基于布里渊散射的多波长光纤激光器及分布式光纤传感研究
光纤中散射
布里渊散射的物理机制
虚态
hv0
hv
振动态
虚态
hv0 h
振动态 低能态 低能态
hv
h 图5 反斯托克斯光子的产生示意图
图4 斯托克斯光子的产生示意图
一个泵浦光子湮灭产生一个斯托克斯(或反斯托克斯 光子和一个声学声子 一个泵浦光子湮灭产生一个斯托克斯 或反斯托克斯)光子和一个声学声子，散射 或反斯托克斯 光子和一个声学声子， 过程能量和动量守恒。 过程能量和动量守恒。
∆ν B = ΓB / 2π (FWHM)
2 2π 2 n 7 p12 g 0 = g B (ν B ) = 2 cλ p ρ 0ν a ΓB
(增益峰值)
图7 沿光纤长度分布的布里渊增益谱
g 0 = 5 × 10 −11 m / W (增益系数@1550nm)
受激布里渊散射
光纤中受激布里渊散射的三波耦合方程： 光纤中受激布里渊散射的三波耦合方程：
W 2
NA 1 S = n ⋅m 0
其中， 是光纤总的损耗系数， 是光脉冲宽度 是光脉冲宽度， 是俘获系数 是俘获系数， 其中，α 是光纤总的损耗系数，W是光脉冲宽度，S是俘获系数， L是光纤长度，m=4.55(单模光纤) 是光纤长度， (单模光纤) 是光纤长度
瑞利散射的定量描述
g R 是拉曼增益系数，与自发拉曼辐射的截面积有关，更准确地说
gR
1064nm m gR (λp ) = ( )(1.0×10−13 ) g (1550nm) = 7.0×10−14m/ W λp W R
图10 拉曼散射增益谱
拉曼阈值
拉曼阈值定义：在光纤的输出端斯托克斯功率与泵浦功率相等时的入射泵浦功率，
对于1.55um处，损耗系数在0.12-0.15dB/km范围内 光纤中后向瑞利散射的功率： 光纤中后向瑞利散射的功率：
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
光纤位移传感器原理
光纤位移传感器原理光纤位移传感器是一种利用光学原理来测量物体位移的传感器。
它通过光纤的变化来实现对物体位移的测量，具有高精度、抗干扰能力强等优点，在工业自动化、航空航天、医疗等领域有着广泛的应用。
光纤位移传感器的原理主要基于两种光学效应，拉曼散射效应和布里渊散射效应。
拉曼散射效应是指当光线通过光纤时，由于光的频率与光纤内部的分子振动频率不同，会发生光子与分子之间的相互作用，使得光子的频率发生变化。
而布里渊散射效应则是指当光线通过光纤时，由于光的频率与光纤内部的声子振动频率不同，会导致光子与声子之间的相互作用，使得光子的频率发生变化。
基于以上两种光学效应，光纤位移传感器的工作原理可以简单描述为，当外界物体发生位移时，会导致光纤的长度或形状发生变化，从而影响光纤内部的光子与分子或声子之间的相互作用，最终导致光子的频率发生变化。
通过检测光子频率的变化，就可以得知外界物体的位移情况。
光纤位移传感器的工作原理虽然看似简单，但其中涉及到的光学原理和信号处理技术却十分复杂。
在实际应用中，需要考虑光纤的材料和结构、光源的稳定性、光谱分析技术等多个方面的因素，才能确保传感器的精准度和稳定性。
除了上述的原理外，光纤位移传感器还有一些特殊的工作原理，比如基于光纤光栅原理的传感器。
光纤光栅是指在光纤内部加入周期性的光栅结构，当外界物体位移时，会导致光栅的周期发生变化，从而改变光纤内部的光场分布，最终影响光的传输特性。
通过检测光的传输特性的变化，就可以实现对外界物体位移的测量。
总的来说，光纤位移传感器的原理是基于光学效应来实现对物体位移的测量，具有高精度、抗干扰能力强等优点。
在实际应用中，需要综合考虑光学原理、信号处理技术等多个方面的因素，才能确保传感器的稳定性和可靠性。
随着光学技术的不断发展，相信光纤位移传感器在未来会有更广泛的应用和更高的性能表现。
光学fib效应
光学Fib效应，通常指的是光纤中的非线性效应。
在光纤通信和光纤激光器等领域，光纤的非线性效应是一个重要的研究课题，因为它们会影响到光信号的质量和传输效率。
以下是一些常见的光纤非线性效应：1. 自相位调制（Self-Phase Modulation, SPM）：当光脉冲在光纤中传播时，由于介质的非线性特性，光脉冲的相位会随着强度的变化而变化，这种现象称为自相位调制。
SPM会导致光脉冲的相位谱展宽，从而影响信号的传输质量。
2. 非线性损耗（Nonlinear Loss）：在光纤中，当光强度超过一定阈值时，介质会表现出非线性损耗，这通常是由于光引起的介质的折射率变化导致的。
非线性损耗会导致光脉冲的能量随着传输距离的增加而逐渐减少。
