非线性光纤光学第九章-受激布里渊散射
基于受激布里渊散射的集成微波光子滤波器的研究
基于受激布里渊散射的集成微波光子滤波器的研究现代科学技术的高速发展给人们带来了更加美好的生活,尤其是步入信息时代以后,网络通信以及移动通信给人们之间的交流带来了极大的便利。
对于传统的通信系统,通常是基于电子电路的通信系统,我们称之为电学系统,随着现代通信技术的高速进步以及互联网的发展,信息量呈现爆炸性增长,于是对于通信系统也有了更高的要求。
传统的电学系统由于其特有的电学瓶颈,事实上无法满足现代大容量、高速度、高精确度的信息传输要求,于是微波光子学（Microwave photonics:MWP）应运而生,其是用光学方法来处理电学信号的一门综合学科。
受激布里渊散射（SBS）作为一种非线性光学效应,由于其可以在特定的频率处产生增益峰,因此被广泛应用于光学滤波系统中去,随着现代全光通信的兴起,集成微波系统受到越来越多的重视,研制出能够替代光纤的光学波导就成为了一种趋势,而集成微波光子滤波器作为集成光学器件的一种也受到了越来越多的重视。
本文介绍了微波光子学的发展以及SBS的基本理论,并对基于SBS的集成微波光子滤波器进行了详细的分析与设计。
首先从材料非线性、集成度以及制作工艺上对各种常见的集成波导材料进行分析,这些分析都是建立在SBS的基础之上的,主要看各种材料对SBS增益的加成大小,综合分析最终确定了以硫化砷作为波导的芯层材料,然后结合光场限制、声场限制以及声光耦合效率分析提出了半悬空的波导结构,芯层横截面边长为0.9μm,长度为3.9cm,支撑材料为二氧化硅,支撑物与芯层接触宽度为0.2μm,在此情况下SBS增益为54 dB,3dB线宽为8.2MHz。
然后分析了布拉格光栅的慢光延迟作用对光场能量的增强效果,通过严格计算布拉格光栅的周期以及调制深度使被增强的光波频率恰好落在硫化砷的SBS 增益峰处,此时的光栅周期为344.67nm,调制深度为10<sup>-4</sup>,由此使得SBS进一步增强,同时由于SBS增益与线宽的反比关系使得SBS线宽进一步降低,最终增益达到了58.5dB,3dB线宽为7.8MHz,波导的截面边长为0.9μm,长度为3.9cm,泵浦光功率为248mW,无论从SBS滤波性能、波导集成度还是能量利用率上都有较大的提升。
光学频率梳技术受激布里渊散射
光学频率梳技术受激布里渊散射
光学频率梳技术是一种基于光学现象的精密测量技术。
其中，受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，简称SBS）是一种特殊的效应，为光学频率梳技术的关键部分之一。
受激布里渊散射是一种非线性光学过程，涉及光子和声子之间的相互作用。
当激光传播到某些材料中时，光子与材料中的声波发生耦合，产生新的散射光子。
这些散射光子的频率与入射光的频率之间存在着特定的关系，称为布里渊频移。
利用受激布里渊散射，可以实现光学频率梳的生成和测量。
光学频率梳由一系列均匀分布的频率构成，类似于音乐中的音阶。
通过测量布里渊频移，可以确定激光的频率，并将其与标准参考进行校准。
光学频率梳技术在许多领域中得到广泛应用，如精密测量、频率标准、光纤通信等。
它具有高精度、高分辨率和宽频率范围等优点，为各种科学研究和工程应用提供了重要支持。
非线性光学考试知识答案
⾮线性光学考试知识答案1 说出电极化率的 4 种对易对称性，并说明满⾜的条件本征对易对称性（不需要任何条件）、完全对易对称性（介质⽆耗）、时间反演对称性（介质⽆耗）、空间对称性χ（1）是对称张量（介质⽆耗）；2 说出下式的物理意义：表⽰由频率为ωm ，场振动⽅向为x ⽅向的场分量E x (ωm )，频率为ωn 、场振动⽅向为y ⽅向的场分量E y (ωn )以及频率为ωl ，场振动⽅向为z ⽅向的场分量E z (ω1 )三者间的⾮线性相互作⽤所引起的在x ⽅向上的三阶⾮线性电极化强度的⼀个分量。
3 对于⼆次谐波和三次谐波，相⼲长度的物理意义参量过程中的位相匹配有和物理意义举例说明两种实现位相匹配的⽅法1）Lc 物理意义: 三次谐波强度第⼀次达到其最⼤值的路程长度，典型值为1～100mm.如K=0，Lc 为⽆穷⼤。
