受激布里渊散射
单模光纤中受激布里渊散射阈值研究
文章编号:025827025(2005)0420497204单模光纤中受激布里渊散射阈值研究沈一春,宋牟平,章献民3,陈抗生(浙江大学信息与电子工程学系,浙江杭州310027)摘要 分析和讨论了受激布里渊散射(SBS )阈值计算的Smith 模型和K üng 模型,研究了更为准确估算光纤中布里渊散射阈值的方法,通过布里渊增益系数与光纤长度的关系,发现对于较短长度光纤,其布里渊增益系数随着光纤长度变化范围较大,仅在长距离光纤时,布里渊增益系数才可以近似为常数。
实验测量了25km 单模光纤的受激布里渊散射阈值,推导出用布里渊时域反射仪(BO TDR )测量受激布里渊散射阈值计算公式,最后用布里渊时域反射仪测量了不同长度光纤受激布里渊散射阈值,实验结果与理论分析吻合。
关键词 光电子学;单模光纤;布里渊时域反射仪;受激布里渊散射中图分类号 TN253 文献标识码 AAnalysis and Measurement of Stimulated Brillouin ScatteringThreshold in Single Mode FiberSH EN Y i 2chun ,SON G Mu 2ping ,ZHAN G Xian 2min ,C H EN Kang 2sheng(De partment of I nf ormation and Elect ronic Engineering ,Zhej iang Universit y ,H angz hou ,Zhej iang 310027,China )Abstract The Smith ′s model and K üng ′s model for calculating the threshold of stimulated Brillouin scattering (SBS )are analyzed and discussed.The more exact method is investigated.The relationship between critical gain coefficient and fiber length is obtained ,which shows that the critical gain coefficient can be considered as constant only when fiber length is long enough.The SBS threshold of 25km single mode fiber is measured by experiment.Finally ,the experiment to measure SBS threshold using Brillouin optical 2time 2domain reflectometer (BO TDR )is done.The results are well agreed with the theoretical predication.K ey w ords optoelectronics ;single mode fiber ;Brillouin optical 2time 2domain reflectometer ;stimulated Brillouin scattering 收稿日期:2004202217;收到修改稿日期:2004207206 基金项目:浙江省自然科学基金(M603127)资助项目。
31 光纤中的受激散射效应
/W
0.2 dB / km
Pth 5 7 0 m W
拉曼效应用作光纤放大器：大带宽、放大波长无限制、噪声低
拉曼效应对波分复用系统的影响：长波长信道被短波长信道放大，引入串扰
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SOEI, HUST
入射光
声波
与入射光拍频
散射光
布里渊中心频移：约10 GHz（0.08nm） 布里渊增益谱宽：约50MHz 散射方向：后向 通常强度大于拉曼散射
拉曼散射和布里渊散射的区别主要来自于参与的声子不同
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SOEI, HUST
入射光
分子振动 模式转换
Pth
与入射光拍频
散射光
声波被放大
放大
正反馈
散射光功率等于入射光功率一半对应的入射光功率
gB Pth Leff / Aeff 21 gB 51011m / W
Pth mW
受激布里渊效应对波分复用系统的影响：增益带宽小于信道间隔，串扰不大
通过增加泵浦光带宽可显著增加受激布里渊效应的阈值功率
SOEI, HUST
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光纤通信技术
光纤中的受激散射效应
01 光纤中的散射 02 自发拉曼散射 03 自发布里渊散射 04 受激拉曼散射（SRS） 05 受激布里渊散射（SBS）
SOEI, HUST
入射光引入偶极子重新辐射的过程
散射光
入射光
h
0 - 0 0
h 0 +
反射光
米散射
( 0 )
粒子大小与波 长相当或更大
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。
第六章受激拉曼散射与受激布
相位共轭的应用
6
SBS用于相位共轭
休斯公司的Mangir等采用布里渊振荡级和 放大级量级组合，振荡级产生共轭种子信 号较弱但有优异的相位共轭保真度，放大 级可以将共轭信号放大并转换绝大部分的 泵浦能量（70％）。利用此装置，得到能 量为4.5J的1.05微米波长的输出，保真度优 于85％。