3. 增益饱和（Gain Saturation）：在光纤激光器中，激光增益介质（如掺杂的光纤）在强光场作用下会表现出饱和特性，即增益随着输入光强度的增加而减少。
这种效应限制了激光器的最大输出功率。
4. 四波混频（Four-Wave Mixing, FWM）：当两个或多个不同频率的光波在光纤中传播时，它们会相互作用并产生新的频率成分。
这种效应可以用于波长转换和光信号处理，但也可能引起信号失真。
5. 光纤中的布里渊散射（Brillouin Scattering）：这是一种声子与光子相互作用的现象，会导致光脉冲的频率和相位发生变化。
布里渊散射可以用于分布式光纤传感，但也可能对通信信号造成干扰。
6. 非线性折射（Nonlinear Refraction）：当光脉冲在光纤中传播时，由于介质的非线性特性，折射率会随着光强度的变化而变化，这会影响光脉冲的传播速度和形状。
这些非线性效应通常在光纤中同时存在，它们的影响可以通过适当的信号调制、光纤设计和管理策略来减轻。
在设计和优化光纤通信系统和光纤激光器时，必须考虑这些非线性效应。
光纤中散射
其中， 是光纤总的损耗系数，W是光脉冲宽度，S是俘获系数， L是光纤长度，m=4.55(单模光纤)
瑞利散射的定量描述
图3 基于瑞利散射的光时域反射计(OTDR)
后向瑞利散射功率：
P ( L) S
R P0 e 2L (1 e W )
0 L W 2
L
P ( L) S
慢变振幅近似，忽略各二阶导数项和声波传播项，
泵浦脉宽达100ns或更宽，稳态理论研究
瞬
态 理 论
泵浦光脉冲的宽度为几十ns或更小时
SBS阈值特性
SBS的阈值功率是指输出的斯托克斯光功率与泵浦光功率相等时,输入端泵浦光功率
与脉冲宽度、光纤类型、光 纤长度及温度有关
拉曼散射
拉曼散射（Raman scattering），光通过介质时由于入射光与分子 运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。1923 年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年， 印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变 的现象,因光散射方面的研究工作和喇曼效应的发现，获得了1930 年度的诺贝尔物理学奖。
布里渊(1854-1948)
布里渊散射：布里渊散射的本质是入射光与声学声子相互作用的非弹性散射。分 为自发布里渊散射和受激布里渊散射。
光纤中自发布里渊散射的物理模型
自发布里渊散射：在常温状态下光纤中的原子、分子或离子因自发热运动作连续 弹性力学振动，形成了光纤中的自发声波场。沿光纤方向的声振动使得光纤的密 度随时间和空间周期性变化，从而使得光纤上的折射率被周期调制。这种自发声 波被看作是沿光纤运动着的光栅。当泵浦光射入光纤中时，将会受到“光栅”的 “衍射”作用，产生自发布里渊散射光。 向前向后都有散射 只有向后散射 (应用于BOTDR) （应用于BOTDA） 受激布里渊散射：当进入光纤的入射光泵浦功率超过某一阈值时，光纤内产生的电 致伸缩效应，使得沿光纤产生周期性形变或弹性振动，即光纤中产生了相干声波， 该声波沿其传播方向使光纤折射率被周期性调制，从而形成了一个以该声速运动的 折射率光栅 ，使入射光产生散射，散射光频率下移，当满足波场相位匹配时，声 波场得到极大增强，从而使光纤内的电致伸缩声波场和相应的散射光波场的增强大 于它们各自的损耗，将出现声波场和散射光场的相干放大，从而导致大部分传输光
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
Click to add Title 受激布里渊散射
布里渊双波长窄线宽光纤激光器及其扫频微波信号生成
布里渊双波长窄线宽光纤激光器及其扫频微波信号生成毕文文;冯亭;苏鲸;延凤平;姚晓天【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2022(43)10【摘要】提出并验证了一种基于高非线性光纤(HNLF)的布里渊双波长窄线宽光纤激光器,并对其扫频微波信号生成进行了研究。
窄线宽光纤激光种子源经高功率掺铒光纤放大器进行功率放大,并使用光纤光栅滤除自发辐射噪声后,作为受激布里渊散射(SBS)的泵浦光;为降低SBS阈值,使用长3.0 m的HNLF作为布里渊增益介质,布里渊激光谐振腔的腔长为6.6 m,对应的纵模间隔约为31 MHz,可以保证在布里渊增益谱范围内实现激光单纵模运行;在HNLF入纤泵浦光功率为1.8 W时,测得布里渊激光的线宽为622.50 Hz,且结合残余泵浦光得到了双波长激光输出,光信噪比>77 dB;对双波长激光进行拍频,在9.4 GHz附近得到微波信号,且利用定制步进电机光纤拉伸机构对HNLF引入应变调制,实现了速率为10 Hz、范围为289.7 MHz的扫频微波信号输出。
