激光誘導(dǎo)的激布里淵散射高非線性光纖的實驗研究

激光誘導(dǎo)的激布里淵散射高非線性光纖的實驗研究

1bs放大器特性隨著未來高速大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)（sds）的繁榮，光速慢光的研究已成為一個焦點，尤其是基于激布里源散射（sd）的慢光研究引起的關(guān)注。SBS效應(yīng)的應(yīng)用不僅體現(xiàn)在慢光方面,在其它如SBS放大器與激光器、SBS相位共軛器、SBS合束器和SBS限幅器等方面都得到了充分的應(yīng)用。所有這些應(yīng)用都離不開SBS的閾值、增益譜、放大和慢光等基本特性,雖然不同特性都已分別進行了研究,但在同一光纖中從不同角度綜合分析這些特性非常必要,因為這可以全方位描述光纖基于SBS的特性和物理圖像,從而進一步實現(xiàn)各種不同應(yīng)用。本文從實驗對在高非線性光纖(HNLF)中的這些特性進行了系統(tǒng)性綜合研究,首先介紹了SBS慢光的基本理論,然后實驗測量了HNLF中SBS的閾值、增益譜并研究了其放大性能,最后基于這些特性進行了慢光實驗研究并獲得了將近15ns的慢光延遲量。2條件二:gpSBS是一種常見的非線性光學(xué)效應(yīng),在光纖中很容易發(fā)生。SBS的發(fā)生需要一定的光功率閾值,SBS閾值Pcr可通過gBPcrLeff/Aeff≈21(1)得到。其中:Leff=[1-exp(-αL)]/α,表示損耗系數(shù)為α、長度為L的光纖有效作用長度;Aeff為有效纖芯截面;gB為增益系數(shù),表示為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為SBS增益譜的半高全寬;gp是在布里淵中心頻移Ω=ΩB處的布里淵增益系數(shù)峰值,有g(shù)p=2π2n7p212cλ2pρ0vAΓB(3)gp=2π2n7p212cλ2pρ0vAΓB(3)其中:n為泵浦波長λp對應(yīng)的折射率;p12為縱向彈光系數(shù);ρ0為材料密度;vA為光纖中的聲速。當(dāng)泵浦帶寬較寬時,SBS增益譜為泵浦強度譜與本征SBS增益譜的卷積,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)根據(jù)Kramers-Kronig關(guān)系,可由增益得到折射率的變化Δn從而可實現(xiàn)慢光延遲,有n=nb+Δn=nb-λ4π2∫∞-∞g(ω′)ω′-ωdω′(5)n=nb+Δn=nb?λ4π2∫∞?∞g(ω′)ω′?ωdω′(5)其中,nb為光纖的折射率。通過SBS致折射率變化可知SBS延遲量為ΔΤ=∫L0?Δβ(z?ω)?ωdz=∫L0?(Δn?ω/c)?ωdz(6)對于窄帶信號脈沖(即4(ω-ωs)2/Γ2B?1),SBS延遲量可表示為ΔΤ=GΓB{1-3[2(ω-ωs)ΓB]2}(7)其中,G=gBPpL/Aeff同時SBS致使脈沖展寬的展寬因子為B=τoutτin=[1+16ln2Gτ2inΓ2B]1/2(8)此展寬是SBS慢光中的不利因素,應(yīng)盡可能想辦法減弱或避免。通過以上描述,可以對光纖中關(guān)于SBS的諸多物理現(xiàn)象和應(yīng)用,特別是SBS放大器和基于SBS的慢光器件應(yīng)用進行詳細(xì)解釋。3基于mems的慢光器件性能HNLF中,SBS效應(yīng)最重要的兩個特征是SBS的閾值和增益譜,二者直接關(guān)系SBS放大器性能和基于SBS的慢光器件性能?；赟BS構(gòu)造放大器時,需要泵浦功率低于SBS閾值,以免引起SBS,從而大量消耗泵浦功率,進而降低信號的放大率,同時在放大的信號中引入大量的噪聲;基于SBS的慢光器件需要SBS增益譜足夠?qū)?增益足夠大,以使信號的延遲量大,同時降低信號因窄帶增益而導(dǎo)致的畸變。3.1hnrf的ss閾值HNLF中,SBS閾值測定實驗如圖1所示。連續(xù)激光(SantecECL-210)經(jīng)摻鉺光纖放大器(EDFA)放大并由可調(diào)衰減器(Att.)