基于光纖受激布里淵散射的慢光延遲研究

曾繁添，賈東方，賈偉瑋，葛春風(fēng)，王肇穎，楊天新（天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

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基于光纖受激布里淵散射的慢光延遲研究

曾繁添，賈東方，賈偉瑋，葛春風(fēng)，王肇穎，楊天新
（天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

摘要：針對(duì)光纖中受激布里淵散射的慢光延遲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分別利用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSM F）和高非線性光纖（H N LF）在毫瓦量級(jí)的泵浦功率下實(shí)現(xiàn)了納秒量級(jí)的慢光延遲，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了泵浦功率對(duì)慢光延遲的影響，得出在一定泵浦功率范圍內(nèi)才能得到理想的慢光延遲的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：慢光；受激布里淵散射；泵浦功率

0　引言

隨著信息時(shí)代的飛速發(fā)展，大容量高速率的全光通信網(wǎng)絡(luò)已被提出。慢光技術(shù)作為全光通信器件的實(shí)現(xiàn)方法之一，在光再生器、光開(kāi)關(guān)、光存儲(chǔ)和量子光學(xué)等方面得到了充分應(yīng)用，是近年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［1～4］。在產(chǎn)生慢光的各種方法中，基于光纖中的非線性效應(yīng)如受激喇曼散射（SRS）［5］、受激布里淵散射（SBS）［6，7］和光參量放大（OPA）［8］的慢光備受關(guān)注。利用光纖中的SRS和OPA實(shí)現(xiàn)慢光可以獲得相對(duì)寬的增益帶寬，可以實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)傳輸延遲，但是需要瓦量級(jí)的泵浦功率，這限制了其應(yīng)用價(jià)值［5，8］。本文對(duì)基于光纖中SBS的慢光延遲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，首先介紹了SBS慢光延遲的基本原理，然后實(shí)驗(yàn)研究了基于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）和高非線性光纖（HNLF）的慢光延遲。

1　SBS慢光產(chǎn)生基本原理

慢光是指介質(zhì)中光的群速度大大低于頻率分量處電磁波相速度時(shí)的現(xiàn)象，它是實(shí)現(xiàn)光延遲線的一種方法。在光纖中，SBS是獲得慢光常用的一種受激散射過(guò)程。SBS效應(yīng)是一種非線性的相互作用，這種非線性作用是由泵浦波和Stokes波通過(guò)聲波實(shí)現(xiàn)的［9］。聲波來(lái)自泵浦波激發(fā)的電致伸縮效應(yīng)，介質(zhì)的折射率會(huì)受該聲波的影響，Stokes波產(chǎn)生的SBS增益譜為洛倫茲線形［10］。這種增益普對(duì)于大的正常色散有dn/dω＞0（n 為Stokes波的折射率），此時(shí)對(duì)應(yīng)的群折射率ng會(huì)增加。根據(jù)vg=c/ng可知，ng的增加會(huì)引起群速度vg的減小，從而產(chǎn)生慢光延遲。最大SBS延遲對(duì)應(yīng)SBS增益取最大值時(shí)，延遲量的表達(dá)式如下［11］：

式中，G=g0IpL表示增益，g0為SBS增益的峰值，ΔvB為洛倫茲分布的半高半寬，因此，可以通過(guò)調(diào)整泵浦光功率使增益G發(fā)生改變，從而獲得不同的延遲量。

2　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1基于SSMF中SBS的慢光延遲實(shí)驗(yàn)

根據(jù)SBS慢光產(chǎn)生的原理可知，當(dāng)入射信號(hào)光的頻率ωs與泵浦光的頻率ωp滿(mǎn)足ωp-ωs=ΩB時(shí)，泵浦光會(huì)將大部分能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)光，信號(hào)光獲得巨大能量后增益譜內(nèi)會(huì)產(chǎn)生極大的正色散，引起折射率的巨大改變，從而產(chǎn)生慢光。因此在進(jìn)行SBS慢光實(shí)驗(yàn)之前，需要確定λp及λs，以使兩束光波長(zhǎng)的差等于光纖的SBS頻移量。實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1　SBS慢光延遲中確定泵浦光波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖

