激光诱导的激布里渊散射高非线性光纤的实验研究

激光诱导的激布里渊散射高非线性光纤的实验研究

1bs放大器特性随着未来高速大规模通信网络（sds）的繁荣，光速慢光的研究已成为一个焦点，尤其是基于激布里源散射（sd）的慢光研究引起的关注。SBS效应的应用不仅体现在慢光方面,在其它如SBS放大器与激光器、SBS相位共轭器、SBS合束器和SBS限幅器等方面都得到了充分的应用。所有这些应用都离不开SBS的阈值、增益谱、放大和慢光等基本特性,虽然不同特性都已分别进行了研究,但在同一光纤中从不同角度综合分析这些特性非常必要,因为这可以全方位描述光纤基于SBS的特性和物理图像,从而进一步实现各种不同应用。本文从实验对在高非线性光纤(HNLF)中的这些特性进行了系统性综合研究,首先介绍了SBS慢光的基本理论,然后实验测量了HNLF中SBS的阈值、增益谱并研究了其放大性能,最后基于这些特性进行了慢光实验研究并获得了将近15ns的慢光延迟量。2条件二:gpSBS是一种常见的非线性光学效应,在光纤中很容易发生。SBS的发生需要一定的光功率阈值,SBS阈值Pcr可通过gBPcrLeff/Aeff≈21(1)得到。其中:Leff=[1-exp(-αL)]/α,表示损耗系数为α、长度为L的光纤有效作用长度;Aeff为有效纤芯截面;gB为增益系数,表示为gB(Ω)=gp(ΓB/2)2(Ω-ΩB)2+(ΓB/2)2(2)gB(Ω)=gp(ΓB/2)2(Ω−ΩB)2+(ΓB/2)2(2)其中:ΓB为SBS增益谱的半高全宽;gp是在布里渊中心频移Ω=ΩB处的布里渊增益系数峰值,有gp=2π2n7p212cλ2pρ0vAΓB(3)gp=2π2n7p212cλ2pρ0vAΓB(3)其中:n为泵浦波长λp对应的折射率;p12为纵向弹光系数;ρ0为材料密度;vA为光纤中的声速。当泵浦带宽较宽时,SBS增益谱为泵浦强度谱与本征SBS增益谱的卷积,即g(ω)=gB(ω)⊗Ιp(ωΡ1)=∫+∞-∞gBΙΡ(ωΡ1)1-i(ω+ΩB-ωΡ1)/(ΓB/2)dwΡ1(4)g(ω)=gB(ω)⊗Ip(ωP1)=∫+∞−∞gBIP(ωP1)1−i(ω+ΩB−ωP1)/(ΓB/2)dwP1(4)根据Kramers-Kronig关系,可由增益得到折射率的变化Δn从而可实现慢光延迟,有n=nb+Δn=nb-λ4π2∫∞-∞g(ω′)ω′-ωdω′(5)n=nb+Δn=nb−λ4π2∫∞−∞g(ω′)ω′−ωdω′(5)其中,nb为光纤的折射率。通过SBS致折射率变化可知SBS延迟量为ΔΤ=∫L0∂Δβ(z‚ω)∂ωdz=∫L0∂(Δn⋅ω/c)∂ωdz(6)对于窄带信号脉冲(即4(ω-ωs)2/Γ2B≪1),SBS延迟量可表示为ΔΤ=GΓB{1-3[2(ω-ωs)ΓB]2}(7)其中,G=gBPpL/Aeff同时SBS致使脉冲展宽的展宽因子为B=τoutτin=[1+16ln2Gτ2inΓ2B]1/2(8)此展宽是SBS慢光中的不利因素,应尽可能想办法减弱或避免。通过以上描述,可以对光纤中关于SBS的诸多物理现象和应用,特别是SBS放大器和基于SBS的慢光器件应用进行详细解释。3基于mems的慢光器件性能HNLF中,SBS效应最重要的两个特征是SBS的阈值和增益谱,二者直接关系SBS放大器性能和基于SBS的慢光器件性能。基于SBS构造放大器时,需要泵浦功率低于SBS阈值,以免引起SBS,从而大量消耗泵浦功率,进而降低信号的放大率,同时在放大的信号中引入大量的噪声;基于SBS的慢光器件需要SBS增益谱足够宽,增益足够大,以使信号的延迟量大,同时降低信号因窄带增益而导致的畸变。3.1hnrf的ss阈值HNLF中,SBS阈值测定实验如图1所示。