激光線寬對光纖受激布里淵散射閾值的影響

張永寧，張明江，劉　毅，張建忠，劉　慧，王云才

1)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西太原 030024；

2)太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，光電工程研究所，山西太原 030024

?

Received：2015-07-07；Accepted：2015-11-10

Foundation：National Natural Science Foundation of China(61377089, 61205142); Graduate Student Innovation Project of Shanxi Province(2015SY20)

? Corresponding author：Professor Zhang Mingjiang．E-mail: zhangmingjiang@tyut.edu.cn

Citation：Zhang Yongning，Zhang Mingjiang，Liu Yi，et al．Effect of laser linewidth on threshold of stimulated Brillouin scattering in optical fiber[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(1): 89-95.(in Chinese)

【光電工程 / Optoelectronic Engineering】

激光線寬對光纖受激布里淵散射閾值的影響

張永寧1,2，張明江1,2，劉毅1,2，張建忠1,2，劉慧1,2，王云才1，2

1)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西太原 030024；

2)太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，光電工程研究所，山西太原 030024

摘要：理論分析了線寬對受激布里淵散射閾值的影響，使用噪聲信號直接調(diào)制分布反饋半導(dǎo)體激光器構(gòu)成可調(diào)線寬激光光源，搭建了受激布里淵散射閾值測量系統(tǒng). 結(jié)果表明，可調(diào)線寬激光的頻譜與所使用的噪聲信號的頻譜類似，光譜與分布反饋半導(dǎo)體激光器輸出光的光譜相比明顯展寬. 當可調(diào)線寬激光光源使用400 mV噪聲信號進行調(diào)制時，長度為900 m單模光纖的受激布里淵散射閾值為616 mW，與使用DFB激光器測量的106 mW閾值相比，提高了7.6 dB. 因此，可調(diào)線寬激光光源可以提高光纖的受激布里淵散射閾值，增加長距離光纖通信和光載電能傳輸系統(tǒng)中的光功率.

關(guān)鍵詞：光纖非線性效應(yīng)； 受激布里淵散射； 噪聲調(diào)制； 可調(diào)線寬激光光源； 光纖通信； 光載電能傳輸

Effect of laser linewidth on threshold of

stimulated Brillouin scattering in optical fiber

Zhang Yongning1,2，Zhang Mingjiang1,2?，Liu Yi1,2，Zhang Jianzhong1,2，

隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳輸距離越來越長，傳輸容量越來越大，這就要求盡可能增加入射到光纖中的光功率；同時，隨著光載電能傳輸(power over fiber, PoF)系統(tǒng)的提出，使用光纖傳輸電能為遠距離的電子器件進行供電成為研究熱點之一[1-3]. 但是由于光纖非線性效應(yīng)的影響[4-7]，當入射光功率超過光纖的非線性閾值時，光在光纖中傳輸時會受各種非線性效應(yīng)的影響，其中，受激布里淵散射 (stimulated Brillouin scattering, SBS) 效應(yīng)使光纖的透射光功率出現(xiàn)飽和，即當入射光功率增加時，透射光功率不再增加，而后向散射光的功率隨入射光功率的增加而增加. 因此，入射到光纖中的光功率一般小于光纖的受激布里淵散射閾值，但是長距離光纖的受激布里淵散射閾值非常低，僅有幾毫瓦[2]，這就使得長距離傳輸光纖末端的輸出光信號非常微弱，對光信號的檢測、解調(diào)及PoF系統(tǒng)中的光電轉(zhuǎn)換有很大影響. 為提高長距離傳輸光纖末端的光信號功率，同時滿足入射光功率小于光纖受激布里淵散射閾值的要求，最簡單直接的辦法就是提高光纖的受激布里淵散射閾值，為此，研究提出多種提高光纖受激布里淵散射閾值的方案[8-9]，包括相位調(diào)制法[10-11]、頻率抖動法[12]、沿光纖引入?yún)⒘孔兓痆13]及改變光纖橫向聲學(xué)特性[14]等.

