受激布里渊散射(SBS)原理及优化
SBS_FOG中受激布里渊散射光偏振特性的理论分析
文章编号:100520086(2001)0420340204SBS-FO G中受激布里渊散射光偏振特性的理论分析3α延凤平,简水生(北方交通大学光波技术研究所,北京100044) 摘要:本文考虑了双折射效应对保偏光纤两个偏振主轴方向上受激布里渊散射(SBS光增益的影响,利用Jones矩阵理论分析了受激布里渊散射光纤陀螺(SBS2FO G)敏感环中在保偏光纤熔接点处进行Η角的偏振主轴旋转后受激布里渊散射光的偏振特性。
得出当Η=90°时,在敏感环中的受激布里渊散射光不仅具有最大偏振度,而且还使其中的两个本征偏振态(ESO P)达到稳定的结论。
关键词:保偏光纤;受激布里渊散射;本征偏振态中图分类号:TN253;O43613 文献标识码:ATheoretica l Ana lysis of Polar iza tion Property of the Sti m ula ted Br illou i nSca tter i ng L ight i n Sti m ula ted Br illou i n Sca tter i ng F iber Optic GyrosYAN Feng2p ing,J I AN Shu i2sheng(Institute of L igh tw ave T echno logy,N o rthern J iao tong U niversity,Beijing100044,Ch ina)Abstract:T he po larizati on degree and po larizati on stability of the eigen state of po larizati on(ESO P)ofthe sti m ulated B rillouin scattering ligh t in the sensing co il w ere theo retically analyzed fo r the sti m ulatedB rillouin scattering fiber op tic gyro s(SBS2FO G)based on the Jones m atrix theo ry and first o rder ran2dom coup ling effect betw een tw o po larizati on axes of the po larizati on m aintaining fiber.T he conclusi onsabout stability of the ESO P and po larizati on degree of the sti m ulated B rillouin scattering ligh t w ere ob2tained.Key words:po larizati on m aintaining fiber;sti m ulated B rillouin scattering(SBS);eigen state of po lariza2ti on(ESO P)1 引 言 光纤陀螺的研究已经进入到第3代,即受激布里渊散射光纤陀螺(SB S2FO G)。
非线性光纤光学第九章-受激布里渊散射
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
2014非线性光学06受激拉曼散射与受激布里渊散射a详解
为分子的光学极化率。分子的极化率并非常数，因
为电偶极子受电场作用而受迫振荡，振子长度随时间
变化，即
(t)
0
q
0
q(t)
其中 0 为分子在平衡态的线性极化率，第二项为非 线性极化率。
偶极子在光电场中的静电能为
W 1 2
p(z,t) E(z,t)
1 2
0
E 2 ( z, t)
偶极子在外场中所受电场力为
F(z,t)
dW dq
0
2
d
dq
0
E 2 (z, t)
14/37
设介质中的总光场为
E(z,t)
E ei(PtkPz) P
E ei(StkS z) S
c.c.
因为总光场中存在两个不同频率项，则在 E(z,t)2
中会存在若干个不同频率项，我们只保留低频的
项 (P S ) ，即
E2 (z,t) 2EP ES*ei(tKz) c.c.