λ
4
获得优异近场保真度的SBS相位共轭输出
hν0
h(ν0 + Δν) h Δν
ANTI-STOKES Rayleigh
ν0
ν0 + Δν
1
1、受激散射的基本特性
背景：高强度激光产生，许多基于激光与物质相互作用的 受激过程被陆续发现。
2、受激散射主要特征：
高的输出强度：SRS及SBS的强度可以达到入射激光强度同样的 量级，甚至更高 应用：拉曼频移器（高压氢池） 好的方向性：前向或背向的受激散射输出的发散角与入射激光的 发散角有关，可以优于毫弧度，甚至达到衍射极限 高阶散射：受激散射中存在斯托克斯散射和反斯托克斯散射分别 低于或者高于入射激光的频率。增大入射激光强度，选取有大的 散射介面的介质或增加所用介质的长度，可以得到更高阶斯托克 斯散射和反斯托克斯的受激散射。 相位共轭特性：受激散射光场的相位特性（或波阵面特性）与入 射激光的相位特性（或波阵面特性）具有共轭关系。 应用：畸变补偿技术（在SBS过程特别突出）
SRS理论
前向受激拉曼散射是最重要和应用最广的一种SRS,入 射光场和激发的斯托克斯光场都沿正Z轴方向传播。 斯托克斯光场在介质中传播：I s = I sn [exp(gI l L) − 1]
SRS具有增益特性，SRS输出始于泵浦光场作用下从量子噪声。 周围环境中不存在真空，根据量子力学的测不准原理，在真空中 不断产生着虚实粒子对并互相湮灭。这些粒子的产生会造成噪音。 Isn为噪声输入分子的一个振动模具有的增益因子g～10－9cm/W, 当强度为109W/cm2的泵浦激光在介质中传输25cm后，可以得到 gIL=25,从泵浦光转换至斯托克斯光的转换效率为1％。人们将 gIL=25作为SRS产生的指数增益阈值。
拉曼散射与布里渊散射
拉曼散射与布里渊散射拉曼散射和布里渊散射都属于非弹性散射，它是光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应。
非弹性散射的一个特点就是它的散射频率不等同于入射频率。
布里渊散射布里渊散射是泵浦光子、斯托克斯光子与声子间的相互作用，其过程是一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子。
不过与此同时，一个泵浦光子也可以吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。
因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线。
受激布里渊散射的具体过程是：当泵浦光在光纤中传播时，其自发布里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强度增加，当增大到一定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光将发生干涉作用，产生较强的干涉条纹，使光纤局部折射率大大增加。
这样由于电致伸缩效应，就会产生一个声波，声波的产生激发出更多的布里渊散射光，激发出来的散射光又加强声波，如此相互作用，产生很强的散射。
布里渊散射在分布式光纤传感器、光纤陀螺、光纤相位共轭镜、布里渊放大器等领域有重要的应用。
受激布里渊散射光纤陀螺的基本原理是：经过分束的两束激光沿不同的方向在光纤环中传播，其产生的SBS光的频率与系统三角速度有关，测量SBS光的拍频，即可得到系统的角速度。
拉曼散射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。
其物理意义是入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。
拉曼散射光谱中同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关；斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。
拉曼散射分为两种，表面增强拉曼散射与共振拉曼散射。
共振拉曼散射是当一个化合物被入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加，这个效应被成为共振拉曼散射。
SBS通信指标
SBS通信指标
在1550nm光传输系统中,每一台光发射机的技术指标中都有一项“SBS”的参数，SBS的全称为“受激布里渊散射”，它是一项对光纤人射光功率进行限制的指标。
在模拟电视光纤传输系统中，光功率是一个重要的参量，在电视于线传输中往往要求光发射机的输出功率或者光纤放大器的输出功率尽可能高，以增加系统的传输距离，然而对一条光纤来说却受光纤的非线性限制,特别是受到受激布里渊散射的限制。
如果在光纤中发生SBS现象，大部分的输人光信号功率将在光纤传输过程中被转换成后向传输的散射光，前向传输的信号光则发生非线性衰减。
因此，在1550nm光传输系统中要求光纤的输人光功率必须保持在SBS阈值之下，换言之，SBS阈值设定了最高的人纤光功率。
SBS阈值指标是1550 nm光传输系统的一个重要指标，直接限制尤放大光传输最远距离，所以在有线电视光传输干线的设计中要首先考虑这一问题，并在光发射设备的选型中加以合理解决。
光纤激光受激布里渊散射的动力学特性研究
光纤激光受激布里渊散射的动力学特性研究光纤激光中受激布里渊散射表现出了丰富的动力学特性,近年来已经引起了广泛的关注。