提出的激光器系统实现方法简单,在光/无线通信、光纤传感、微波光子学等领域具有潜在应用价值。
【总页数】8页(P1601-1608)【作者】毕文文;冯亭;苏鲸;延凤平;姚晓天【作者单位】河北大学物理科学与技术学院光信息技术创新中心;河北省光学感知技术创新中心;北京交通大学电子信息工程学院【正文语种】中文【中图分类】TN248.4【相关文献】1.一种超窄线宽双向反馈的多波长布里渊光纤激光器2.激光器光谱线宽对布里渊光纤谐振腔谐振特性的影响3.沿线布里渊频移大范围波动下分布式光纤传感扫频范围选择及误差估算4.双波长窄线宽光纤光栅环形腔激光器5.基于布里渊光纤环形激光器测量超窄激光线宽的新方法因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
布里渊散射论文：外差检测BOTDR温度和应变传感技术研究
布里渊散射论文：外差检测BOTDR温度和应变传感技术研究【中文摘要】本文介绍了基于布里渊散射的温度和应变传感研究现状,分析了光纤中的布里渊散射特性以及对温度和应变的传感理论,建立了布里渊散射频移和强度与光纤中温度和应变的对应关系。
利用布里渊散射和瑞利散射强度之比来消除光纤损耗所带来的影响,从而修正布里渊散射强度的相对变化量,为外差检测BOTDR温度和应变传感技术奠定了理论基础。
对外差检测BOTDR传感系统和信号处理方案进行了研究,并对下变频子系统中频率综合器模块的控制进行了重点研究。
根据频率综合器的控制要求,设计了微波频率综合器的控制软件使其能够输出所要求的频率分量。
采用了将Golay互补序列应用于BOTDR光纤传感系统的方法,通过对Golay互补序列的时域和频域特性进行理论分析,设计了基于Max+plus II平台的Golay互补序列产生逻辑电路,并进行了仿真分析,设计产生了码元长度可变、码元宽度可调的高速率Golay互补序列,同时对应用Golay互补序列的BOTDR 传感系统从信噪比、动态范围和测量时间上进行了分析,并对传感系统从时域和频域的角度进行了Matlab仿真,结果表明调制成Golay互补序列的光脉冲较单脉冲传感系统在系统信噪比、温度和应变分辨率等方面能够改善系统的性能。
搭建了部分实验系统,完成了基于AOM 光脉冲调制的前向光路时域波形测试。
【英文摘要】The research condition of temperature and strain sensing based on Brillouin scattering has beenintroduced in this thesis. The characteristics and the sensing mechanism of temperature and strain based on Brillouin scattering in optical fiber have been analyzed, and the temperature and strain dependences of Brillouin frequency shift and intensity have been founded. The ratio of the Brillouin scattering light power and Rayleigh scattering light power is used to eliminate the impact of optical loss to compensate the Brillouin scattered light power variation, and to establish the design theory of BOTDR based temperature and strain sensor system using heterodyne detection. Sensing system and signal processing based on heterodyne detection have been studied. The microwave frequency synthesizer in down converter subsystem has been studied in detail. The method of applying Golay complementary sequences in Brillouin