非線性光纖光學第九章-受激布里淵散射

第九章受激布里淵散射（SBS）SBS的基本概念準連續(xù)SBS布里淵光纖放大器SBS的動態(tài)特性布里淵光纖激光器1、機理SBS可描述為泵浦波、斯托克斯波和聲波之間的參量互作用?？煽醋魇且粋€泵浦光子的湮滅，同時產(chǎn)生一個斯托克斯光子和一個聲學聲子。根據(jù)能量和動量守恒，SBS過程中三個波之間的頻率和波矢有以下關系：1.SBS的基本概念

滿足色散關系的聲波的頻率和波矢泵浦波與斯托克斯波之間的夾角

在單模光纖中，只有前、后向為相關方向。因此，SBS僅發(fā)生在后向，且后向布里淵頻移為泵浦波長處的折射率舉例：若取vA=5.96km/s，n=1.45，則對于石英光纖，在λp=1.55μm附近，布里淵頻移約為11.1GHz。2、布里淵增益譜

SBS的增益頻譜很窄（約10MHz），可以近似為洛倫茲形譜線分布布里淵增益峰值為信號頻率(GHz)泵浦波長在1.525ｍ處三種光纖的布里淵譜，(a)石英芯光纖（b）凹陷包層光纖(c)色散位移光纖頻移（GHz）輸入功率（dBm）相對功率色散補償光纖的布里淵增益譜布里淵增益譜的特點：與光纖種類有關，不同光纖的布里淵頻移不同石英光纖的布里淵增益帶寬較塊狀石英的大脈寬比聲子壽命短時，布里淵增益就會顯著減小泵浦的譜寬超過布里淵頻移時，布里淵增益減小在連續(xù)或準連續(xù)條件下，泵浦波與Stokes波的相互作用與SRS的情形類似：2.準連續(xù)SBS1、基本方程幾點說明：(a)Stokes波與泵浦波方向相反(b)假設Stokes波與泵浦波的損耗相同(c)gB與頻率無關（頻移很?。?，且在考慮線偏振時，其值減小到原來的2/3不考慮光纖損耗的情況下：強度沿光纖保持為一常數(shù)L足夠長時，Leff

1/，而Aeff可用w2代替，w為模場半徑2、布里淵閾值忽略泵浦消耗：代入以上方程并積分可得閾值功率Pth與光纖的衰減系數(shù)、光纖有效長度Leff、布里淵增益系數(shù)gB和光纖的有效面積Aeff有關，可近似寫為：舉例：若光纖纖芯的有效面積為50m2

，光纖有效長度為20km，布里淵增益為5×1011m/W，可以計算出閾值約為1mW。幾點說明：布里淵閾值與光的偏振、光纖的摻雜和芯徑等有關可以通過調(diào)制泵浦波的相位或?qū)Ρ闷植ㄊ┘舆保约袄霉饫w光柵增加布里淵閾值計算多模光纖的布里淵閾值時，要乘以一個和光纖數(shù)值孔徑及纖芯直徑有關的增強因子與SRS類似，SBS在光纖中產(chǎn)生的增益能用來放大頻率相對泵浦頻率以等于布里淵頻移的量位移的弱信號。條件是通過SBS使功率從泵浦波轉(zhuǎn)移到信號波中，泵浦和輸入信號必須以相反方向在單模光纖中傳輸。增益飽和：在布里淵閾值以上時，必須考慮能量轉(zhuǎn)移引起的泵浦消耗，這將導致增益下降，并趨于飽和（增益減小3dB）3.布里淵光纖放大器SBS效率的量度SBS過程的小信號增益輸入的信號比布里淵放大器的飽和增益

由于泵浦功率一般為1ｍW左右，光纖布里淵放大器的飽和功率也約為1ｍW。當泵浦脈寬~100ns時，準連續(xù)處理才是合理的；當脈沖寬度~10ns時，必須考慮參與SBS過程的聲模的動態(tài)特性。4.SBS的動態(tài)特性耦合振幅方程：