本研究使用噪聲信號直接調(diào)制分布反饋(distributed feedback, DFB)半導(dǎo)體激光器構(gòu)成可調(diào)線寬激光光源(linewidth variable laser source, LVLS)，從而改變光纖的受激布里淵散射閾值，達到在滿足入射光功率小于光纖受激布里淵散射閾值的情況下，提高長距離傳輸光纖末端光信號功率的目的. 實驗中可調(diào)線寬激光光源使用400 mV的噪聲信號進行調(diào)制時，長度為900 m單模光纖的受激布里淵散射閾值為616 mW，與使用DFB激光器測量的106 mW閾值相比，提高了7.6 dB. 本方案與之前使用相位調(diào)制等方法[10-14]相比，結(jié)構(gòu)簡單實用，僅需在原有系統(tǒng)上添加一個白噪聲信號源即可實現(xiàn)；同時可以根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)光源線寬，從而改變光纖的受激布里淵散射閾值，滿足不同的實際需要.

1理論分析

光在光纖中傳輸時，入射光波與光纖中聲學(xué)聲子的相互作用使得后向散射光中產(chǎn)生與入射光波頻率有偏差的散射光，即布里淵散射光. 當入射光功率較小時，后向散射光中會同時產(chǎn)生頻率下移的斯托克斯布里淵散射光和頻率上移的反斯托克斯布里淵散射光[15]. 入射光功率逐漸增加至超過某一閾值時，后向散射光中的布里淵斯托克斯散射光分量隨入射光功率的增加而急劇增加，而布里淵反斯托克斯散射光和瑞利散射光幾乎保持不變，定義此時的入射光功率為光纖的受激布里淵散射閾值.

受激布里淵散射的理論分析有Smith模型和Küng模型[16]，通常情況下，閾值估算都可以使用以下的通用計算模型

(1)

其中， Pth為受激布里淵散射閾值； K為偏振相關(guān)因子，即表示布里淵斯托克斯散射光和入射光(即光源)之間的偏振關(guān)系， 1.0≤K≤2.0， 當斯托克斯布里淵散射光的偏振態(tài)和入射光的偏振態(tài)相同時K=1.0， 當斯托克斯布里淵散射光的偏振態(tài)和入射光的偏振態(tài)毫無關(guān)聯(lián)時K=2.0[17]； G為閾值增益系數(shù)； Aeff為光纖的有效截面積； g0為布里淵峰值增益；ΔνS為入射光線寬；ΔνB為斯托克斯布里淵散射光線寬； Leff為光纖的有效長度，表達式為

Leff=[1-exp(-αL)]/α

(2)

其中， α為光纖衰減系數(shù)； L為光纖長度.

式(1)中閾值增益系數(shù)G在Smith模型和Küng模型中都被近似為定值， 其表達式為

(3)

其中， νB為布里淵頻移； G′≈21； k為玻爾茲曼常數(shù)； T為熱力學(xué)溫度； Γ為聲子衰減速率； ν0為入射光頻率.

根據(jù)式(1) 至式(3)，本研究對受激布里淵散射閾值隨光纖長度和激光線寬的變化進行仿真. 其中，仿真參數(shù)設(shè)置如下：入射光中心波長λ=1 550 nm；νB=10.8 GHz；g0=2.0×10-11m/W；ΔνB=30 MHz；K=2.0；k=1.38×10-23J /K；T=300 K；聲子壽命TB=10 ns；Γ=1/TB；SiO2單模光纖的模場直徑d=9 μm；光纖長度L=1.0 km.

圖1為仿真得到的受激布里淵散射閾值隨光纖長度和激光線寬的變化關(guān)系. 圖1(a)表明受激布里淵散射閾值隨光纖長度的增加先急劇減小，當光纖長度超過一定值后，受激布里淵散射閾值基本保持不變；對于同一長度的光纖，受激布里淵散射閾值隨激光線寬的增加而增大. 圖1(b)表明對于固定長度的SiO2單模光纖，受激布里淵散射閾值隨入射光線寬的增加而線性增加.

圖1　不同激光器線寬下受激布里淵散射閾值變化的仿真結(jié)果Fig.1　The relationship between SBS threshold and laser linewidth