sensing system has been used. A high speed Golay complementary code with a variable length and adjustable width is designed based on Max+plus II according to the principle of Golay complementary sequences, and waveform simulation has been done. In the meanwhile, the performance of BOTDR sensing system applying Golay complementary sequences is analyzed from the signal to noise ratio, dynamic range and measurement time of the sensing system. The sensing system has been simulated from time domainand frequency domain, and the simulation results of the Matlab show that the signal to noise ratio, temperature and strain resolution of the system are greatly improved by the employment of Golay complementary pulse modulation and correlation detection comparing with single light pulse. Finally, the partial experimental study of transmitted light signal has been conducted based on Acousto-optic modulator.【关键词】布里渊散射 BOTDR 外差检测 Golay互补序列【英文关键词】Brillouin scattering BOTDR heterodyne detection Golay complementary sequences 【目录】外差检测BOTDR温度和应变传感技术研究摘要5-6Abstract6第1章绪论9-15 1.1 引言9 1.2 基于布里渊散射的温度和应变传感研究现状9-13 1.2.1 直接检测10-11 1.2.2 外差检测11-13 1.3 本文的主要研究内容13-15第2章基于布里渊散射的温度和应变理论基础15-22 2.1 光纤中的布里渊散射机理15-16 2.2 布里渊频移与温度和应变的关系16-18 2.2.1 布里渊频移与温度的关系16-17 2.2.2布里渊频移与应变的关系17-18 2.3 布里渊强度与温度和应变的关系18-20 2.3.1 布里渊强度与温度的关系19 2.3.2 布里渊强度与应变的关系19-20 2.4 BOTDR 系统中温度和应变的同时传感技术20-21 2.5 本章小结21-22第3章外差检测BOTDR 温度和应变传感系统22-36 3.1 传感系统整体方案22-23 3.2 光发射子系统23-24 3.2.1 宽谱光源23 3.2.2 窄谱光源23-24 3.3 脉冲调制子系统24-26 3.4 微波下变频子系统26-32 3.4.1 频率综合器选择及参数设置26-29 3.4.2 频率综合器的控制方案29-30 3.4.3 接口配置软件设计30-32 3.4.4 实际测试结果32 3.5 BOTDR 信号采集与处理子系统32-35 3.5.1 信号采集和处理单元32-33 3.5.2 叠加平均算法33-35 3.6 本章小结35-36第4章应用Golay 互补序列的BOTDR 传感系统36-53 4.1 Golay 互补序列的特性36-39 4.1.1 互补序列的时域特性36-37 4.1.2 互补序列的频域特性37-39 4.2 Golay 互补序列在BOTDR 中的应用原理39-43 4.2.1 Golay 互补序列产生电路设计39-41 4.2.2 Golay 互补序列的脉冲响应41-42 4.2.3 Golay 互补序列在系统中的应用42 4.2.4 应用Golay 互补序列的系统方案42-43 4.3 Golay 互补序列在BOTDR 中的适用范围43-44 4.4 应用Golay 互补序列对系统性能的改善44-47 4.4.1 分辨率及信噪比分析44-45 4.4.2 系统动态范围的估计45-46 4.4.3 系统测量时间46-47 4.5 应用Golay 互补序列的BOTDR 系统仿真47-51 4.5.1 Golay 互补序列的时域仿真47-49 4.5.2 Golay 互补序列的频域仿真49-51 4.6 基于AOM 的前向光路测试51-52 4.7 本章小结52-53第5章结论与展望53-54参考文献54-57攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果57-58致谢58-59详细摘要59-67。