• 脉宽压缩性：受激散射光脉冲持续时间远小于入射激光脉 冲持续时间。
• 阈值性：入射激光的强度大于某一阈值光强后，散射光的 相干性、方向性和散射光强才有明显提高。
• 高阶散射特性：在加强输入光强或增加介质长度时，可出 现高阶Stokes散射光和Anti-Stokes散射光。
• 相位共轭特性：产生的受激散射光场的相位特性与入射激
• 拉曼散射 (Raman)：由介质内部原子、分子的振动 或转动所引起。是一种非弹性散射，散射光频率与 入射光的频率不同，频移量较大，相应于振动能级 差。散射光频率下移者，称为Stokes散射光；散射 光频率上移者，称为Anti-Stokes散射光。
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布里渊散射 (Brillouin)：介质密度（折射率）随时 间周期性起伏形成的声波（或声子）所引起的。这 是一种非弹性散射，散射光的频移量较小，相应于 声子能量。也有Stokes和Anti-Stokes散射光。
2014非线性光学06受激拉曼散射与受激布里渊散射a详解
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3、光散射的分类 • 瑞利散射（Rayleigh）：起因于原子、分子空间分 布的随机起伏，散射中心的尺度远小于波长，其强 度与入射光波长的关系为 I scatt. µ 1 / l 4，散射光的频 率与入射光相同，属于弹性散射。 • 瑞利翼散射 (Rayleigh wing)：起因于各向异性分 子的取向起伏；是一种非弹性散射，散射光的光谱 向入射光波长的一侧连续展宽。 • 拉曼散射 (Raman)：由介质内部原子、分子的振动 或转动所引起。是一种非弹性散射，散射光频率与 入射光的频率不同，频移量较大，相应于振动能级 差。散射光频率下移者，称为Stokes散射光；散射 光频率上移者，称为Anti-Stokes散射光。
其中频率为 s 的斯托克斯光引起介质的非线性极化 场表示为 PS(3) ( z, t ) P(S )ei (S t kS z ) c.c.
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极化强度振幅为
* P (S ) 0 N q ( ) E P q 0
(3)
2 2
EP ES (3) 2 N P (S ) 0 2 2 m q 2i 0 v
二、受激拉曼散射
1、自发拉曼散射 Raman（1928）发现自发拉曼散射。散射光谱中除了 原频率成分 0 之外，还出现了新频率成分 s和 as 。 s 0 称为Stokes线。 as 0 ，称为Anti-Stokes线。 一般Stokes线远比Anti-Stokes线强几个数量级。
(t ) 0
q (t ) q 0
p( z, t ) 0 E ( z, t )
其中 0 为分子在平衡态的线性极化率，第二项为非 线性极化率。 偶极子在光电场中的静电能为
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。
光纤的sbs效应 -回复
光纤的sbs效应-回复光纤的SBS效应（Stimulated Brillouin Scattering）是指当光传播在光纤中时，光与光纤中的声波相互作用，导致声波的产生和光波的频谱偏移。
这一效应在光纤通信领域中具有重要的意义。
光纤的SBS效应首先是由法国物理学家雷昂·布里渊（Leon Brillouin）在20世纪50年代首次发现和描述的。
首先，我们来了解一下SBS效应的基本原理。
光纤用来传输光信号的核心是光的传输，而传输的光信号具有一定的能量和频率。
当光波在光纤中传输时，光波会与光纤中的声波产生相互作用。
这种相互作用会使得光波的能量转化为声波的能量，并且光波的频率也会发生变化。
这种频率变化就是SBS效应。
那么，光纤中的声波是如何产生的呢？光纤中的声波实际上是由光波的能量转化而来的。
当光波与光纤中的介质发生相互作用时，光波的能量会转化为介质中的声波。
这个过程是通过声子-光子相互作用实现的。
声子是介质中的一种准粒子，它代表了介质中的振动模式。
当光波与声子相互作用时，能量会从光波转移到声子上，从而产生声波。
当声波产生后，它会与光波发生反向散射，导致光波的频谱发生改变。
这种散射是通过布里渊散射实现的。
布里渊散射是一种非线性散射过程，它发生在光波与介质中存在声波时。
在布里渊散射过程中，光波的频率发生变化，而散射光的能量可以迅速地转移到声波上。
接下来我们探讨一下光纤的SBS效应对光通信系统的影响。
随着光通信技术的快速发展，光纤通信系统的传输容量越来越大，同时光纤中的光强也越来越高。
这种高强度的光波会增加SBS效应的强度，从而导致光信号的失真和损耗。
当光纤中的功率达到一定阈值时，SBS效应的影响就会变得明显。
SBS效应的影响主要表现在两个方面：频谱扭曲和系统损耗。
频谱扭曲是指光波的频率发生变化，导致光信号的频谱形状发生畸变。
这种频谱扭曲会导致光信号的频率特性发生变化，从而影响到光通信系统的传输性能。
非线性效应(SBS)
Stokes
Anti-Stokes
Rayleigh
Raman
Brillouin
Brillouin
ω0
Raman ω
光纤中的两种非弹性散射：
Brillouin散射：光子与声学声子（Acoustic Phonon）的能量转换 Raman散射 ：光子与光学声子（Optical Phonon）的能量转换
声子是对固体内部分子或离子在其平衡位置附近量子化振动状 态的形象描述
入射光
E(r,t)
=
E ei(k.r −ωt ) 0
+
c.c.