2實驗結(jié)果與分析

受激布里淵散射閾值測量的實驗裝置如圖2. 噪聲信號直接調(diào)制DFB激光器構(gòu)成可調(diào)線寬激光光源，DFB激光器的中心波長為1 550.72 nm，由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的帶寬為20 MHz的噪聲信號進行直接調(diào)制，輸出光功率約為700 μW，經(jīng)摻鉺光纖放大器(erbium-doped optical fiber amplifier，EDFA)1、光纖布拉格光柵濾波器(fiber Bragg grating, FBG)、擾偏器(polarization scrambler, PS)進入高功率摻鉺光纖放大器2(EDFA2). 光纖布拉格光柵濾波器用于濾除EDFA1的放大自發(fā)輻射(amplified spontaneous emission, ASE)噪聲；擾偏器的擾偏速率為700 kHz，擾偏后光的偏振度<5%，光源輸出的激光經(jīng)擾偏后消除了偏振態(tài)對受激布里淵散射閾值的影響；EDFA2用于進一步放大光功率，確保待測光纖中能夠發(fā)生受激布里淵散射. 實驗中使用兩個光放大器是因為EDFA2的輸入光功率范圍為1～10 mW，DFB激光器輸出光功率不能達到EDFA2可以工作的最低輸入值，所以需要EDFA1先進行預(yù)放大. EDFA2的輸出光經(jīng)光環(huán)形器(optical circulator, OC)進入待測光纖(fiber under test, FUT)，待測光纖為900 m單模光纖，型號為G 655. 待測光纖的末端浸入折射率匹配液中，消除末端的菲涅爾反射，待測光纖的后向散射光經(jīng)OC進入 50∶50 的光耦合器中，輸出光分別進入光功率計(power meter, PM)和光譜分析儀(optical spectrum analyzer, OSA).

圖2　受激布里淵散射閾值測量實驗裝置圖Fig.2　Experimental setup of SBS threshold measurement system

圖3　噪聲信號幅值為100 mV時，可調(diào)線寬激光光源輸出光的頻譜、光譜和DFB激光器的輸出對比Fig.3　The contrast of power spectrum and optical spectrum of DFB semiconductor laser and LVLS with noise amplitude of 100 mV

圖3為噪聲調(diào)制幅值為100 mV時，可調(diào)線寬激光光源輸出光的頻譜和光譜與DFB激光器輸出光的頻譜和光譜對比. 從中可以看出，兩者之間存在明顯區(qū)別. 圖3(a)中的頻譜是由激光經(jīng)12 GHz光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號后，通過頻譜分析儀(Agilent N9020A)測量的功率譜，表明輸出光的光強變化情況，圖中僅給出0～50 MHz的低頻部分是因為40 MHz以上的可調(diào)線寬激光光源的頻譜和DFB激光器的相同，所以只給出了兩者之間存在差異的頻段，以突顯兩者之間的差別.圖3(a)清晰表明，可調(diào)線寬激光光源輸出光的頻譜在0～25 MHz范圍內(nèi)明顯高于DFB激光器輸出光的頻譜，這說明可調(diào)線寬激光光源的輸出光強一直在微小抖動. 圖3(b)中的光譜由分辨率為1.12 pm的高分辨率光譜儀(Apex AP2041B)測得，從中可見，可調(diào)線寬激光光源輸出光的光譜與DFB激光器的光譜整體相似，均為單波長輸出并且中心波長相同，但是圖3(b)中的插圖表明可調(diào)線寬激光光源的光譜明顯寬于DFB激光器的光譜，所以由噪聲信號直接調(diào)制DFB激光器構(gòu)成的可調(diào)線寬激光光源可以在保持DFB激光器單波長輸出的情況下，展寬輸出光的線寬，并且這種展寬僅對頻譜的低頻段有影響，對高于40 MHz的頻段，可調(diào)線寬激光光源的頻譜與DFB激光器的頻譜相同.

圖4　可調(diào)線寬激光光源的線寬測量Fig.4　The measurement result of linewidth of LVLS

用延時自外差法(delayed self-heterodyne interferometer, DSHI)詳細測量可調(diào)線寬激光光源的線寬和噪聲信號幅值的關(guān)系如圖4. 圖4(a)為噪聲幅值為100 mV時，可調(diào)線寬激光光源輸出光經(jīng)延時自外差法測得的拍頻譜，紅色曲線是對拍頻譜進行洛倫茲擬合得到的. 之所以對延時自外差法測得的拍頻譜進行洛倫茲擬合，是考慮到半導(dǎo)體激光器的線型大多為洛倫茲型，而且兩個洛倫茲線型的激光進行拍頻，其結(jié)果也為洛倫茲型，且拍頻譜的半高全寬(full width at half maximum, FWHM)為待測激光線寬的兩倍[18-20]，圖4(a)中拍頻譜的半高全寬為111.89 MHz，所以此時可調(diào)線寬激光光源輸出光的-3 dB線寬為55.95 MHz. 圖4(b)表示噪聲調(diào)制幅值改變時，可調(diào)線寬激光光源輸出光線寬的變化情況，圖中激光線寬隨噪聲幅值近似呈指數(shù)變化.噪聲調(diào)制幅值為0 mV表示DFB激光器自由運轉(zhuǎn)，此時激光線寬為2.43 MHz；噪聲調(diào)制幅值為400 mV時，可調(diào)線寬激光光源的線寬最大，為379.89 MHz.

