激光线宽对光纤受激布里渊散射阈值的影响

张永宁，张明江，刘　毅，张建忠，刘　慧，王云才

1)新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原 030024；

2)太原理工大学物理与光电工程学院，光电工程研究所，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)

【光电工程 / Optoelectronic Engineering】

激光线宽对光纤受激布里渊散射阈值的影响

张永宁1,2，张明江1,2，刘毅1,2，张建忠1,2，刘慧1,2，王云才1，2

1)新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原 030024；

2)太原理工大学物理与光电工程学院，光电工程研究所，山西太原 030024

摘要：理论分析了线宽对受激布里渊散射阈值的影响，使用噪声信号直接调制分布反馈半导体激光器构成可调线宽激光光源，搭建了受激布里渊散射阈值测量系统. 结果表明，可调线宽激光的频谱与所使用的噪声信号的频谱类似，光谱与分布反馈半导体激光器输出光的光谱相比明显展宽. 当可调线宽激光光源使用400 mV噪声信号进行调制时，长度为900 m单模光纤的受激布里渊散射阈值为616 mW，与使用DFB激光器测量的106 mW阈值相比，提高了7.6 dB. 因此，可调线宽激光光源可以提高光纤的受激布里渊散射阈值，增加长距离光纤通信和光载电能传输系统中的光功率.

关键词：光纤非线性效应； 受激布里渊散射； 噪声调制； 可调线宽激光光源； 光纤通信； 光载电能传输

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，

随着光纤通信技术的发展，光纤传输距离越来越长，传输容量越来越大，这就要求尽可能增加入射到光纤中的光功率；同时，随着光载电能传输(power over fiber, PoF)系统的提出，使用光纤传输电能为远距离的电子器件进行供电成为研究热点之一[1-3]. 但是由于光纤非线性效应的影响[4-7]，当入射光功率超过光纤的非线性阈值时，光在光纤中传输时会受各种非线性效应的影响，其中，受激布里渊散射 (stimulated Brillouin scattering, SBS) 效应使光纤的透射光功率出现饱和，即当入射光功率增加时，透射光功率不再增加，而后向散射光的功率随入射光功率的增加而增加. 因此，入射到光纤中的光功率一般小于光纤的受激布里渊散射阈值，但是长距离光纤的受激布里渊散射阈值非常低，仅有几毫瓦[2]，这就使得长距离传输光纤末端的输出光信号非常微弱，对光信号的检测、解调及PoF系统中的光电转换有很大影响. 为提高长距离传输光纤末端的光信号功率，同时满足入射光功率小于光纤受激布里渊散射阈值的要求，最简单直接的办法就是提高光纤的受激布里渊散射阈值，为此，研究提出多种提高光纤受激布里渊散射阈值的方案[8-9]，包括相位调制法[10-11]、频率抖动法[12]、沿光纤引入参量变化[13]及改变光纤横向声学特性[14]等.

本研究使用噪声信号直接调制分布反馈(distributed feedback, DFB)半导体激光器构成可调线宽激光光源(linewidth variable laser source, LVLS)，从而改变光纤的受激布里渊散射阈值，达到在满足入射光功率小于光纤受激布里渊散射阈值的情况下，提高长距离传输光纤末端光信号功率的目的. 实验中可调线宽激光光源使用400 mV的噪声信号进行调制时，长度为900 m单模光纤的受激布里渊散射阈值为616 mW，与使用DFB激光器测量的106 mW阈值相比，提高了7.6 dB. 本方案与之前使用相位调制等方法[10-14]相比，结构简单实用，仅需在原有系统上添加一个白噪声信号源即可实现；同时可以根据需要灵活调节光源线宽，从而改变光纤的受激布里渊散射阈值，满足不同的实际需要.

1理论分析

光在光纤中传输时，入射光波与光纤中声学声子的相互作用使得后向散射光中产生与入射光波频率有偏差的散射光，即布里渊散射光. 当入射光功率较小时，后向散射光中会同时产生频率下移的斯托克斯布里渊散射光和频率上移的反斯托克斯布里渊散射光[15]. 入射光功率逐渐增加至超过某一阈值时，后向散射光中的布里渊斯托克斯散射光分量随入射光功率的增加而急剧增加，而布里渊反斯托克斯散射光和瑞利散射光几乎保持不变，定义此时的入射光功率为光纤的受激布里渊散射阈值.