可調(diào)諧激光源 （TLS）作為泵浦源，線寬在50～100MHz之間，調(diào)節(jié)精度為0.001nm；DFB輸出光作為信號(hào)光，線寬在50kHz左右。這里的衰減器用來(lái)降低DFB的輸出光功率，以獲得一個(gè)弱信號(hào)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整偏振控制器（PC）使SBS效應(yīng)最佳。SSMF的主要參數(shù)為：α=0.25dB/km，Aeff=50μm2，g0=5×10-11m/W。

圖2　調(diào)節(jié)TLS波長(zhǎng)時(shí)輸出光譜的變化圖

TLS未經(jīng)任何調(diào)節(jié)且摻鉺光纖放大器 （EDFA）的輸出為13mW時(shí)，環(huán)行器端口3輸出的光譜如圖2（a）調(diào)節(jié)前曲線所示，其中右邊的波峰代表DFB輸入的信號(hào)光光譜，其波長(zhǎng)為1553.480nm。從圖2（a）中可以明顯地看出，此時(shí)在SSMF中ωp-ωs≠ΩB。通過(guò)不斷加大TLS的波長(zhǎng)，使左邊波峰逐漸向右平移，直至散射的Stokes光與信號(hào)光重疊。這時(shí)光譜儀上信號(hào)光的峰值功率從-15.4dBm瞬間上升至-1.33dBm，TLS輸出波長(zhǎng)為1553.385nm，則有 λs-λp=0.095nm，頻移量為11.8GHz，這與SSMF的理論頻移量相符。

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立測(cè)量20km SSMF的SBS慢光延遲的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3　基于SBS的慢光延遲實(shí)驗(yàn)裝置圖

TLS的輸出光作為泵浦光，波長(zhǎng)為1553.385nm，經(jīng)過(guò)EDFA放大后輸入到PC1中，之后輸入到環(huán)行器1的端口1，從端口2輸出并入射到20km SSMF中；DFB的輸出光衰減至3dBm作為弱信號(hào)光輸入，波長(zhǎng)為1553.480nm；這里使用鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器（IM），因強(qiáng)度調(diào)制器的入口處采用的是保偏光纖，因此需要使用一個(gè)PC來(lái)控制信號(hào)光經(jīng)IM后產(chǎn)生的偏振態(tài)。信號(hào)光經(jīng)過(guò)IM后被調(diào)制為正弦波，這里模擬信號(hào)發(fā)生器（ASG）的調(diào)制頻率為50MHz，振幅設(shè)為18dBm；信號(hào)光經(jīng)環(huán)行器的端口2輸入到SSMF中，與相向傳播的泵浦光發(fā)生SBS效應(yīng)，從而產(chǎn)生慢光。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)緩慢增大EDFA的輸出功率時(shí)，示波器（OSC）上的正弦波會(huì)向右移動(dòng)，當(dāng)泵浦功率分別為5mW、9mW時(shí)，產(chǎn)生的延遲量分別為2.5ns、4.36ns。由SBS增益峰值處的延遲公式ΔTd=GΓB可知，通過(guò)增大泵浦功率可以增大系統(tǒng)延遲量。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中信號(hào)的延遲并非隨著泵浦功率的上升持續(xù)增大，而是產(chǎn)生明顯的飽和現(xiàn)象，這說(shuō)明只有某一范圍內(nèi)的泵浦功率才會(huì)使延遲效應(yīng)有效發(fā)生。

2.2基于HNLF中SBS的慢光延遲實(shí)驗(yàn)

