源高速脉冲发生源使用硬件描述语言在FPGA内设计，它的主要功能是产生一个周期和脉宽可变的脉冲波。
通过改变计数器的上限值来改变周期，通过改变电平翻转的阈值来改变脉宽。
由FPGA产生的脉冲电压幅度为3.3V，之后使用高速、高转换速率的运算放大器把脉冲幅度放大，作为输入电光调制器的电脉冲。
脉冲发生源所用的时钟，是使用FPGA内部锁相环将外部50MHz有源晶振进行4倍频后产生的200MHz时钟。
EP1C6Q240C8内部集成了2个可编程锁相环，可以提供高性能的时钟管理能力，如频率合成、可编程移相、片外时钟输出、可编程占空比、失锁检测以及高速差分时钟信号的输入和输出等。
与直接来自片外的时钟相比，通过锁相环输出的片内时钟可以减少时钟延时和时钟变形，减少片内干扰，可以改善时钟的建立时间和保持时间。
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。
基于序列编码探测脉冲的布里渊光纤传感器的研究布里渊光纤传感器(BOFS)是一种全分布式的光纤传感器。
它可以测量光纤沿线任意位置处的温度和应力信息,因此在桥梁、大坝、隧道、海底光缆等大型建筑结构的健康监测中具有其它传感器不能比拟的优势。
其中布里渊光时域反射技术(BOTDR)和布里渊光时域分析技术(BOTDA)是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术中的两种主流技术,具有传感距离长、结构相对简单的特点。
然而,由于受到光纤损耗以及光纤中的非线性效应的限制,使得BOTDR和BOTDA无法同时满足很多应用场合中对测量精度和测量距离的要求,极大的限制了它们在实际工程中的应用。
为此,本论文在深入研究布里渊光纤传感器工作原理的基础上,分析了自发布里渊散射和受激布里渊散射信号的特点,提出采用序列探测脉冲光提高系统信噪比的方法,并探讨了脉冲形状和序列长度对系统空间分辨率、频率测量精度和传感距离的影响,同时结合系统探测器性能对解码方法进行了优化,使得传感器可以在空间分辨率不变的前提下增加传感距离和频率探测精度。
本文的主要工作如下：1、针对编码脉冲BOTDR和BOTDA系统信号的特点,提出采用二次采样的方法解决由于采样率和脉冲宽度不匹配造成的时域信号失真的问题。
使得基于相关运算的编码方式可以无失真的提高传感系统信噪比。
2、提出采用编码增益较高的Hadamard序列刘BOTDR探测脉冲光进行调制,提高系统的信噪比。
该编码技术降低了BOTDR系统对光源功率和放大器的要求,不仅可以避免自发辐射噪声降低系统性能而且降低了系统的成本。
3、针对BOTDA系统中受激布里渊效应造成的信号失真问题,提出对探测脉冲进行调制时采用用归零(RZ)编码方式代替传统的非归零(NRZ)以降低非线性放大对解码处理造成的误差。
从理论和实验上比较了两种编码方式对BOTDA空间分辨率,频率分辨率的影响。
实验结果表明,采用RZ方式的编码脉冲光可以避免受激布里渊效应对序列脉冲光的非线性放大造成的信号失真。
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 AAnalysis of Brillouin Threshold Based on Pulsed LightWang 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 Sensor1 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@ 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@*通信联系人。
Email：xpzhang@值功率，光脉冲的功率达到布里渊散射阈值时，受激布里渊散射会将绝大部分输入光功率转换为后向斯托克斯波。
布里渊阈值与传感距离是一对相互制约的量，随着传感距离的增加，受激布里渊阈值就会降低[4]，限制了探测脉冲光的功率，降低了探测距离。
目前，需要探测的距离越来越大，精度要求越来越高，研究脉冲光的布里渊阈值，提高布里渊光时域反射仪的探测距离及系统的分辨率显得非常必要。
光纤中受激布里渊阈值的研究[5、6]很多，但给出的结果都是基于连续泵浦的布里渊散射过程，没有见到对脉冲光布里渊散射阈值的研究。
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，通过分析该脉冲光阈值表达式，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，得到脉冲光泵浦时的阈值，与理论推导的结果进行了对比。
