非线性光纤光学第九章-受激布里渊散射

第九章受激布里渊散射（SBS）1.SBS的基本概念2.准连续SBS3.布里渊光纤放大器4.SBS的动态特性5.布里渊光纤激光器1、机理SBS可描述为泵浦波、斯托克斯波和声波之间的参量互作用。可看作是一个泵浦光子的湮灭，同时产生一个斯托克斯光子和一个声学声子。根据能量和动量守恒，SBS过程中三个波之间的频率和波矢有以下关系：1.SBS的基本概念BpsApskkk满足色散关系的声波的频率和波矢2sin(2)BAAApkk泵浦波与斯托克斯波之间的夹角在单模光纤中，只有前、后向为相关方向。因此，SBS仅发生在后向，且后向布里渊频移为22BBApn泵浦波长处的折射率举例：若取vA=5.96km/s，n=1.45，则对于石英光纤，在λp=1.55μm附近，布里渊频移约为11.1GHz。2、布里渊增益谱SBS的增益频谱很窄（约10MHz），可以近似为洛伦兹形谱线分布2222()2pBBBBgg布里渊增益峰值为22208()epBBppABggnc信号频率(GHz)泵浦波长在1.525ｍ处三种光纤的布里渊谱，(a)石英芯光纤（b）凹陷包层光纤(c)色散位移光纤频移（GHz）输入功率（dBm）相对功率色散补偿光纤的布里渊增益谱布里渊增益谱的特点：与光纤种类有关，不同光纤的布里渊频移不同石英光纤的布里渊增益带宽较块状石英的大脉宽比声子寿命短时，布里渊增益就会显著减小泵浦的谱宽超过布里渊频移时，布里渊增益减小在连续或准连续条件下，泵浦波与Stokes波的相互作用与SRS的情形类似：2.准连续SBS1、基本方程pBpspdIgIIIdzsBpssdIgIIIdz几点说明：(a)Stokes波与泵浦波方向相反(b)假设Stokes波与泵浦波的损耗相同(c)gB与频率无关（频移很小），且在考虑线偏振时，其值减小到原来的2/3不考虑光纤损耗的情况下：0psdIIdz强度沿光纤保持为一常数effBeffthLgAP/21BthgwP/)(212L足够长时，Leff1/，而Aeff可用w2代替，w为模场半径2、布里渊阈值忽略泵浦消耗：zppeIzI)0()(代入以上方程并积分可得0effeff(0)()exp()ssBIILgPLAL0eff(0)pPIA阈值功率Pth与光纤的衰减系数、光纤有效长度Leff、布里渊增益系数gB和光纤的有效面积Aeff有关，可近似写为：举例：若光纤纤芯的有效面积为50m2，光纤有效长度为20km，布里渊增益为5×1011m/W，可以计算出阈值约为1mW。几点说明：布里渊阈值与光的偏振、光纤的掺杂和芯径等有关可以通过调制泵浦波的相位或对泵浦波施加啁啾，以及利用光纤光栅增加布里渊阈值计算多模光纤的布里渊阈值时，要乘以一个和光纤数值孔径及纤芯直径有关的增强因子与SRS类似，SBS在光纤中产生的增益能用来放大频率相对泵浦频率以等于布里渊频移的量位移的弱信号。条件是通过SBS使功率从泵浦波转移到信号波中，泵浦和输入信号必须以相反方向在单模光纤中传输。增益饱和：在布里渊阈值以上时，必须考虑能量转移引起的泵浦消耗，这将导致增益下降，并趋于饱和（增益减小3dB）3.布里渊光纤放大器000sPbII00BpggI()(0)inspbILISBS效率的量度SBS过程的小信号增益输入的信号比布里渊放大器的饱和增益00sssinGIILbb由于泵浦功率一般为1ｍW左右，光纤布里渊放大器的饱和功率也约为1ｍW。