2) 位相匹配的物理意义：在位相匹配条件下，⼆次谐波和三次谐波等⾮线性效应产⽣过程效率会⼤到最⾼，相应的位相不匹配条件下，产⽣效率会⼤⼤降低。
(3)0(,,)()()()exp[()]xxyz m n l x m y n z l m n l E E E i t εχωωωωωωωωω-++3）利⽤晶体的双折射特性补偿晶体的⾊散效应，实现相位匹配。
在⽓体⼯作物质中，利⽤缓冲⽓体提供必要的⾊散，实现相位匹配。
4 为什么参量振荡器能够产⽣连续输出频率，⽽激光器只能输出单个频率能量守恒ω3=ω1+ω2 动量守恒 n 3ω3=n 1ω1+n 2ω2改变温度、⾓度(对⾮常光)、电场、压⼒等可改变晶体的折射率，从⽽改变参量振荡器的输出频率1，2。
因此参量振荡器可实现连续调谐。
⽽激光振荡器是利⽤原⼦跃迁的机理⼯作的，不能连续调谐。
这是参量振荡器和激光振荡器的区别5 在拉曼散射中，为何观察不到⾼阶斯托克斯散射在受激拉曼散射中，⾼阶斯托克斯散射光却较强⾼阶斯托克斯光的散射⾓有什么变化规律由p ，s ⾮线性作⽤产⽣。
布里渊散射
布里渊散射简介布里渊散射（Brillouin scattering）是一种非线性光学效应，产生于介质中的声子与光子的相互作用。
该过程中，光子与声子之间发生频率和动量的相互转移，导致光子的频率发生改变，这种现象被称为布里渊散射。
布里渊散射广泛应用于光纤通信中的激光器频率稳定、声光调制和传感器等领域。
原理布里渊散射的原理基于声光相互作用。
光子与声子之间的作用可以通过极化率来描述。
当光子与声子发生相互作用时，会使介质的极化率发生变化，从而引起光的频率散射。
根据频率散射的机制，布里渊散射可以分为斯图克斯（Stokes）散射和反斯图克斯（Anti-Stokes）散射。
具体来说，当光子的频率高于声子的频率时，光子向低频方向散射，这称为斯图克斯散射；当光子的频率低于声子的频率时，光子向高频方向散射，这称为反斯图克斯散射。
布里渊散射的散射角度、频率偏移和强度与介质的折射率、光强、声子频率以及散射介质的性质有关。
在光纤通信中的应用布里渊散射在光纤通信中具有重要的应用价值。
布里渊散射可以用于实现光纤激光器的频率稳定。
通过将激光器与光纤连接，在光纤中引入布里渊散射，可以将频率稳定性提高到千分之一，从而保证光纤通信系统的稳定性和可靠性。
此外，布里渊散射还可以用于声光调制。
通过在光纤中引入声波信号，利用布里渊散射的效应，可以实现对光信号的调制。
这种声光调制器可以在光纤通信系统中实现光的调制和解调功能。
同时，布里渊散射还可以应用于光纤传感器。
传统的光纤传感器一般基于光的强度变化进行测量，但由于光的衰减影响，传感器的灵敏度和距离受限。
而基于布里渊散射的光纤传感器可以基于光的频率变化进行测量，不受光的衰减影响，从而提高了传感器的灵敏度和测量范围。
结论布里渊散射是一种重要的非线性光学效应，广泛应用于光纤通信中的激光器频率稳定、声光调制和传感器等领域。
通过深入研究布里渊散射的原理和机制，可以进一步开发更加高效、稳定和灵敏的光纤通信技术。
受激布里渊散射(SBS)原理及优化
优化方法及结论
优化方法：
POWSET
在Bias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， 从而导致谱宽展宽。 实现方法： 在POWSET处引人一 飞线，接上一电阻，在其上加入方 波或者正弦波。
DC/DC
POWSET
通过如下几种方法来实现，以选取最佳方案来提高SBS阈值 光功率： 1.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。 3.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。
改变Iea观察SBS阈值光功率的变化
ECO-P-46043
改变前 DP=3.75
Iea=38mA DP=4.3
Iea=37mA DP=3.99
Iea=33mA DP=3.65
Iea=32mA DP=4.6
Iea=30mA DP=5.03
先增大Iea，SBS阈值功率减小；再减小Iea，SBS阈值功率增大，在33mA时 结论： 最佳，DP也最小。通过改变Iea，使激光啁啾发生变化，从而使SBS的阈值光 功率有很大的提高。