進行功率控制后,通過環(huán)行器注入所研究的HNLF(OFSFITELDK-SMF,長為1km,非線性系數(shù)為10W-1·km-1)。偏振控制器(PC)用于調(diào)節(jié)泵浦的偏振態(tài)以達到最大的SBS效應(yīng),發(fā)生SBS后反向傳輸?shù)乃雇锌怂构饨?jīng)環(huán)行器輸出,其功率用功率計進行監(jiān)測。隨著泵浦功率的逐漸增加,透過HNLF的功率也逐漸增加,當(dāng)泵浦功率達到一定值時,透過的泵浦功率不再繼續(xù)增大而是趨于一恒定值,其它的輸入功率被HNLF“反射”,此時稱所輸入的泵浦功率為SBS閾值。泵浦功率達到閾值后,HNLF的作用類似一反射鏡,將泵浦功率幾乎完全反射回來,但反射回來的斯托克斯波相對泵浦波具有一個頻率下移即SBS頻移約10GHz左右,此反射功率正是光通信系統(tǒng)中的嚴(yán)重危害因素之一。圖1中,輸入泵浦光的帶寬可通過激光器的相干控制功能進行一定程度的展寬,從而增大SBS閾值。HNLF的SBS閾值測定結(jié)果如圖2(a)所示。在對泵浦光進行相干控制(COHon,此時泵浦光線寬約100MHz)和不進行相干控制(COHoff,此時泵浦光線寬小于200kHz)兩種情況下分別測定了HNLF的透射功率和反射功率隨輸入泵浦功率的變化曲線,其中反射功率隨輸入泵浦功率的變化曲線也稱為SBS閾值曲線,通過SBS閾值曲線即可確定SBS閾值,它是反射功率開始迅速增大時對應(yīng)的泵浦功率。由圖2(a)可知,HNLF在泵浦光沒有進行相干控制時的SBS閾值為40mW,在泵浦光進行相干控制時其值為60mW。這表明,泵浦光帶寬越大,HNLF對應(yīng)的SBS閾值也越大。因此,可以通過增大泵浦光帶寬的方法來提升SBS閾值從而抑制光纖中的SBS效應(yīng),通常增大泵浦光帶寬是通過對泵浦光進行相位調(diào)制或直接對激光器進行調(diào)制而實現(xiàn)。為了觀察不同種類光纖中的SBS閾值,用10km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)代替1kmHNLF重新進行實驗,測得的SBS閾值如圖2(b)所示,對泵浦光不進行與進行相干控制時,SMF的SBS閾值分別為40mW和60mW,與HNLF相同,這是因為HNLF雖然非線性系數(shù)大因而SBS增益系數(shù)大但光纖較短只有1km,而SMF雖然SBS增益系數(shù)小但光纖長是HNLF的10倍,因而兩者SBS閾值沒有明顯的差別,但因為光纖長損耗大致使SMF的透射功率較HNFL的透射功率小,由圖2可明顯看出。如式(1)所示,對于SBS放大器可通過減小光纖長度提升SBS閾值,從而增大SBS放大器的泵浦功率,進而使得信號獲得大的增益,同時還因光纖長度短減少了光纖的本身損耗。3.2增益譜放大效應(yīng)的測定在測定HNLF的SBS閾值后,即可確定SBS放大器和SBS慢光器件中所能輸入的最大泵浦功率。在圖1的基礎(chǔ)上添加一反向傳輸?shù)男⌒盘査雇锌怂固綔y波,掃描探測波的頻率,可測量探測波在不同頻率處所得的增益,從而獲得HNLF的SBS增益譜。同時測定1kmHNLF和10kmSMF的SBS增益譜,如圖3所示,其中(b)和(c)是(a)中2個增益譜的放大圖形,以便更清楚地觀察相應(yīng)增益譜的形狀和特征,測定增益譜時均采用進行相干控制后的泵浦光(17dBm@1550nm)。對HNLF的SBS增益譜進行了多次測定,每次采用功率不同的小信號探測波,因而得出了SBS增益譜的多條形狀曲線,各增益譜曲線對應(yīng)SBS頻移約為9.3GHz,SBS增益帶寬為150MHz,但每條增益譜曲線的SBS頻移稍有不同,這主要是因為每次測定時環(huán)境稍微的擾動導(dǎo)致光纖的擾動從而略微影響增益譜。對SMF的SBS增益譜的SBS頻移為10.5GHz,SBS增益帶寬為140MHz,因此SMF的SBS頻移大于HNLF,SBS帶寬略小于HNLF,這與光纖的本身特性有關(guān)。