受激布里渊散射的理论分析有Smith模型和Küng模型[16]，通常情况下，阈值估算都可以使用以下的通用计算模型

(1)

其中， Pth为受激布里渊散射阈值； K为偏振相关因子，即表示布里渊斯托克斯散射光和入射光(即光源)之间的偏振关系， 1.0≤K≤2.0， 当斯托克斯布里渊散射光的偏振态和入射光的偏振态相同时K=1.0， 当斯托克斯布里渊散射光的偏振态和入射光的偏振态毫无关联时K=2.0[17]； G为阈值增益系数； Aeff为光纤的有效截面积； g0为布里渊峰值增益；ΔνS为入射光线宽；ΔνB为斯托克斯布里渊散射光线宽； Leff为光纤的有效长度，表达式为

Leff=[1-exp(-αL)]/α

(2)

其中， α为光纤衰减系数； L为光纤长度.

式(1)中阈值增益系数G在Smith模型和Küng模型中都被近似为定值， 其表达式为

(3)

其中， νB为布里渊频移； G′≈21； k为玻尔兹曼常数； T为热力学温度； Γ为声子衰减速率； ν0为入射光频率.

根据式(1) 至式(3)，本研究对受激布里渊散射阈值随光纤长度和激光线宽的变化进行仿真. 其中，仿真参数设置如下：入射光中心波长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；声子寿命TB=10 ns；Γ=1/TB；SiO2单模光纤的模场直径d=9 μm；光纤长度L=1.0 km.

图1为仿真得到的受激布里渊散射阈值随光纤长度和激光线宽的变化关系. 图1(a)表明受激布里渊散射阈值随光纤长度的增加先急剧减小，当光纤长度超过一定值后，受激布里渊散射阈值基本保持不变；对于同一长度的光纤，受激布里渊散射阈值随激光线宽的增加而增大. 图1(b)表明对于固定长度的SiO2单模光纤，受激布里渊散射阈值随入射光线宽的增加而线性增加.

图1　不同激光器线宽下受激布里渊散射阈值变化的仿真结果Fig.1　The relationship between SBS threshold and laser linewidth

2实验结果与分析

受激布里渊散射阈值测量的实验装置如图2. 噪声信号直接调制DFB激光器构成可调线宽激光光源，DFB激光器的中心波长为1 550.72 nm，由任意波形发生器产生的带宽为20 MHz的噪声信号进行直接调制，输出光功率约为700 μW，经掺铒光纤放大器(erbium-doped optical fiber amplifier，EDFA)1、光纤布拉格光栅滤波器(fiber Bragg grating, FBG)、扰偏器(polarization scrambler, PS)进入高功率掺铒光纤放大器2(EDFA2). 光纤布拉格光栅滤波器用于滤除EDFA1的放大自发辐射(amplified spontaneous emission, ASE)噪声；扰偏器的扰偏速率为700 kHz，扰偏后光的偏振度<5%，光源输出的激光经扰偏后消除了偏振态对受激布里渊散射阈值的影响；EDFA2用于进一步放大光功率，确保待测光纤中能够发生受激布里渊散射. 实验中使用两个光放大器是因为EDFA2的输入光功率范围为1～10 mW，DFB激光器输出光功率不能达到EDFA2可以工作的最低输入值，所以需要EDFA1先进行预放大. EDFA2的输出光经光环形器(optical circulator, OC)进入待测光纤(fiber under test, FUT)，待测光纤为900 m单模光纤，型号为G 655. 待测光纤的末端浸入折射率匹配液中，消除末端的菲涅尔反射，待测光纤的后向散射光经OC进入 50∶50 的光耦合器中，输出光分别进入光功率计(power meter, PM)和光谱分析仪(optical spectrum analyzer, OSA).