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基于布里渊散射的多波长光纤激光器及分布式光纤传感研究随着信息容量需求的日益增长，高速大容量长距离将成为下一代全光通信网络的发展趋势。
为了有效的利用光纤中有限的频率资源，频率间隔20GHz，甚至10GHz将是未来密集波分复用技术发展方向之一。
多波长的布里渊掺铒光纤激光器(MBEFL)具有窄线宽、宽调谐性、低阈值、低强度噪声、低成本，频率间隔固定，在室温下稳定的单纵模运转等特点，将可能成为未来最佳的通信光源之一。
另外，布里渊光纤激光器(BFL)在光纤传感网络、频谱分析、RF等领域存在潜在的应用价值。
分布式布里渊光纤温度与应变传感器具有分布式光纤传感器优点的同时，还具有其它光纤传感无法媲美的显著特点，能同时测量温度与应变，可以应用于电力，石油化工、核电站、公路、桥梁、隧道、大坝、铁路、航天航空等各行业，受到国外内广泛关注。
然而分布式布里渊光纤传感存在系统复杂，技术不成熟，成本高，测试时间长等问题而难以广泛应用。
本论文在佛山市禅城区工业公关计划，国家自然科学基金和国家863计划支持下，围绕多波长布里渊光纤激光器(MBFL)和分布式布里渊光纤传感两个方向进行初步的理论和实验研究，概括全文的研究成果和贡献，有如下几个方面：(1)根据布里渊耦合强度方程，推导出求解布里渊强度耦合方程一种快速有效近似解析方法，并数值解进行比较。
分析了在四种情况下，光纤中的受激布里渊散射(SBS)阈值大小，用实验验证了光纤中的布里渊阈值与理论的一致性。
研究了脉冲形式的布里渊泵浦光在光纤中的Stokes与泵浦光强演变，对光纤中的温度或应变引起的频率失谐对泵浦光与探测光光强的影响进行仿真研究，检测出失谐处的位置与失谐量。
(2)基于135m的高非线性光纤(HNLF)，利用光纤
无源环形腔扩大激光器的自由频谱范围，和3m的非泵浦的掺铒光纤(EDF)产生自跟踪的窄带滤波和稳频特性，实验得到单纵模运转的布里渊光纤激光器，其功率波动不超过0.2dBm，该激光器可应用在分布式布里渊光纤传感系统做本征光。
(3)基于萨格纳克(Sagnac)环结构，通过9.4km的SMF实现双向的SBS，实验得到26个波长间隔为10GHz的多波长布里渊掺铒光纤激光器，研究了掺铒光纤放大器(EDFA)的泵浦电流、布里渊泵浦功率对布里渊光纤激光器的波长数量和调谐性的影响，该激光器最大的调谐范围超过50nm。
(4)在9.4km布里渊光纤激光器中，利用SBS产生斯托克斯光(Stokes)，在20mW的泵浦功率下产生
10.658GHz和21.316GHz的稳定的微波信号，最大的频率波动分别为0.9MHz和2MHz。
(5)通过理论分析了简并与非简并四波混频(FWM)的相位匹配条件，利用了布里渊激光器线宽压窄效应和FWM透明的波长转换特性，研究了多级四波混频(MFWM)支持的多波长的布里渊光纤激光器。
在2.5km的环形腔和160mW泵浦光功率下，实验得到19个波长间隔为21GHz的多波长光纤激光器；通过135m的高非线性光纤，使用泵浦预放大技术，基于级联的SBS和MFWM效应，得到20nm的梳状光谱，其最大的波长数量超过150个。
使用9.4km的SMF代替HNLF，实验取得25个通道的多波长布里渊掺铒光纤激光器，该激光器具有极低的阈值功率和50nm调谐范围，多波长的功率平坦性良好。
(6)基于实验室现有条件和布里渊光时域反射计(BOTDR)的研究现状，设计了一种基于双脉冲BOTDR分布式传感系统。
系统使用布里渊光纤激光器作本征光与传感信号光外差，把高频信号降低为200MHz~1.5GHz的低频信号，降低了对光电器件的带宽要求，大大降低了传感系
统成本。
设计并制造了一种200MHz基于FPGA可编程的电脉冲信号源来驱动电光调制器来产生双脉冲光信号；双窄脉冲光利用声子的弛豫特性提高系统的分辨率、信噪比与测量速度。
使用布里渊光纤激光器做本征光进行外差，实验得到1.4359GHz的外差信号，通过拟合可以测得布里渊温度系数为1.094MHz/℃。