近似相等近似相等聲波振幅說明：以上方程只考慮到SPM和XPM效應，沒有考慮色散！若泵浦和斯托克斯脈沖的峰值功率相當?shù)?，SPM和XPM效應也可以忽略，SBS過程可用下面兩個簡單的方程描述在穩(wěn)態(tài)條件下，這兩項為零，方程簡化為前面最初的方程。弛豫振蕩：在達到穩(wěn)定值時，有弛豫振蕩現(xiàn)象；如果存在外反饋，弛豫振蕩會轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定振蕩。解釋：在光纖輸入端附近，斯托克斯波的迅速增大消耗了大量泵浦波，導致增益下降，直到泵浦波的消耗部分從光纖出來，增益才重新恢復。上述過程重復進行形成了振蕩。調(diào)制不穩(wěn)定性和混沌：當兩反向傳輸?shù)谋闷植ㄍ瑫r出現(xiàn)時，即使它們的強度都未能達到布里淵閾值，也能發(fā)生另一種不穩(wěn)定性，這種SBS感應的調(diào)制不穩(wěn)定性類似于XPM感應調(diào)制不穩(wěn)定性；根據(jù)泵浦的不同，斯托克斯功率表現(xiàn)為周期性或準周期性振蕩，并最終變?yōu)榛煦?。連續(xù)（CW）運轉(zhuǎn)的布里淵激光器環(huán)形腔結構可以提高泵浦功率，使閾值降低，可用于高精度激光陀螺儀中F-P腔結構的布里淵激光器同時存在前向和后向傳輸?shù)谋闷植ê退雇锌怂共ǚ至?，不僅能通過級聯(lián)SBS過程產(chǎn)生更高級的斯托克斯波，而且同向傳輸?shù)谋闷植ê退雇锌怂共ǖ乃牟ɑ祛l產(chǎn)生了反斯托克斯分量，因此有多條Stokes線。5.布里淵光纖激光器定向耦合器激光器分束器透鏡掃描光譜分析儀斯托克斯波泵浦波圖9.18光纖布里淵環(huán)形激光器的示意圖，定向耦合器將泵浦光束注入環(huán)形腔內(nèi)新型CW運轉(zhuǎn)布里淵激光器圖9.19含有兩個光纖環(huán)的光纖布里淵激光器的示意圖布里淵泵浦環(huán)行器1環(huán)行器2環(huán)行器3輸出耦合器波長選擇耦合器980nm激光二極管SMF-28光纖鉺光纖980nm泵浦3dB耦合器10dB耦合器圖9.20自種子注入光纖布里淵激光器的示意圖，OC、PC、PMF和OSA分別代表光環(huán)行器、偏振控制器、保偏光纖和光譜儀脈沖運轉(zhuǎn)布里淵激光器利用鎖模脈沖序列同步泵浦光纖布里淵激光器產(chǎn)生短斯托克斯脈沖通過非線性自脈動機制產(chǎn)生脈沖序列斯托克斯波泵浦波t/trt/tr圖9.21在自脈動區(qū)域，斯托克斯（上行）和泵浦（下行）強度在多個往返回路的演變：(左圖)從噪聲中初步形成的波形；（右圖）經(jīng)4800次往返后完全形成的脈沖序列本章小結1、SBS特點增益帶寬窄（約10GHz），這說明SBS效應被約束在WDM系統(tǒng)的單個波長信道內(nèi)功率閾值與光源線寬有關，光源線寬越窄，功率閾值越低Stokes波與泵浦波反向傳播SBS的增益系數(shù)與波長無關2、減小SBS對系統(tǒng)影響的主要措施減低入纖功率，使單信道功率保持在SBS閾值以下增加光源線寬，大于100MHz采用相位調(diào)制技術3、SBS主要應用一般情況下，SBS在光纖通信系統(tǒng)中是一種有害的因素，應注意減小。但