基于受激布里淵散射的光濾波器

劉紫娟，張啟文，侯 健，田文艷

（1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009；2.中國移動(dòng)通信集團(tuán)山西有限公司太原分公司，山西 太原 030012；3.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024）

0 引 言

1964年，受激布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）被首次發(fā)現(xiàn)并命名[1]。此后，SBS應(yīng)用于光纖傳感器、光時(shí)域分析儀、光纖激光器、放大器、濾波器等領(lǐng)域[2-6]。上述研究都基于SBS低閾值、高增益以及對環(huán)境因素較為敏感等諸多特性。但是，光纖雙折射率、泵浦光和信號光偏振態(tài)（States of Polarization, SOP）對SBS的眾多特性有顯著影響。然而，多數(shù)關(guān)于SBS的討論僅局限于對SOP分布的統(tǒng)計(jì)平均，忽略了其實(shí)際的演變過程[7-9]。

在2017年，Wang等人[10]對光纖中SBS信號偏振特性進(jìn)行了研究，并得出了相關(guān)的傳播方程?；谏鲜隼碚摚疚慕Y(jié)合其高增益的優(yōu)良特性，根據(jù)泵浦光SOP對信號光SOP的牽引與發(fā)散作用，提出了一種偏振濾波的思路。

1 原 理

SBS是由泵浦光、信號光以及聲頻聲子相互作用而形成的一種光學(xué)非線性效應(yīng)。泵浦光入射到介質(zhì)，因電致伸縮效應(yīng)，對介質(zhì)的折射率和介電常數(shù)產(chǎn)生周期性調(diào)制作用，激發(fā)出聲頻聲子，從而形成移動(dòng)的布拉格光柵。入射泵浦光通過聲波場后，在某些特定方向產(chǎn)生散射光。當(dāng)由感應(yīng)生成的布拉格光柵的光柵常數(shù)d與泵浦光頻率ωp、布拉格光柵移動(dòng)速度vg與聲頻聲子傳播速度va相匹配時(shí)，產(chǎn)生最大斯托克斯光。

當(dāng)信號光與泵浦光分別從光纖的右端（z=L處）和左端（z=0處）注入，如圖1所示。

圖1 單模光纖中泵浦光和信號光的傳輸示意圖

圖1中T（z）為光纖從z=0到z處的瓊斯矩陣；Ep、Es為泵浦光與信號光的偏振態(tài)；ρ為聲波矢量。如果泵浦光強(qiáng)度大于SBS的閾值，就會激發(fā)SBS。在不考慮光纖損耗情況下，根據(jù)連續(xù)穩(wěn)定的泵浦光和信號光及聲波間相互作用，可將單模光纖中SBS傳輸強(qiáng)度和SOP向量的傳播方程總結(jié)為[10]：

式（1）和式（2）是泵浦光和信號光傳輸方程。式（3）和式（4）描述泵浦光和信號光SOP演變，其中第一項(xiàng)為雙折射引起的SOP演變，第二、三項(xiàng)為SBS引起的SOP變化。

圖2 頻率分量ξ的信號光所受牽引力的方向

圖3 信號光所受牽引力隨·和ξ的變化

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求搭建實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。圖中：Laser為可調(diào)諧激光器；EDFA為摻鉺光纖放大器；Coupler為3 dB耦合器；PC為偏振控制器；EOM為電光調(diào)制器；RF為電信號發(fā)生器；Circulator為環(huán)形器；FBG為布拉格光柵；Fiber為待測標(biāo)準(zhǔn)單模光纖；Polarizer為檢偏波片；PSA為偏振分析儀。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

光源信號的中心波長為1 553.887 nm，經(jīng)過EDFA后被放大。由3 dB耦合器分為兩路，上路作為信號光，下路作為泵浦光。上路中PC1、EOM和RF對光信號進(jìn)行調(diào)制，使其變成光頻率為v±vB的調(diào)制光信號，并由環(huán)形器1的3端口注入待測光纖中。通過PC3來控制信號光的SOP，下路中通過PC2來改變泵浦光的SOP。信號光和泵浦光在待測光纖中產(chǎn)生SBS效益，并由環(huán)形器2的3端口輸出。通過PC4、Polarizer和PSA來檢測并記錄輸出信號的SOP和輸出功率。

通過調(diào)節(jié)PC1，對EOM的輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得頻率v處的分量小，頻率v±vB處的分量最大。通過調(diào)節(jié)PC2和PC3，分別對泵浦光和信號光的SOP進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得SBS增益達(dá)到最大。通過調(diào)節(jié)PC4來調(diào)節(jié)輸出掃頻信號在龐加萊球上的位置，使其與檢偏平面盡量一致。通過PSA來記錄掃頻信號的SOP與光譜的變化，可得出如下結(jié)果。圖5（a）中較粗的黑線為未引入檢偏波片時(shí)輸出信號SOP的變化情況，各個(gè)孤立點(diǎn)為引入檢偏波片后輸出信號SOP。其中L90表示第一個(gè)檢偏點(diǎn)。檢偏波片每順時(shí)針旋轉(zhuǎn)15°進(jìn)行一次測量，對應(yīng)的輸出光譜如圖5（b）所示。對比分析檢偏角度與輸出信號功率譜，可知每個(gè)SOP的輸出信號光譜都能找到另一個(gè)SOP的輸出信號光譜與之關(guān)于原始輸出信號的中心波長對稱。圖5（c）表示各個(gè)檢偏角度下輸出信號的光譜。可以看出，輸出光譜的中心波長會隨著檢偏波片的旋轉(zhuǎn)角度而發(fā)生偏移，存在關(guān)于原始信號中心波長對稱的峰值與谷值。圖5（d）表示不同旋轉(zhuǎn)角度下輸出信號峰值波長相對于原始信號中心波長的偏移。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 語

本文主要對受激布里淵散射的偏振特性進(jìn)行了研究。結(jié)合其高增益、低閾值以及對環(huán)境因素較為敏感等優(yōu)良特性，根據(jù)泵浦光SOP對信號光SOP的牽引與發(fā)散作用，提出了一種偏振濾波的思路。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輸出信號的峰值頻率會隨著檢偏器角度的改變而近似線性變化。