连续激光(SantecECL-210)经掺铒光纤放大器(EDFA)放大并由可调衰减器(Att.)进行功率控制后,通过环行器注入所研究的HNLF(OFSFITELDK-SMF,长为1km,非线性系数为10W-1·km-1)。偏振控制器(PC)用于调节泵浦的偏振态以达到最大的SBS效应,发生SBS后反向传输的斯托克斯光经环行器输出,其功率用功率计进行监测。随着泵浦功率的逐渐增加,透过HNLF的功率也逐渐增加,当泵浦功率达到一定值时,透过的泵浦功率不再继续增大而是趋于一恒定值,其它的输入功率被HNLF“反射”,此时称所输入的泵浦功率为SBS阈值。泵浦功率达到阈值后,HNLF的作用类似一反射镜,将泵浦功率几乎完全反射回来,但反射回来的斯托克斯波相对泵浦波具有一个频率下移即SBS频移约10GHz左右,此反射功率正是光通信系统中的严重危害因素之一。图1中,输入泵浦光的带宽可通过激光器的相干控制功能进行一定程度的展宽,从而增大SBS阈值。HNLF的SBS阈值测定结果如图2(a)所示。在对泵浦光进行相干控制(COHon,此时泵浦光线宽约100MHz)和不进行相干控制(COHoff,此时泵浦光线宽小于200kHz)两种情况下分别测定了HNLF的透射功率和反射功率随输入泵浦功率的变化曲线,其中反射功率随输入泵浦功率的变化曲线也称为SBS阈值曲线,通过SBS阈值曲线即可确定SBS阈值,它是反射功率开始迅速增大时对应的泵浦功率。由图2(a)可知,HNLF在泵浦光没有进行相干控制时的SBS阈值为40mW,在泵浦光进行相干控制时其值为60mW。这表明,泵浦光带宽越大,HNLF对应的SBS阈值也越大。因此,可以通过增大泵浦光带宽的方法来提升SBS阈值从而抑制光纤中的SBS效应,通常增大泵浦光带宽是通过对泵浦光进行相位调制或直接对激光器进行调制而实现。为了观察不同种类光纤中的SBS阈值,用10km标准单模光纤(SMF)代替1kmHNLF重新进行实验,测得的SBS阈值如图2(b)所示,对泵浦光不进行与进行相干控制时,SMF的SBS阈值分别为40mW和60mW,与HNLF相同,这是因为HNLF虽然非线性系数大因而SBS增益系数大但光纤较短只有1km,而SMF虽然SBS增益系数小但光纤长是HNLF的10倍,因而两者SBS阈值没有明显的差别,但因为光纤长损耗大致使SMF的透射功率较HNFL的透射功率小,由图2可明显看出。如式(1)所示,对于SBS放大器可通过减小光纤长度提升SBS阈值,从而增大SBS放大器的泵浦功率,进而使得信号获得大的增益,同时还因光纤长度短减少了光纤的本身损耗。3.2增益谱放大效应的测定在测定HNLF的SBS阈值后,即可确定SBS放大器和SBS慢光器件中所能输入的最大泵浦功率。在图1的基础上添加一反向传输的小信号斯托克斯探测波,扫描探测波的频率,可测量探测波在不同频率处所得的增益,从而获得HNLF的SBS增益谱。同时测定1kmHNLF和10kmSMF的SBS增益谱,如图3所示,其中(b)和(c)是(a)中2个增益谱的放大图形,以便更清楚地观察相应增益谱的形状和特征,测定增益谱时均采用进行相干控制后的泵浦光(17dBm@1550nm)。对HNLF的SBS增益谱进行了多次测定,每次采用功率不同的小信号探测波,因而得出了SBS增益谱的多条形状曲线,各增益谱曲线对应SBS频移约为9.3GHz,SBS增益带宽为150MHz,但每条增益谱曲线的SBS频移稍有不同,这主要是因为每次测定时环境稍微的扰动导致光纤的扰动从而略微影响增益谱。对SMF的SBS增益谱的SBS频移为10.5GHz,SBS增益带宽为140MHz,因此SMF的SBS频移大于HNLF,SBS带宽略小于HNLF,这与光纤的本身特性有关。