受激布里渊散射(SBS)原理及优化

1、 受激布里渊散射原理及优化受激布里渊散射原理及优化 Yan Chen4/10/2013Contents光纤的非线性光纤的非线性1Click to add Title2Click to add Title34受激布里渊散射受激布里渊散射测试测试 方法方法优化方法及结论优化方法及结论引言引言SBS测试的意义消除干扰，必须清楚其产生原因，则弄清什消除干扰，必须清楚其产生原因，则弄清什么么是受激布里渊散射以及如何减小受激布里是受激布里渊散射以及如何减小受激布里渊散射对我们的渊散射对我们的影响，尤为重要。影响，尤为重要。发生受激布里渊散射后，产生的受激布里渊受激布里渊散射后，产生的受激布里渊散射光对入射

2、光会造成串扰；对激光器产生散射光对入射光会造成串扰；对激光器产生干扰作用。干扰作用。光纤的非线性光纤的非线性介质偶极子 总光场光场光场极化极化电磁波电磁波叠加叠加线性：线性：EP0非线性非线性：.3)3(2)2()1(0EEEP参量过程参量过程非参量过程：分子振动或声子参与起主动作用，不仅入射光场之间相非参量过程：分子振动或声子参与起主动作用，不仅入射光场之间相互耦合，而且入射光场与物质激发态之间也存在耦合，如互耦合，而且入射光场与物质激发态之间也存在耦合，如SBS。极化强度和电场强度的关系可以描述为：极化强度和电场强度的关系可以描述为：散射：散射分子或原子相互接近时，由于双方具有很强的相互斥

3、力，迫使它们在接触前就偏离了原来的运动方向而分开。是一种由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去的现象。引起光散射的介质的某种扰动（通常是介电常数），是由于光场的存在通过非线性效应引起的。散射散射 受激的受激的散射过程散射过程斯托克斯光（斯托克斯光（ ）反斯托克斯光（反斯托克斯光（ ） 受激散射的物理机制受激散射的物理机制频率为频率为Vin的入射光子与介质相互作用，可以发射一频率为的入射光子与介质相互作用，可以发射一频率为 的光子和一个频率的光子和一个频率为为 的光学支声子，也可能吸收一个频率为的光学支声子，也可能吸收一个频率为 的声子而产生一个频率为的声子而产生一个频率为 的光子。的光子。

4、insinsinsins受激布里渊散射受激布里渊散射 由于光子和分子的相互作用，当入射光过强时，光纤的二氧化硅由于光子和分子的相互作用，当入射光过强时，光纤的二氧化硅晶格产生光散射，形成频率偏移散射波，入射光的部分能量转给了后晶格产生光散射，形成频率偏移散射波，入射光的部分能量转给了后向散射光。绝大部分输入光功率转换为后向散射的斯托克斯光波，这向散射光。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一非线性过程称为受激布里渊散射SBS(Stimulated Brillouin Scattering)。SBS可以描述为：可以描述为：由于在较长的光纤中发射由于在较

5、长的光纤中发射激光，如果超过某个临界激光，如果超过某个临界功率，则由于线宽和光纤功率，则由于线宽和光纤类型的原因，可能会发生类型的原因，可能会发生强烈的反射，从而导致在强烈的反射，从而导致在光纤的反射端观测到的功光纤的反射端观测到的功率达到最大极限值。率达到最大极限值。由于入射光功率很高，由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散波，入射光受超声波散射而产生的。射而产生的。主要原因主要原因SBS的阈值光功率：的阈值光功率： 为布里渊增益系数，为布里渊增益系数， 为纤芯有效面积、为纤芯有效面积、 为有效作用长度为有效作

6、用长度纤芯有效面积：纤芯有效面积：有效作用长度（即泵浦光与斯托克斯光相互作用长度）与光纤的单有效作用长度（即泵浦光与斯托克斯光相互作用长度）与光纤的单位长度衰减系数位长度衰减系数 和光纤长度和光纤长度L有关有关,BPBeffeffBSBSLAgP142)exp(11LLeffSAoeff2（ 为单模光纤模场半径）为单模光纤模场半径）S0布里渊增益系数布里渊增益系数纤芯有效面积纤芯有效面积有效作用长度有效作用长度布里渊线宽布里渊线宽 入射光线宽入射光线宽 影响影响因素因素BPgBAeffLeffAeffLeffgB改善改善方法方法为了使光纤放大器的高输出功率能够有效地注入为了使光纤放大器的高输出

7、功率能够有效地注入单模光纤，必须提高单模光纤，必须提高SBS门限功率。目前最能实门限功率。目前最能实现的方法是对信号光源作附加调制或对外调制器现的方法是对信号光源作附加调制或对外调制器附加调相，使入射光的谱宽增大。附加调相，使入射光的谱宽增大。改变改变Bias，使激光的折射率发生变化，而使入，使激光的折射率发生变化，而使入射光谱宽增大。射光谱宽增大。改变改变Iea，使激光的啁啾发生变化，而使入射光，使激光的啁啾发生变化，而使入射光谱宽增大。谱宽增大。理论方法：理论方法：通过改变通过改变EA，使激，使激光器的啁啾改变光器的啁啾改变选用谱宽选用谱宽较宽的较宽的Laser；Bias调制，改调制，改变