探測波為-10dBm時測得的HNLF的SBS增益譜如圖3(b)所示,探測波為3.69dBm時測得的SMF的SBS增益譜如圖3(c)所示,SBS增益帶寬均在150MHz左右,大于窄帶泵浦光的SBS本征帶寬35MHz,這是因為對泵浦光采用了相干控制,使其帶寬增寬,從而使SBS增益譜增寬。3.3mems增益飽圖4是HNLF的SBS放大器放大和增益飽和特性,17dBm相干控制泵浦光(1550nm)作為泵浦。當(dāng)探測波功率從0.1mW增大到2.3mW,且其頻率處于SBS頻移處即SBS增益譜中增益最大處時,放大的輸出功率也逐漸增加,開始增加得很快,然后因為SBS增益飽和的原因使得輸出功率隨探測波輸入功率的增加而增加緩慢。為了避免增益飽和的發(fā)生,可采用更短的光纖,同時因SBS閾值增大而輸入更大的泵浦光功率,從而仍使SBS放大器工作在線性放大區(qū)而獲得更高的增益。3.4泵浦波隨激發(fā)文獻2.2延遲sd的特性SBS慢光實驗裝置如圖5所示,在測SBS增益譜的裝置上作了以下改變:激光器2的輸出探測波不是直接被放大,而是通過由20MHz信號發(fā)生器驅(qū)動的馬赫-曾德強度調(diào)制器(MZM)產(chǎn)生信號波,信號波經(jīng)由環(huán)行器相對泵浦光反向輸入HNLF。根據(jù)SBS慢光的基本原理,信號波輸出HNLF時已被放大和延遲,延遲量可由示波器(OSC)觀察。信號波不變時,調(diào)節(jié)泵浦波的功率大小即可調(diào)節(jié)延遲量的大小。另外,泵浦波不變時,調(diào)節(jié)信號波的光的頻率也可調(diào)節(jié)延遲量的大小。SBS慢光實驗中,信號波的典型延遲如圖6所示。圖中,最下方的波形代表輸入HNLF的信號波,上面的4條曲線表示隨泵浦光功率變化時輸出的不同延遲波形,延遲量由虛線可明確看出,其中最上面的第1條延遲波形相對最下面的第4條延遲波形相對延遲時間為12ns。實驗中,所采用的信號波為正弦調(diào)制波,因而可以很好地通過波峰或波谷定性判斷延遲并進行定量測量,但實際系統(tǒng)中的脈沖畸變在此體現(xiàn)不明顯。當(dāng)通信速率很高、信號脈沖很窄因而信號帶寬很大可與SBS增益譜帶寬相比擬或超過其增益帶寬時,信號脈沖會表現(xiàn)出明顯的脈沖畸變,同時具有很大的增益色散,因而嚴(yán)重影響信號的質(zhì)量,增大了信道的誤碼率,這是延遲器件實現(xiàn)慢光時所付出的代價。為了降低影響程度,可通過增加泵浦帶寬從而拓展SBS增益帶寬來解決此問題。但在相同泵浦功率下,寬SBS增益帶寬會減小慢光延遲量,因而需要更大的泵浦功率。另外,可以通過SBS慢光級聯(lián)的方式增加延遲量,但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性而且不同級的SBS增益譜不好匹配。實驗中,根據(jù)類似圖6所示的延遲波形可以得到SBS慢光延遲量與泵浦功率的關(guān)系,如圖7所示。隨著泵浦功率的增大,延遲量線性增大,當(dāng)泵浦功率大到一定值時,因為增益飽和的原因,延遲量隨泵浦功率的增大而增加緩慢,在增益飽和區(qū),延遲量甚至?xí)陆?。根?jù)圖8的延遲曲線,處于增益飽和區(qū)時,通過在慢光接收端添加可變光衰減器,可以實現(xiàn)同一延遲量下具有不同的增益,從而實現(xiàn)了延遲與增益的靈活調(diào)節(jié)。實際應(yīng)用中,有時可能僅僅需要信號的延時而不需要額外的增益或損耗,而也有可能需要在實現(xiàn)延遲時具有所需的增益(相當(dāng)于同時具備通信系統(tǒng)中EDFA的功能)。當(dāng)泵浦波功率穩(wěn)定而改變信號波的光頻率時,亦可以得到不同的延遲,延遲隨頻率變化的延遲譜和SBS增益譜的實驗曲線如圖8所示。延遲譜與增益譜基本上相對應(yīng),但延遲譜相對增益譜有一定的頻率移動,這可能是環(huán)境擾動的影響。在增益最大時具有最大的延遲時間。4全光延遲cs就HNLF中SBS的閾值、增益譜、放大特性和基于這些特性的慢光應(yīng)用進行了系統(tǒng)的實驗研究。實驗測得所用HNLF在100MHz線寬的泵浦激光作用下時,SBS的閾值為60mW,增益譜帶寬為150MHz