圖5為噪聲幅值100 mV，由分辨率為0.02 nm的光譜儀(Yokogawa AQ6370C)測得的后向散射光譜隨入射光功率增加的變化. 可見，入射光功率較低時，待測光纖的后向散射光中存在瑞利散射光、布里淵斯托克斯光和布里淵反斯托克斯光3個光頻分量，并且布里淵斯托克斯光和反斯托克斯光對稱的分布在瑞利散射光的兩側(cè). 圖5中瑞利散射光和布里淵斯托克斯光之間的頻差為0.087 nm，故待測光纖的布里淵頻移約為10.864 GHz. 圖5曲線的整體變化趨勢表明，當入射光功率較低時，隨著入射光功率的增加，后向散射光譜整體升高，但是當入射光功率超過一定閾值后，瑞利散射光和布里淵反斯托克斯光不再增加，而布里淵斯托克斯光的功率隨入射光功率的增加而急增，表明已經(jīng)發(fā)生受激布里淵散射.

圖5　不同入射光功率下可調(diào)線寬激光的后向散射光譜特性Fig.5　Backscattered light spectrum of linewidth variable laser with different injected optical power

圖6　可調(diào)線寬激光光源線寬的變化對受激布里淵散射閾值的影響Fig.6　SBS threshold versus laser linewidth of LVLS

實驗還研究了不同噪聲幅值下，可調(diào)線寬激光光源的后向散射光功率隨入射光功率的變化，如圖6(a). 可見，改變可調(diào)線寬激光光源的噪聲調(diào)制幅值，受激布里淵散射閾值也發(fā)生變化. 使用DFB激光器作為光源時，900 m單模光纖的受激布里淵散射閾值為106 mW；而使用噪聲調(diào)制幅值為400 mW的可調(diào)線寬激光光源作為測量系統(tǒng)的光源時，受激布里淵散射閾值提高為616 mW，與之前相比提高了7.6 dB. 圖6(b)為受激布里淵散射閾值與可調(diào)線寬激光光源輸出光線寬之間的關(guān)系. 可見，受激布里淵散射閾值隨激光線寬的增加而增加，呈現(xiàn)類似負指數(shù)的分布，即受激布里淵散射閾值的增加幅度隨激光線寬的增加逐漸變小. 實驗中測得的受激布里淵散射閾值與可調(diào)線寬激光光源輸出光線寬近似呈負指數(shù)的關(guān)系，與仿真得到的線性關(guān)系相差較大，這是因為可調(diào)線寬激光光源輸出光的線寬與所用噪聲調(diào)制信號的幅值呈指數(shù)關(guān)系，如圖4(b). 同時仿真中所使用的布里淵散射光線寬為典型固定值30 MHz，而實際測量時發(fā)現(xiàn)，布里淵散射光線寬隨入射光線寬的變化而變化. 所以實際測得的受激布里淵散射閾值隨激光器線寬的變化并不是呈線性的，而是類似于負指數(shù)的變化.

本實驗使用噪聲信號直接調(diào)制DFB激光器構(gòu)成可調(diào)線寬激光光源，雖然具有結(jié)構(gòu)簡單實用，可以靈活調(diào)節(jié)輸出激光線寬的優(yōu)點，但同時存在激光線寬不能無限展寬的缺點，即施加噪聲信號的幅值是有限制的，這種限制是由DFB激光器的閾值電流、最大工作電流和偏置電流共同決定的；噪聲信號直接調(diào)制DFB激光器時，信號是直接加載于激光器的偏置電流上的，引起偏置電流的抖動，進而引起激光器內(nèi)部PN結(jié)中載流子濃度的漲落．載流子濃度的變化造成了DFB激光器有源區(qū)折射率的變化，從而引起刻蝕在有源區(qū)的光柵參數(shù)的變化，由此造成了激光器輸出中心波長的抖動，在宏觀上觀察就是激光器線寬的展寬. 本實驗中所使用的DFB激光器閾值電流為20 mA，最大工作電流為40 mA，所以偏置電流的抖動范圍為20～40 mA，實驗中設(shè)置的偏置電流為30 mA，可以實現(xiàn)的最大抖動幅值為20 mA，DFB激光器的內(nèi)部電阻約為25 Ω，所以噪聲信號的最大幅值為500 mV (20 mA×25 Ω = 500 mV)，超過500 mV的噪聲信號有可能引起DFB激光器的損壞. 實驗為確保DFB激光器的安全，施加的噪聲信號最大為400 mV，所以本實驗可以實現(xiàn)光源的最大線寬為379.89 MHz.