L
eff
1
[1 exp( L)]
影响 因素
•布里渊增益系数 g •纤芯有效面积 Aeff •有效作用长度 Leff •布里渊线宽 B •入射光线宽
P
B
理论方法：
选用谱宽 较宽的 Laser；
Bias调制，改 变激光的波长；
通过改变EA，使激 光器的啁啾改变
介质折射 率
改善 方法
受激布里渊散射原理及优化
Yan Chen 4/10/2013
Contents
1 2 3 4
光纤的非线性
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受激布里渊散射效应
受激布里渊散射效应
受激布里渊散射是一种光学非线性效应，它可以在光纤中产生声子（声波）和光子（光波）之间的相互作用。
当一束光通过光纤传输时，光子和声子之间会发生能量交换，从而导致光的频率发生偏移。
具体而言，受激布里渊散射的机制是通过声子引起光子的频率变化。
在光纤中存在微弱的声子振动，当光子与这些声子相互作用时，它们可以吸收或发射声子，从而改变光子的频率。
这种频率变化可以通过布里渊频移来描述，它是由声子的频率引起的。
受激布里渊散射效应在光纤通信中具有重要的应用。
一方面，它可以用来制备光纤激光器，通过激光器在光纤中产生受激布里渊散射来实现光纤放大器。
另一方面，受激布里渊散射也是一种光纤传感技术，可以利用光纤中声子的变化来测量温度、压力等物理量。
总之，受激布里渊散射是一种重要的光学效应，具有广泛的应用价值。
它不仅在光纤通信领域有重要作用，还在光纤传感、激光技术等方面具有潜在的应用前景。
光纤中受激布里渊散射的性能分析
凡 二 , - rc, x
的光信噪比 ( OSNR ) 和光纤的非线性效应。 了一个斯托克斯光子和声学声子。由于散射
在典型的光纤参数下，其峰值增益8e0' 5xio-"m/w， 全半宽度。 - 50 M v, Hzo
2
光纤中 5 日 闻值的理论估算 5
SBS 作为一种非线性效应， 它在光纤中
I , 别 处Yrn=KPf"I吩a小SR a. , A 分 R RR
统对OSN日的要求。 实际系统中信号光为准连续光， 它具有
一定的带宽， 而且采用的光纤一般为非保偏
0 50 10 0 150 200 2 50 300
一 0 5 3
40 0
45 0
5 50
光 因 在 算 纤， 而 估 SBS闭 时， 式 的时 值 公 中 应取为 se=嵘 [(1+A v刊， 里K为 振 /K v,lA 这 偏 因 1! 子( 5K<2 )。 考 偏 影 时pcn约 当 虑 振 响
于光通信中继站的建设和运行成本较高且有 一定的风险， 因此建设与电力特高压输电相 配套的长跨距无中继光纤通信线路具有非常 重要的现实意义。 无中继光纤通信系统的性能受制于系统 对长跨距的无中继系统，由于传输距离的增 加， 为满足系统要求的OSNR, 必然要求增加 系统的入纤功率。由于光纤较小的芯径， 较 大的入纤功率必然导致较强的非线性效应的 产生， 而受激布里渊散射SBS效应具有最低 的产生闭值。为了抑制SBS 效应的影响， 系
有3 dB 的提升 ( 取K=2 )。采用大信号带宽 的光源或采用内调制方式可以达到提升光纤 5日 阑值的目的， S 但信号传输过程中光纤固 有的色散效应必然会引起系统传输性能的恶
受激布里渊散射笔记
i s ik s 2 du s ( rs ) 2 2 2 2 ik v ( k v ) u ( r ) E2 (r2 ) E1 (r1 ) s s s s s s s drs m 2m 120 k s E dE1 E2 s 1 2k1 2 dr1 2 dE 2 0 k s E 2 E1 s 2 2k 2 2 dr2
假定(1)式中的电场 E 是由两束平面光波组成的， 他们相对声波的运动方向是 任意的。设二光波和声波表示式为：
i (1t k1 r ) E1 (r , t ) E1 (r1 )e c.c. i ( 2 t k 2 r ) E2 (r , t ) E2 (r2 )e c.c. i ( s t k s r ) u (r , t ) u s (rs )e c.c.