2 理论分析2.1 脉冲光布里渊阈值计算在光纤中，当注入光功率为和背向斯托克斯波功率为p P s P 时，那么注入光功率与背向斯托克斯光的传输差分方程可以用方程式1和2表示[7]：()pp s p dP f P P P dz γζ=−−α （1）()s p s s dP f P P P dzγζ=−+α （2） 其中f 为频率，α为光纤的损耗系数，单模光纤的声波模式增益因子γ可以表示为0eff g A γ=z ，设泵浦源输出的功率为，在泵浦光没有损耗的情况下，距离泵浦源处的泵浦光功率可以表示为0P 0P P exp()p z α=−，具有洛伦兹形状的布里渊增益()f ζ可以表示为：21()1()/2p BB f f f f f ζ=−++Δ （3） 由以上分析，方程式2可以改写为：0()exp()s s s dP f P z P dzP γζαα=−−+ （4） 若斯托克斯波中注入的光子占有数为，方程式4又可以改写为[8]： N0()exp()()sp dN f P z N n dzN γζαα=−−++ （5） 其中自发光子数1(exp(/)1))()sp B n hf kT kT =+−=B hf ，k 为玻尔兹曼常量，h 为普朗克常量，T 为绝对温度。
光纤中在没有起始的自发布里渊散射光子的边界情况下（即），那么在单一极化状态时的布里渊增益为：()=0N L ()G f (0)11()exp[()(1exp())]()1()()L sp N G f f L e n f ακζακζκζ−==−−+−−f （6） 其中000eff g P A P καγ==α，那么在整个频谱范围内的斯托克斯光功率可以写为：(0)s P 2(0)2()()s sp B kT P n hfG f df fG f df f ∞∞−∞−∞==∫∫ （7）将式6代入式7可以得出：/20114(0)(1)[()((1)(3222222L L p B q s B kTf f e q q e q P e q I I f ααπ−−Δ⎧⎫=+−−−⎨⎬⎩⎭I （8） 其中，c 为真空中的光速，n 为纤芯折射率，/2(1)c n q e ατκ−=−τ为脉冲宽度，0()I 124q q =+，1I ()q =−324q ，根据布里渊阈值定义：光纤入射端的背向散射光功率等于入射光功率的η倍时的入射光功率，即(0)(0)s p P P η=时的入射光功率为受激布里渊散射阈值，这里的η值为0.1 [9、10]，那么由方程式8可以得到布里渊阈值为： th P /2/2/20114(1(()](1)()3222222c n c n p B q th B kTf f e q q e P e q I I f ατατπη−−Δ⎧⎫=+−−−⎨⎬⎩⎭q I （9） 2.2 脉冲光阈值系数人们对光纤中的连续光泵浦的布里渊散射阈值做了很多理论分析，继Smith[8]给出的基于入射光功率等于背向散射光功率时的入射光功率的受激布里渊散射阈值功率理论估算模型之后，Sebastien LeFloch [7]等人又通过实验研究后提出了连续光的增益模型。
这些阈值估算都可以用一个通用的计算模型，如10式表示：th P 0eff th effGA P g L ≅ （10）其中是有效纤芯面积，G 为布里渊阈值系数，是布里渊增益峰值系数，是光纤的有效作用长度，他们可以分别表示为：eff A 0g eff L 2712022a B p n g cV f πρλ=Δ （11） []1exp()eff L L αα=−− （12）其中λ是入射光波长，n 是光纤折射率，c 是真空中的光速，12p 是光弹性张量系数，ρ是光纤密度，V 是纵模声速，a B f Δ为布里渊线宽。
当入射光脉宽为τ的脉冲光时，且任意时刻光纤中仅容许一个光脉冲存在的情况下，光纤有效作用长度可以用13式表示[8]：eff L 2eff c L nτ= （13） 由方程式1和4可以得出脉冲光布里渊阈值的估算模型：th P 02eff th nA P G g c τ≅ （14）由方程式9和14，可以得出脉冲光布里渊阈值系数G 为：/2/2/2011024(1)[()()](1(/3222222c n c n p B eff q B kTf f nA e q q e q G e q I I I f g c ατατπητ−−Δ⎧⎫=+−−−⎨⎬⎩⎭ （15） 若35B f MHz Δ=， 1.55p f m μ=，，110210/g m −=×W 11B f GHz =的普通单模光纤，通过计算方程式15可以得出脉冲光布里渊阈值系数与脉冲宽度、光纤半径和温度因素之间的关系，如图1所示。
(a) 布里渊阈值系数与光纤半径的关系(a) The coefficient of Brillouin threshold versus the fiber radius(b) 布里渊阈值系数与脉冲宽度的关系(b) The coefficient of Brillouin threshold versus the pulse width(c) 布里渊阈值系数与光纤温度的关系(c) The coefficient of Brillouin threshold versus temperature图1. 脉冲光布里渊阈值系数与光纤长度、脉宽、光纤半径和温度的关系Fig.1 The coefficient of Brillouin threshold of pulsed light versus the fiber length and pulse widthand fiber radius and temperature从图1中可以看出，脉冲光阈值系数不是一个常数，而是随着入射光的脉宽、光纤半径、光纤温度的变化而改变。