與SSMF相比，HNLF的SBS增益系數(shù)相對(duì)較高，因此能夠在較短長(zhǎng)度內(nèi)快速產(chǎn)生慢光效應(yīng)。與上一節(jié)研究SSMF的SBS慢光實(shí)驗(yàn)步驟相同，將SSMF換成HNLF，首先通過(guò)圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置圖調(diào)整TLS的輸出波長(zhǎng)。在TLS波長(zhǎng)未經(jīng)過(guò)任何調(diào)節(jié)且EDFA調(diào)節(jié)至77mW時(shí)，環(huán)行器端口3輸出的光譜如圖2（b）調(diào)節(jié)前曲線所示，其中最右邊的波峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為1553.358nm。逐漸調(diào)節(jié)TLS的波長(zhǎng)，使調(diào)節(jié)前曲線逐漸向右平移至與信號(hào)光重疊，OSA上信號(hào)光的峰值功率從-23.8dBm瞬間上升至1.48dBm，此時(shí)泵浦光波長(zhǎng)為1553.286nm，則有λs-λp=0.072nm，對(duì)應(yīng)的頻移量為8.95GHz。在SBS慢光實(shí)驗(yàn)中保持該波長(zhǎng)不變，不斷改變ASG的調(diào)制頻率，振幅固定為18dBm。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，緩慢增大EDFA的輸出功率，OSC上的正弦波向右移動(dòng)。當(dāng)泵浦功率分別為24mW、37mW時(shí)，相應(yīng)的延遲量分別為3.08ns、4.28ns，泵浦功率的增加使得延遲量也相應(yīng)增加，這與SBS增益峰值處的延遲公式Td=GΓB也比較吻合。當(dāng)繼續(xù)增加泵浦功率時(shí)，信號(hào)光的延遲并非繼續(xù)增加，而是產(chǎn)生明顯的飽和現(xiàn)象，這也說(shuō)明只有某一范圍內(nèi)的泵浦功率才會(huì)使延遲效應(yīng)發(fā)生。

我們將HNLF長(zhǎng)度增大至960m時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的延遲結(jié)果如下：當(dāng)泵浦功率分別為19mW、29mW時(shí)，960m HNLF產(chǎn)生的延遲量分別為4.5ns、5.7ns，泵浦功率的增加使得延遲量也相應(yīng)增加。

由延遲量公式Td=GΓB中的G=g0IpL可知，L增加，G隨之增加，從而使得Td增加。對(duì)比HNLF的長(zhǎng)度與獲得的延遲量，可以發(fā)現(xiàn)Td隨著L的增加而增大。圖4為不同長(zhǎng)度HNLF的延遲量與泵浦功率的變化關(guān)系，可以看到這兩段HNLF的延遲增益比基本一致。

圖4　不同長(zhǎng)度HNLF的延遲與泵浦功率關(guān)系

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上基于SBS效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的慢光實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，增大泵浦功率時(shí)，延遲量也隨之增長(zhǎng)，因此想要獲得大的延遲，應(yīng)該盡量增加泵浦功率。但是當(dāng)泵浦功率增加到一定程度時(shí)，延遲量不再保持線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而是變得緩慢，甚至波形不再發(fā)生移動(dòng)，此時(shí)出現(xiàn)了飽和效應(yīng)，信號(hào)光得到的增益開(kāi)始慢慢減小。除此之外，泵浦功率太大時(shí)，會(huì)引起光纖內(nèi)其它非線性效應(yīng)，信號(hào)漸漸發(fā)生惡化。所以產(chǎn)生延遲的泵浦功率并不是可以無(wú)限制地增加，而是存在一定區(qū)間值。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)基于光纖中SBS的慢光延遲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分別測(cè)量了基于20km SSMF以及840m和960m HNLF中SBS的慢光延遲，最大延遲量分別為4.36ns、4.3ns和5.7ns。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定泵浦功率范圍內(nèi)，慢光延遲與泵浦功率呈近似線性關(guān)系，當(dāng)泵浦功率太高時(shí)，會(huì)引起光纖內(nèi)其它非線性效應(yīng)，信號(hào)漸漸發(fā)生惡化。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TN253

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5561（2016）06-0038-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.011

收稿日期：2016-01-04。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61377078、61575143、61275084）資助。

作者簡(jiǎn)介：曾繁添（1988-），男，碩士研究生，主要從事光纖非線性光學(xué)的研究。

Research on slow light delay in optical fiber based on stimulated Brillouin scattering

ZENG Fan-tian，JIA Dong-fang，JIA Wei-wei，
GE Chun-feng，WANG Zhao-ying，YANG Tian-xin
（School of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering，Key Laboratory of Opto-electronics Information and Technical Science，Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，china）

Abstract：For optical fiber stimulated brillouin scattering in the slow light delay，the paper made experimental study，respectively，using standard single-mode fiber（SSMF）and high nonlinear optical fiber（HNLF）under the pump power of milliwatt magnitude realized the slow light delay nanosecond order of magnitude.By measuring the effect on slow light delay of using different pump power in the experiment，it came to the conclusion that slow light delay can only be achieved under a certain range of pump power.

Key words：slow light，stimulated Brillouin scattering，pump power