的的光波通过光学介质时，会受到光栅的衍射作用，产生频率为 s 的散射，
这里的 s 是弹性声波的频率。 （布里渊散射中声波的作用类似于拉曼散射中分子 振动的作用。 ） 通常，布里渊散射的频移量很小，一般的光谱仪很难探测到。 二、受激散射（SRS、SBS）的基本特性： 随着高强度激光束的产生，出现了受激拉曼散射、受激布里渊散射等受激散 射现象，这些受激散射都显示出很强的与激光辐射类似的受激特性。 1.受激散射光的高强度性。受激发射具有极高的能量转换效率，是与光的受 激放大过程相类似的另一类相干光产生过程，可作为另一种相干辐射光源。 2.受激散射光具有很好的方向性。受激散射输出发散角与入射激光发散角有 一定关系。
2 El (r , t ) 2 ( PNL )l El (r , t ) 0 0 t 2 t 2
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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 。
5. 布里渊光纤激光器
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
分束器 定向耦合器 透镜 斯托克斯波 扫描光谱分析仪 泵浦波
激光器
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
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
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。
近似相等
As 1 As 2 As i As 2 Ap z vg t 2
2
A i A Q
i 2 Q Q 1 vA B i B Ap As* t z Aeff 2
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！
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
g0 gB I p 0
b0 I s 0 I P 0
SBS效率的量度 SBS过程的小信号增益 输入的信号比
bin I s (L) I p (0)
布里渊放大器的饱和增益
Gs I s 0 I s L b0 bin
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。
图9.19 含有两个光纤环的光纤布里渊激光器的示意图
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
泵 浦 波 斯 托 克 斯 波
t/tr
t/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
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
Pp gB 1 Pp Pp Ps Pp z vg t Aeff
Ps 1 Ps g B Pp Ps Ps z vg t Aeff
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
3. 布里渊光纤放大器
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）
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：
B p s
k A k p ks
满足色散关系的声波的频率和波矢
B A kA 2 Ak p sin( 2)
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
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。
4. SBS的动态特性
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。 耦合振幅方程：
Ap
2 1 Ap Ap i Ap 2 As z vg t 2
近似相等
2
A i A Q
p 1 p
* s 1 p
渊增益系数gB和光纤的有效面积Aeff有关，可近似写为：
Pth 21Aeff / gB Leff
P (w ) / g B th 21
2
L足够长时，Leff 1/，而Aeff可用w2代替，w积为50m2 ，光纤有效长度为 20km，布里渊增益为5×1011 m/W ，可以计算出阈值 约为1mW 。
d I p I s dz 0
强度沿光纤保持为一常数
2、布里渊阈值
忽略泵浦消耗：I p ( z) I p (0)e z 代入以上方程并积分可得
I s (0) I s ( L)exp( gB P 0 Leff A eff L)
P 0 I p (0) A eff
阈值功率Pth与光纤的衰减系数、光纤有效长度Leff、布里
B B 2 2n A p
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
g B ( )
布里渊增益峰值为
dI p dz gB I p Is I p
(a)Stokes波与泵浦波方向相反
dI s g B I p I s I s (b)假设Stokes波与泵浦波的损耗相同 dz (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：
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。
新型CW运转布里渊激光器
980nm泵浦
布里渊泵浦
SMF-28光纤
环行器3 耦合器 环行器1 波长选择 耦合器 输出 环行器2 3dB耦合器 10dB耦合器
铒光纤
980nm激光 二极管 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
第九章 受激布里渊散射（SBS）
1. SBS的基本概念 2. 准连续SBS 3. 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. SBS的基本概念
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。
g p B 2
2
2 2
B B 2
2 2 e
8 g p g B (B ) 2 np p 0c AB
布里渊增益谱的特点：
信号
与光纤种类有关，不同光纤 的布里渊频移不同
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
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
相 对 功 率
输入功率（dBm）
频移（GHz）
色散补偿光纤的布里渊增益谱
2. 准连续SBS
1、基本方程
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： 几点说明：