探测波为-10dBm时测得的HNLF的SBS增益谱如图3(b)所示,探测波为3.69dBm时测得的SMF的SBS增益谱如图3(c)所示,SBS增益带宽均在150MHz左右,大于窄带泵浦光的SBS本征带宽35MHz,这是因为对泵浦光采用了相干控制,使其带宽增宽,从而使SBS增益谱增宽。3.3mems增益饱图4是HNLF的SBS放大器放大和增益饱和特性,17dBm相干控制泵浦光(1550nm)作为泵浦。当探测波功率从0.1mW增大到2.3mW,且其频率处于SBS频移处即SBS增益谱中增益最大处时,放大的输出功率也逐渐增加,开始增加得很快,然后因为SBS增益饱和的原因使得输出功率随探测波输入功率的增加而增加缓慢。为了避免增益饱和的发生,可采用更短的光纤,同时因SBS阈值增大而输入更大的泵浦光功率,从而仍使SBS放大器工作在线性放大区而获得更高的增益。3.4泵浦波随激发文献2.2延迟sd的特性SBS慢光实验装置如图5所示,在测SBS增益谱的装置上作了以下改变:激光器2的输出探测波不是直接被放大,而是通过由20MHz信号发生器驱动的马赫-曾德强度调制器(MZM)产生信号波,信号波经由环行器相对泵浦光反向输入HNLF。根据SBS慢光的基本原理,信号波输出HNLF时已被放大和延迟,延迟量可由示波器(OSC)观察。信号波不变时,调节泵浦波的功率大小即可调节延迟量的大小。另外,泵浦波不变时,调节信号波的光的频率也可调节延迟量的大小。SBS慢光实验中,信号波的典型延迟如图6所示。图中,最下方的波形代表输入HNLF的信号波,上面的4条曲线表示随泵浦光功率变化时输出的不同延迟波形,延迟量由虚线可明确看出,其中最上面的第1条延迟波形相对最下面的第4条延迟波形相对延迟时间为12ns。实验中,所采用的信号波为正弦调制波,因而可以很好地通过波峰或波谷定性判断延迟并进行定量测量,但实际系统中的脉冲畸变在此体现不明显。当通信速率很高、信号脉冲很窄因而信号带宽很大可与SBS增益谱带宽相比拟或超过其增益带宽时,信号脉冲会表现出明显的脉冲畸变,同时具有很大的增益色散,因而严重影响信号的质量,增大了信道的误码率,这是延迟器件实现慢光时所付出的代价。为了降低影响程度,可通过增加泵浦带宽从而拓展SBS增益带宽来解决此问题。但在相同泵浦功率下,宽SBS增益带宽会减小慢光延迟量,因而需要更大的泵浦功率。另外,可以通过SBS慢光级联的方式增加延迟量,但这增加了系统的复杂性而且不同级的SBS增益谱不好匹配。实验中,根据类似图6所示的延迟波形可以得到SBS慢光延迟量与泵浦功率的关系,如图7所示。随着泵浦功率的增大,延迟量线性增大,当泵浦功率大到一定值时,因为增益饱和的原因,延迟量随泵浦功率的增大而增加缓慢,在增益饱和区,延迟量甚至会下降。根据图8的延迟曲线,处于增益饱和区时,通过在慢光接收端添加可变光衰减器,可以实现同一延迟量下具有不同的增益,从而实现了延迟与增益的灵活调节。实际应用中,有时可能仅仅需要信号的延时而不需要额外的增益或损耗,而也有可能需要在实现延迟时具有所需的增益(相当于同时具备通信系统中EDFA的功能)。当泵浦波功率稳定而改变信号波的光频率时,亦可以得到不同的延迟,延迟随频率变化的延迟谱和SBS增益谱的实验曲线如图8所示。延迟谱与增益谱基本上相对应,但延迟谱相对增益谱有一定的频率移动,这可能是环境扰动的影响。在增益最大时具有最大的延迟时间。4全光延迟cs就HNLF中SBS的阈值、增益谱、放大特性和基于这些特性的慢光应用进行了系统的实验研究。实验测得所用HNLF在100MHz线宽的泵浦激光作用下时,SBS的阈值为60mW,增益谱带宽为150MHz