图2　受激布里渊散射阈值测量实验装置图Fig.2　Experimental setup of SBS threshold measurement system

图3　噪声信号幅值为100 mV时，可调线宽激光光源输出光的频谱、光谱和DFB激光器的输出对比Fig.3　The contrast of power spectrum and optical spectrum of DFB semiconductor laser and LVLS with noise amplitude of 100 mV

图3为噪声调制幅值为100 mV时，可调线宽激光光源输出光的频谱和光谱与DFB激光器输出光的频谱和光谱对比. 从中可以看出，两者之间存在明显区别. 图3(a)中的频谱是由激光经12 GHz光电探测器转换为电信号后，通过频谱分析仪(Agilent N9020A)测量的功率谱，表明输出光的光强变化情况，图中仅给出0～50 MHz的低频部分是因为40 MHz以上的可调线宽激光光源的频谱和DFB激光器的相同，所以只给出了两者之间存在差异的频段，以突显两者之间的差别.图3(a)清晰表明，可调线宽激光光源输出光的频谱在0～25 MHz范围内明显高于DFB激光器输出光的频谱，这说明可调线宽激光光源的输出光强一直在微小抖动. 图3(b)中的光谱由分辨率为1.12 pm的高分辨率光谱仪(Apex AP2041B)测得，从中可见，可调线宽激光光源输出光的光谱与DFB激光器的光谱整体相似，均为单波长输出并且中心波长相同，但是图3(b)中的插图表明可调线宽激光光源的光谱明显宽于DFB激光器的光谱，所以由噪声信号直接调制DFB激光器构成的可调线宽激光光源可以在保持DFB激光器单波长输出的情况下，展宽输出光的线宽，并且这种展宽仅对频谱的低频段有影响，对高于40 MHz的频段，可调线宽激光光源的频谱与DFB激光器的频谱相同.

图4　可调线宽激光光源的线宽测量Fig.4　The measurement result of linewidth of LVLS

用延时自外差法(delayed self-heterodyne interferometer, DSHI)详细测量可调线宽激光光源的线宽和噪声信号幅值的关系如图4. 图4(a)为噪声幅值为100 mV时，可调线宽激光光源输出光经延时自外差法测得的拍频谱，红色曲线是对拍频谱进行洛伦兹拟合得到的. 之所以对延时自外差法测得的拍频谱进行洛伦兹拟合，是考虑到半导体激光器的线型大多为洛伦兹型，而且两个洛伦兹线型的激光进行拍频，其结果也为洛伦兹型，且拍频谱的半高全宽(full width at half maximum, FWHM)为待测激光线宽的两倍[18-20]，图4(a)中拍频谱的半高全宽为111.89 MHz，所以此时可调线宽激光光源输出光的-3 dB线宽为55.95 MHz. 图4(b)表示噪声调制幅值改变时，可调线宽激光光源输出光线宽的变化情况，图中激光线宽随噪声幅值近似呈指数变化.噪声调制幅值为0 mV表示DFB激光器自由运转，此时激光线宽为2.43 MHz；噪声调制幅值为400 mV时，可调线宽激光光源的线宽最大，为379.89 MHz.

图5为噪声幅值100 mV，由分辨率为0.02 nm的光谱仪(Yokogawa AQ6370C)测得的后向散射光谱随入射光功率增加的变化. 可见，入射光功率较低时，待测光纤的后向散射光中存在瑞利散射光、布里渊斯托克斯光和布里渊反斯托克斯光3个光频分量，并且布里渊斯托克斯光和反斯托克斯光对称的分布在瑞利散射光的两侧. 图5中瑞利散射光和布里渊斯托克斯光之间的频差为0.087 nm，故待测光纤的布里渊频移约为10.864 GHz. 图5曲线的整体变化趋势表明，当入射光功率较低时，随着入射光功率的增加，后向散射光谱整体升高，但是当入射光功率超过一定阈值后，瑞利散射光和布里渊反斯托克斯光不再增加，而布里渊斯托克斯光的功率随入射光功率的增加而急增，表明已经发生受激布里渊散射.

图5　不同入射光功率下可调线宽激光的后向散射光谱特性Fig.5　Backscattered light spectrum of linewidth variable laser with different injected optical power