极化强度变化
ΔP(r, t) = Δε (r, t)E(r, t) = Δ1ε4E04ei(4(k4+q)2.r−(4ω+Ω4)t)4+4c3.c. + Δ1ε4E04ei(4(k4−q)2.r−(4ω−Ω4)t)4+4c3.c.
anti − Stokes
∞ ηω
−∞
⎡ exp ⎢ g B
⎢⎣
ω0
−ω
P0 _ cw Aeff
Leff
⎤
⎥dω
⎥⎦
( ) ( ) PB_cw L
⎡
= ηωs Beff exp⎢gB ΩB
⎢⎣
P0 _ cw Aeff
Leff
⎤ ⎥ ⎥⎦
g B Pcr Leff ≈ 21 Aeff
Pcr
≈
21Aeff g B Leff
布里渊散射的应用
−
∇2E
−
∇[E
⋅ ∇ ln(ε
+
Δε
)]+
μ0
∂
2
(ΔεE)
∂t 2
1550nm光传输相关技术介绍.
一、SBS（受激布里渊散射）
SBS 是一个物理现象，即入射光在光纤中被转换成后向散射的斯 托 克 斯 光 ，使 前 向 传 输 的 信 号 光 被 非 线 性 地 衰 减 ，而 后 向 传 输 的 光 可 能 返回发送机引起输出光功率的波动，形成噪声。SBS 是一个光波与声 波的参数作用过程，被声子散射的入射光转换成一个频率较低的 Stokes 光 。
一 般 建 议 光 放 大 器 的 输 入 光 功 率 在 +3~+6dBm。
Le － 有 效 相 互 作 用 长 度 ， 按 如 下 公 式 计 算 ： Le = (1－e)αL / α ， 其 中：α －光纤长度， L－光纤长度
∆fB － 光 纤 的 SBS 增 益 带 宽 ， 取 20～ 100MHz
∆fD － 为 扩 大 SBS 门 限 功 率 在 激 光 器 上 加 抖 动 调 制 后 激 光 器 平 均 光 谱宽度
因此，必须使每一段光纤的入射功率不大于光纤的 SBS 门限，该 门限用如下公式计算：
PSBS = 21AeK 1 （1＋ ∆fD ) GBLe ∆fB （ 公 式 1）
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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
Click to add Title 受激布里渊散射
Click to add Title 测试 方法
优化方法及结论
引言 SBS测试的意义
发生受激布里渊散射后，产生的受激布里渊 散射光对入射光会造成串扰；对激光器产生 干扰作用。
(1)
E
( 2)
E E
( 3)
2
3
.பைடு நூலகம்..]