基于这些动力学特性,受激布里渊散射已经被广泛用于实现光通信系统中的布里渊放大器、光纤传感、脉冲压缩、信号处理技术(如光存储以及快慢光等)以及产生不同种类的光源。
然而在这些与受激布里渊散射相关的应用当中,仍然存在一系列的问题,如光纤激光器中有源增益对受激布里渊散射过程的影响、共振频率失谐对受激布里渊散射动力学特性的影响、受激布里渊散射过程中泵浦光和斯托克斯光之间的瞬时能量流动特性以及多模光纤中受激布里渊散射的动力学特性和阈值特性等,尚未有明确解释,需要进一步深入研究。
另外在高功率窄线宽脉冲光纤激光器中,包括受激布里渊散射在内的各种非线性效应已经成为限制其功率进一步提升进而制约其在地球科学、原子分子物理、频率变换、光束合成等领域的应用前景的主要因素。
本文针对上述问题开展了针对性的理论和实验研究,主要内容如下:论文首先回顾了目前关于光纤中受激布里渊散射动力学特性的研究进展,详细介绍了分别在单模和多模光纤内与受激布里渊散射效应相关的各种动力学特性的研究,阐明了进一步拓展和深入研究受激布里渊散射在光纤激光中的动力学特性的意义。
针对在高损耗稀土离子掺杂光纤激光器中的受激布里渊散射过程,从实验和理论两个方面证明了混合的布里渊和有源增益可以支持部分锁模现象的出现。
首先,设计了相应的实验方案,实验结果表明为了使得激光器内部分锁模现象能够出现,需要布里渊和有源增益同时存在;其次,还建立了描述这一动态过程的理论模型,较好地解释了实验结果;最后详细阐述了导致不同斯托克斯纵模之间相位实现部分同步的物理机制。
针对在连续泵浦下无外界反馈光纤中的受激布里渊散射过程,研究了共振频率失谐对受激布里渊散射动力学特性的影响。
从数值和理论结果中首次发现在无需克尔效应的参与下,共振频率失谐可以使得受激布里渊散射过程表现出丰富的动力学特性。
光纤放大器中的受激布里渊散射阈值
型 ， 论 仿 真 了信 号 带 宽 、 芯 直 径 、 大 器 增 益 对 Ｓ Ｓ阈 值 的影 响 ， 从 实 验 上 研 究 了 单 频 百 纳 秒 脉 冲 信 号 理 纤 放 Ｂ 并
在 掺 镱 双包 层 光 纤 放 大 器 中 的受 激 布 里 渊散 射 现 象 。实 验 中输 入 脉 冲信 号 重 复 频 率 １Ｈｚ脉 宽 ２ ０Ｙ ， 不 ， ０ Ｉ 对 Ｓ 同 的输 入 脉 冲 信 号 放 大 ， 向放 大 脉 冲在 脉 冲 能 量 ６ ０ｎ 、 值 功 率 ３ ３Ｗ 时 出 现 畸 变 ， 生 后 向 Ｓ Ｓ窄 脉 前 ６ Ｊ 峰 ． 产 Ｂ 冲 ， 到 了 Ｓ Ｓ阈 值 ， 验计 算 的 Ｓ Ｓ阈值 与 理 论 分 析 结 果 基 本 一 致 。 达 Ｂ 实 Ｂ
器动 态增 益 和 分 别为信 号 光和 一级 Ｓｏ ｅ 光频 率 。 ｔｋ ｓ
（ １ ） （ ２ ）
式中： 为光 纤背 景损 耗 （ 不包 括 Ｙｂ 的衰 减 ）Ａ 抖 ； 为光 纤有 效纤 芯 面积 ； 为 布里 渊增益 峰值 ； （ ，） 放 大 ｇ ｇ ｚ 为
由于 Ｓ Ｓ是 由 自发 布里 渊散射 噪声发 展起 来 的 ， 以可假 设 在 ｚ Ｂ 所 —Ｌ处 注入 一频率 为 一ｖ 的虚 拟光子 ， ｓ
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＩＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ１ ２ ． ３，ＮＯ ９ ．
Ｓｅ ｐ．，２０ １ １
文 章 编 号 ： ｌ Ｏ 一 ３ ２ ２ ｌ ） ９２ ０ —４ Ｏ ｌ４ ２ （ ｏ １ ０ — ４ ５０
光 纤 放 大 器 中的 受激 布 里渊 散射 阈值
等效 噪声 功率 为 Ｐ ｌ ， 边 界条件 为 ｇ 有 ］
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受激布里渊散射技术
光在光纤中传播时，在反方向产生散射光。
其散射光光谱如图1，包括了瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。
布里渊散射是指入射到介质的光波与介质内的弹性声波发生相互作用而产生的光散射现象。
由于介质内部存在一定形式的振动，引起介质折射率随时间和空间周期性起伏，从而产生自发声波场。
光定向入射到光纤介质时受到该声波场的作用则产生布里渊散射。
光纤中布里渊散射通过相对于入射抽运波频率下移的斯托克斯波的产生来表现，可看作抽运波和斯托克斯波、声波之间的参量相互作用。
散射产生的布里渊频移量与光纤中的声速成正比，而光纤的折射率和声速都与光纤的温度及所受的应力等因素有关，这使得布里渊频移随这些参数变化而变化，温度和光纤应变都会造成布里渊频率产生线性移动，即：
自发的散射过程是指引起光散射的介质的某种扰动（通常是介电常数）是由热激励或是由量子机制的零点效应引起的；而受激的散射过程是指这种扰动是由于光场的存在通过非线性效应引起的。
自发布里渊散射十分微弱，观察也十分困难，所以通常采用的是受激布里渊散射，同时利用光时域反射（OTDR）技术，对沿光纤传输路径的空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控，常称为BOTDA。
典型的传感器设置包括两台激光器（一台连续光，一台脉冲光）分别从一根被测光纤的两端输入。
当两台激光器的频率差与布里渊频率相同时，两束激光在光纤内部发生强相互作用并增强光纤中已产生的声波（声子），使得布里渊信号容易定位检测。
光纤测量应变和温度，通常需要扫描频差（拍频）绘出布里渊频谱，通过分析该频谱以获得应变和温度信息。
图 1 BOTDA原理示意图。