結(jié)語

利用噪聲信號直接調(diào)制DFB激光器構(gòu)成可調(diào)線寬激光光源，實現(xiàn)激光線寬的靈活可控，從而可以改變光纖傳輸系統(tǒng)中受激布里淵散射的閾值. 理論分析了光源線寬對受激布里淵散射閾值的影響，搭建了基于可調(diào)線寬激光光源的受激布里淵散射閾值測量系統(tǒng). 實驗結(jié)果表明，可調(diào)線寬激光光源輸出光的頻譜與所使用的噪聲信號的頻譜類似，光譜與DFB激光器輸出光的光譜相比明顯展寬. 可調(diào)線寬激光光源輸出光線寬與所用的噪聲信號幅值呈指數(shù)關(guān)系. 當可調(diào)線寬激光光源使用400 mV的噪聲信號進行調(diào)制時，900 m單模光纖的受激布里淵散射閾值為616 mW，與使用DFB激光器測量的106 mW閾值相比，提高了7.6 dB. 對于光通信系統(tǒng)，本研究所提出的可調(diào)線寬激光光源方案因為只對頻譜的低頻段有影響，因此可以在保證通信系統(tǒng)原有性能的條件下，提高入射光功率，增加通信距離，減小光纖末端信號的解調(diào)難度，同時還可以節(jié)省成本，減少光纖通信網(wǎng)絡(luò)中光放大器的數(shù)量等；對于PoF系統(tǒng)，本方案因為只需對原有的DFB激光器進行直接調(diào)制就可實現(xiàn)透射光功率增加7.6 dB，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并且可以充分利用已有的光纖網(wǎng)絡(luò)，因此可以使PoF系統(tǒng)更具實用性.

引文：張永寧，張明江，劉毅，等．激光線寬對光纖受激布里淵散射閾值的影響[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報理工版，2016，33(1)：89-95.

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【中文責編：方圓；英文責編：木南】

Liu Hui1,2，and Wang Yuncai1,2

1)Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System of Ministry of Education and Shanxi Province,

Taiyuan 030024, Shanxi Province, P.R.China

2) College of Physics and Optoelectronics, Institute of Optoelectronic Engineering, Taiyuan University of Technology,

Taiyuan 030024, Shanxi Province, P.R.China

Abstract：The influence of laser linewidth on a stimulated Brillouin scattering threshold is analyzed theoretically, and a linewidth variable laser source made of noise-modulated distributed-feedback semiconductor laser is used in the stimulated Brillouin scattering threshold measurement system. Experimental results show that the power spectrum of the linewidth variable laser source is similar to that of the noise signal used in the experiment, and the optical spectrum is broadened significantly compared with that of the distributed-feedback semiconductor laser. When the noise amplitude used in the linewidth variable laser source raises from 0 to 400 mV, the threshold of stimulated Brillouin scattering in a 900 m single-mode fiber increases by 7.6 dB, from 106 to 616 mW. Therefore the proposed method can be applied to increase the stimulated Brillouin scattering threshold effectively thus increasing the transmission light power in long-distance optical fiber communication system and the power over fiber system.

Key words：nonlinear effects in fiber; stimulated Brillouin scattering; noise modulation; linewidth variable laser source; optical communication; power over fiber

作者簡介：張永寧(1989—)，男，太原理工大學(xué)碩士研究生．研究方向：分布式光纖傳感．E-mail：tyutzyn@126.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61377089，61205142)；山西省研究生教育創(chuàng)新項目(2015SY20)

中圖分類號：O 437.2

文獻標志碼：A

doi：10.3724/SP.J.1249.2016.01089