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 散射 斥力，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。
受激的 散射过程
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。
消除干扰，必须清楚其产生原因，则弄清什 么是受激布里渊散射以及如何减小受激布里 渊散射对我们的影响，尤为重要。
光纤的非线性
光场
介质
极化
偶极子
电磁波
总光场
叠加
极化强度和电场强度的关系可以描述为： 线性： P 0 E 非线性： P 0 [ 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 互耦合，而且入射光场与物质激发态之间也存在耦合，如SBS。
测试过程一
测试过程二
FW方法加载方波
加入同一幅度方波，改变频率，结果如下：
加波前
10mV 2kHz
10mV 5kHz
10mV 10kHz
10mV 50kHz
10mV 100kHz
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；但频率对眼图 劣化几乎无影响。
FW方法加载方波 加入频率固定方波，改变幅度，结果如下：
结论
加入方波、正弦波，SBS阈值光功率均 有所提高，但加入方波，DP相对较小；
加入方波、正弦波，眼图会劣化，为了 平衡，则需要选取恰当的幅度和频率。
改变Iea，在某一值处，SBS阈值光功 率最大，DP最小；但改变Iea对SBS阈 值光功率的影响无加入波形明显。
加波前 DP=3.75
40mV 0.5kHz 100kohm DP= 3.81
40mV 1kHz 100kohm DP= 4.05
40mV 2kHz 100kohm DP= 3.6
40mV 4kHz 100kohm DP= 3.74
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；频率对眼图劣 化几乎无影响。
杨宗纬唱歌好有感觉哦 加波前
10mV 2.5kHz
20mV 2.5kHz
30mV 2.5kHz
40mV 2.5kHz
50mV 2.5kHz
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。
硬件方法加载方波 加入方波，改变频率，幅度不变，结果如下：
加波前 DP=3.75
40mV 0.5kHz 100kohm DP=3.74
为了使光纤放大器的高输出功率能够有效地注入 单模光纤，必须提高SBS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 附加调相，使入射光的谱宽增大。 改变Bias，使激光的折射率发生变化，而使入 射光谱宽增大。 改变Iea，使激光的啁啾发生变化，而使入射光 谱宽增大。
测试方法
光环形器 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。 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。
40mV 2kHz 100kohm DP=3.53
40mV 2kHz 200kohm DP=3.59
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，加入 2kHz的方波，DP最小。频率、幅度综合考虑，加入40mV 2kHz 100kohm最佳。
硬件方法加载正弦波
加入正弦波，改变频率，幅度不变，结果如下：
加入正弦波，改变幅度，频率不变，结果如下：
加波前
40mV 2kHz 50kohm DP=3.67
40mV 2kHz 100kohm DP= 3.6
40mV 2kHz 200kohm DP=3.46
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,DP越 大；频率、幅度综合考虑，加入40mV 2kHz 100kohm的方波最佳。
40mV 1kHz 100kohm DP=3.53
40mV 2kHz 100kohm DP=3.41
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；频率对眼图劣 化无影响，但频率越大，DP越小。
硬件方法加载方波
加入频率固定方波，改变幅度，结果如下：
加波前 DP=3.75
40mV 2kHz 50kohm DP=3.74
PSBS 42
B
1
g
B
A L
eff
B
eff
P
B
g 为布里渊增益系数， Aeff 为纤芯有效面积、Leff 为有效作用长度
2 纤芯有效面积：Aeff S o （ S 为单模光纤模场半径）） 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
0
位长度衰减系数 和光纤长度L有关,
受激散射的物理机制
频率为Vin的入射光子与介质相互作用，可以发射一频率为 s in 的光子和一个频 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 s in 的光子。
斯托克斯光（ s in ）
反斯托克斯光（
主要原因
由于入射光功率很高， 由光波产生的电磁伸缩 效应在物质内激起超声 波，入射光受超声波散 射而产生的。 SBS可以描述为： 由于在较长的光纤中发射 激光，如果超过某个临界 功率，则由于线宽和光纤 类型的原因，可能会发生 强烈的反射，从而导致在 光纤的反射端观测到的功 率达到最大极限值。
SBS的阈值光功率：
s in
）
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 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 一非线性过程称为受激布里渊散射SBS(Stimulated Brillouin Scattering)。