图6　可调线宽激光光源线宽的变化对受激布里渊散射阈值的影响Fig.6　SBS threshold versus laser linewidth of LVLS

实验还研究了不同噪声幅值下，可调线宽激光光源的后向散射光功率随入射光功率的变化，如图6(a). 可见，改变可调线宽激光光源的噪声调制幅值，受激布里渊散射阈值也发生变化. 使用DFB激光器作为光源时，900 m单模光纤的受激布里渊散射阈值为106 mW；而使用噪声调制幅值为400 mW的可调线宽激光光源作为测量系统的光源时，受激布里渊散射阈值提高为616 mW，与之前相比提高了7.6 dB. 图6(b)为受激布里渊散射阈值与可调线宽激光光源输出光线宽之间的关系. 可见，受激布里渊散射阈值随激光线宽的增加而增加，呈现类似负指数的分布，即受激布里渊散射阈值的增加幅度随激光线宽的增加逐渐变小. 实验中测得的受激布里渊散射阈值与可调线宽激光光源输出光线宽近似呈负指数的关系，与仿真得到的线性关系相差较大，这是因为可调线宽激光光源输出光的线宽与所用噪声调制信号的幅值呈指数关系，如图4(b). 同时仿真中所使用的布里渊散射光线宽为典型固定值30 MHz，而实际测量时发现，布里渊散射光线宽随入射光线宽的变化而变化. 所以实际测得的受激布里渊散射阈值随激光器线宽的变化并不是呈线性的，而是类似于负指数的变化.

本实验使用噪声信号直接调制DFB激光器构成可调线宽激光光源，虽然具有结构简单实用，可以灵活调节输出激光线宽的优点，但同时存在激光线宽不能无限展宽的缺点，即施加噪声信号的幅值是有限制的，这种限制是由DFB激光器的阈值电流、最大工作电流和偏置电流共同决定的；噪声信号直接调制DFB激光器时，信号是直接加载于激光器的偏置电流上的，引起偏置电流的抖动，进而引起激光器内部PN结中载流子浓度的涨落．载流子浓度的变化造成了DFB激光器有源区折射率的变化，从而引起刻蚀在有源区的光栅参数的变化，由此造成了激光器输出中心波长的抖动，在宏观上观察就是激光器线宽的展宽. 本实验中所使用的DFB激光器阈值电流为20 mA，最大工作电流为40 mA，所以偏置电流的抖动范围为20～40 mA，实验中设置的偏置电流为30 mA，可以实现的最大抖动幅值为20 mA，DFB激光器的内部电阻约为25 Ω，所以噪声信号的最大幅值为500 mV (20 mA×25 Ω = 500 mV)，超过500 mV的噪声信号有可能引起DFB激光器的损坏. 实验为确保DFB激光器的安全，施加的噪声信号最大为400 mV，所以本实验可以实现光源的最大线宽为379.89 MHz.

结语

利用噪声信号直接调制DFB激光器构成可调线宽激光光源，实现激光线宽的灵活可控，从而可以改变光纤传输系统中受激布里渊散射的阈值. 理论分析了光源线宽对受激布里渊散射阈值的影响，搭建了基于可调线宽激光光源的受激布里渊散射阈值测量系统. 实验结果表明，可调线宽激光光源输出光的频谱与所使用的噪声信号的频谱类似，光谱与DFB激光器输出光的光谱相比明显展宽. 可调线宽激光光源输出光线宽与所用的噪声信号幅值呈指数关系. 当可调线宽激光光源使用400 mV的噪声信号进行调制时，900 m单模光纤的受激布里渊散射阈值为616 mW，与使用DFB激光器测量的106 mW阈值相比，提高了7.6 dB. 对于光通信系统，本研究所提出的可调线宽激光光源方案因为只对频谱的低频段有影响，因此可以在保证通信系统原有性能的条件下，提高入射光功率，增加通信距离，减小光纤末端信号的解调难度，同时还可以节省成本，减少光纤通信网络中光放大器的数量等；对于PoF系统，本方案因为只需对原有的DFB激光器进行直接调制就可实现透射光功率增加7.6 dB，系统结构简单，并且可以充分利用已有的光纤网络，因此可以使PoF系统更具实用性.

引文：张永宁，张明江，刘毅，等．激光线宽对光纤受激布里渊散射阈值的影响[J]. 深圳大学学报理工版，2016，33(1)：89-95.

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【中文责编：方圆；英文责编：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

作者简介：张永宁(1989—)，男，太原理工大学硕士研究生．研究方向：分布式光纤传感．E-mail：tyutzyn@126.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61377089，61205142)；山西省研究生教育创新项目(2015SY20)

中图分类号：O 437.2

文献标志码：A

doi：10.3724/SP.J.1249.2016.01089