8、激光的波长；变激光的波长；介质折射介质折射率率测试方法测试方法光环形器光环形器光环形器的作用就是可实现在一根光纤中光环形器的作用就是可实现在一根光纤中利用同一波长的双向传输。利用同一波长的双向传输。光环形器的作用就是可实现在一根光纤中光环形器的作用就是可实现在一根光纤中利用同一波长的双向传输。利用同一波长的双向传输。优化方法及结论优化方法及结论优化方法：优化方法：在在Bias处加一个小的调制电压激光处加一个小的调制电压激光器的折射率会随电流的变化而变化，器的折射率会随电流的变化而变化，从而导致谱宽展宽。从而导致谱宽展宽。实现方法：实现方法： 在在POWSET处引人一处引人一飞线，接上一电阻，在

9、其上加入方飞线，接上一电阻，在其上加入方波或者正弦波。波或者正弦波。通过如下几种方法来实现，以选取最佳方案来提高通过如下几种方法来实现，以选取最佳方案来提高SBS阈值阈值光功率：光功率：1.加入幅度固定、频率变化的方波。加入幅度固定、频率变化的方波。2.加入幅度变化、频率固定的方波。加入幅度变化、频率固定的方波。3.加入幅度固定、频率变化的正弦波。加入幅度固定、频率变化的正弦波。4.加入幅度变化、频率固定的正弦波。加入幅度变化、频率固定的正弦波。测试过程一测试过程一测试过程二测试过程二加入同一幅度方波，改变频率，结果如下：加入同一幅度方波，改变频率，结果如下：结论：频率对结论：频率对SBS的阈

10、值功率影响较大，在某一频率时，阈值功率越大；但频率对的阈值功率影响较大，在某一频率时，阈值功率越大；但频率对眼图眼图劣化几乎劣化几乎无影响。无影响。10mV 2kHz10mV 5kHz10mV 10kHz10mV 50kHz10mV 100kHz加波前加波前FW方法加载方波方法加载方波加入频率固定方波，改变幅度，结果如下：加入频率固定方波，改变幅度，结果如下：加波前加波前10mV 2.5kHz结论：幅度变化对结论：幅度变化对SBS的阈值功率影响不大，但幅度愈大，眼图劣化愈严重。的阈值功率影响不大，但幅度愈大，眼图劣化愈严重。20mV 2.5kHz30mV 2.5kHz40mV 2.5kHz50

11、mV 2.5kHz杨宗纬唱歌好有感觉哦杨宗纬唱歌好有感觉哦FW方法加载方波方法加载方波加入方波，改变频率，幅度不变，结果如下：加入方波，改变频率，幅度不变，结果如下：硬件方法加载方波硬件方法加载方波40mV 0.5kHz 100kohm DP=3.7440mV 1kHz 100kohm DP=3.5340mV 2kHz 100kohm DP=3.41 加波前加波前 DP=3.75结论：频率对结论：频率对SBS的阈值功率影响较大，在某一频率时，阈值功率越大的阈值功率影响较大，在某一频率时，阈值功率越大；频率；频率对对眼图劣眼图劣化无影响，但频率越大，化无影响，但频率越大，DP越小。越小。40mV

12、 2kHz 200kohm DP=3.59结论：幅度变化对结论：幅度变化对SBS的阈值功率影响不大，但幅度愈大，眼图劣化愈的阈值功率影响不大，但幅度愈大，眼图劣化愈严重，加入严重，加入 2kHz的方波，的方波，DP最小。频率、幅度综合考虑，加入最小。频率、幅度综合考虑，加入40mV 2kHz 100kohm最佳。最佳。40mV 2kHz 100kohm DP=3.5340mV 2kHz 50kohm DP=3.74加入频率固定方波，改变幅度，结果如下：加入频率固定方波，改变幅度，结果如下： 加波前加波前 DP=3.75硬件方法加载方波硬件方法加载方波加入正弦波，改变频率，幅度不变，结果如下：加

13、入正弦波，改变频率，幅度不变，结果如下： 加波前加波前 DP=3.7540mV 0.5kHz 100kohm DP= 3.8140mV 2kHz 100kohm DP= 3.640mV 1kHz 100kohm DP= 4.0540mV 4kHz 100kohm DP= 3.74结论：频率对结论：频率对SBS的阈值功率影响较大，在某一频率时，阈值功率越大的阈值功率影响较大，在某一频率时，阈值功率越大；频率；频率对对眼图劣眼图劣化几乎化几乎无影响。无影响。硬件方法加载正弦波硬件方法加载正弦波加入正弦波，改变幅度，频率不变，结果如下：加入正弦波，改变幅度，频率不变，结果如下：加波前加波前40mV

14、2kHz 50kohm DP=3.6740mV 2kHz 200kohm DP=3.46结论：幅度变化对结论：幅度变化对SBS的阈值功率影响不大，但幅度愈大，眼图劣化愈的阈值功率影响不大，但幅度愈大，眼图劣化愈严重严重,DP越越大；频率、幅度综合考虑，加入大；频率、幅度综合考虑，加入40mV 2kHz 100kohm的方波最佳。的方波最佳。40mV 2kHz 100kohm DP= 3.6 改变前改变前 DP=3.75结论：结论：先增大先增大Iea，SBS阈值功率减小；阈值功率减小；再减小再减小Iea，SBS阈值阈值功率增大，在功率增大，在33mA时时最佳，最佳，DP也最小。也最小。通过通过改变改变Iea，使使激光啁啾发生变化，从而使激光啁啾发生变化，从而使SBS的阈值光的阈值光功率有很大的提高。功率有很大的提高。改变改变Iea观察观察SBS阈值光功率的变化阈值光功率的变化ECO-P-46043ECO-P-46043Iea=38mA DP=4.3Iea=37mA DP=3.99Iea=33mA DP=3.65Iea=32mA DP=4.6Iea=30mADP=5.03加入