当泵浦脉宽~100ns时，准连续处理才是合理的；当脉冲宽度~10ns时，必须考虑参与SBS过程的声模的动态特性。4.SBS的动态特性耦合振幅方程：221122ppppsppgAAAiAAAiAQzvt22*1122sssspspgAAAiAAAiAQzvt*2eff12ABBpsiQQviAAtzA近似相等近似相等声波振幅说明：以上方程只考虑到SPM和XPM效应，没有考虑色散！若泵浦和斯托克斯脉冲的峰值功率相当低，SPM和XPM效应也可以忽略，SBS过程可用下面两个简单的方程描述eff1ppBpspgPPgPPPzvtAeff1BsspssggPPPPPzvtA在稳态条件下，这两项为零，方程简化为前面最初的方程。弛豫振荡：在达到稳定值时，有弛豫振荡现象；如果存在外反馈，弛豫振荡会转变为稳定振荡。解释：在光纤输入端附近，斯托克斯波的迅速增大消耗了大量泵浦波，导致增益下降，直到泵浦波的消耗部分从光纤出来，增益才重新恢复。上述过程重复进行形成了振荡。调制不稳定性和混沌：当两反向传输的泵浦波同时出现时，即使它们的强度都未能达到布里渊阈值，也能发生另一种不稳定性，这种SBS感应的调制不稳定性类似于XPM感应调制不稳定性；根据泵浦的不同，斯托克斯功率表现为周期性或准周期性振荡，并最终变为混沌。连续（CW）运转的布里渊激光器环形腔结构可以提高泵浦功率，使阈值降低，可用于高精度激光陀螺仪中F-P腔结构的布里渊激光器同时存在前向和后向传输的泵浦波和斯托克斯波分量，不仅能通过级联SBS过程产生更高级的斯托克斯波，而且同向传输的泵浦波和斯托克斯波的四波混频产生了反斯托克斯分量，因此有多条Stokes线。5.布里渊光纤激光器定向耦合器激光器分束器透镜扫描光谱分析仪斯托克斯波泵浦波图9.18光纤布里渊环形激光器的示意图，定向耦合器将泵浦光束注入环形腔内新型CW运转布里渊激光器图9.19含有两个光纤环的光纤布里渊激光器的示意图布里渊泵浦环行器1环行器2环行器3输出耦合器波长选择耦合器980nm激光二极管SMF-28光纤铒光纤980nm泵浦3dB耦合器10dB耦合器图9.20自种子注入光纤布里渊激光器的示意图，OC、PC、PMF和OSA分别代表光环行器、偏振控制器、保偏光纤和光谱仪脉冲运转布里渊激光器利用锁模脉冲序列同步泵浦光纤布里渊激光器产生短斯托克斯脉冲通过非线性自脉动机制产生脉冲序列斯托克斯波泵浦波t/trt/tr图9.21在自脉动区域，斯托克斯（上行）和泵浦（下行）强度在多个往返回路的演变：(左图)从噪声中初步形成的波形；（右图）经4800次往返后完全形成的脉冲序列本章小结1、SBS特点增益带宽窄（约10GHz），这说明SBS效应被约束在WDM系统的单个波长信道内功率阈值与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值越低Stokes波与泵浦波反向传播SBS的增益系数与波长无关2、减小SBS对系统影响的主要措施减低入纤功率，使单信道功率保持在SBS阈值以下增加光源线宽，大于100MHz采用相位调制技术3、SBS主要应用一般情况下，SBS在光纤通信系统中是一种有害的因素，应注意减小。但由于它能通过将具有合适波长的泵浦场的能量传递给另一波长的光场，使该光场得到放大，所以能用于制造布里渊放大器。但由于其增益谱宽窄，放大器的带宽也很窄。SBS已被用来制作分布光纤传感器，它能够在相当长的距离上探测温度和应力的变化。具有传感距离远，精确稳定，信噪比高、测量参数可调等优点。