基于光纤受激布里渊散射的慢光延迟研究

曾繁添，贾东方，贾伟玮，葛春风，王肇颖，杨天新（天津大学 精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室，天津300072）



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基于光纤受激布里渊散射的慢光延迟研究

曾繁添，贾东方，贾伟玮，葛春风，王肇颖，杨天新
（天津大学 精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室，天津300072）

摘要：针对光纤中受激布里渊散射的慢光延迟进行了实验研究。分别利用标准单模光纤（SSM F）和高非线性光纤（H N LF）在毫瓦量级的泵浦功率下实现了纳秒量级的慢光延迟，并通过实验测量了泵浦功率对慢光延迟的影响，得出在一定泵浦功率范围内才能得到理想的慢光延迟的结论。

关键词：慢光；受激布里渊散射；泵浦功率

0　引言

随着信息时代的飞速发展，大容量高速率的全光通信网络已被提出。慢光技术作为全光通信器件的实现方法之一，在光再生器、光开关、光存储和量子光学等方面得到了充分应用，是近年来光学领域的研究热点之一［1～4］。在产生慢光的各种方法中，基于光纤中的非线性效应如受激喇曼散射（SRS）［5］、受激布里渊散射（SBS）［6，7］和光参量放大（OPA）［8］的慢光备受关注。利用光纤中的SRS和OPA实现慢光可以获得相对宽的增益带宽，可以实现宽带信号传输延迟，但是需要瓦量级的泵浦功率，这限制了其应用价值［5，8］。本文对基于光纤中SBS的慢光延迟进行了实验研究，首先介绍了SBS慢光延迟的基本原理，然后实验研究了基于标准单模光纤（SSMF）和高非线性光纤（HNLF）的慢光延迟。

1　SBS慢光产生基本原理

慢光是指介质中光的群速度大大低于频率分量处电磁波相速度时的现象，它是实现光延迟线的一种方法。在光纤中，SBS是获得慢光常用的一种受激散射过程。SBS效应是一种非线性的相互作用，这种非线性作用是由泵浦波和Stokes波通过声波实现的［9］。声波来自泵浦波激发的电致伸缩效应，介质的折射率会受该声波的影响，Stokes波产生的SBS增益谱为洛伦兹线形［10］。这种增益普对于大的正常色散有dn/dω＞0（n 为Stokes波的折射率），此时对应的群折射率ng会增加。根据vg=c/ng可知，ng的增加会引起群速度vg的减小，从而产生慢光延迟。最大SBS延迟对应SBS增益取最大值时，延迟量的表达式如下［11］：

式中，G=g0IpL表示增益，g0为SBS增益的峰值，ΔvB为洛伦兹分布的半高半宽，因此，可以通过调整泵浦光功率使增益G发生改变，从而获得不同的延迟量。

2　实验与结果

2.1基于SSMF中SBS的慢光延迟实验

根据SBS慢光产生的原理可知，当入射信号光的频率ωs与泵浦光的频率ωp满足ωp-ωs=ΩB时，泵浦光会将大部分能量转移给信号光，信号光获得巨大能量后增益谱内会产生极大的正色散，引起折射率的巨大改变，从而产生慢光。因此在进行SBS慢光实验之前，需要确定λp及λs，以使两束光波长的差等于光纤的SBS频移量。实验原理如图1所示。

图1　SBS慢光延迟中确定泵浦光波长的实验装置图

可调谐激光源 （TLS）作为泵浦源，线宽在50～100MHz之间，调节精度为0.001nm；DFB输出光作为信号光，线宽在50kHz左右。这里的衰减器用来降低DFB的输出光功率，以获得一个弱信号，实验过程中通过调整偏振控制器（PC）使SBS效应最佳。SSMF的主要参数为：α=0.25dB/km，Aeff=50μm2，g0=5×10-11m/W。

图2　调节TLS波长时输出光谱的变化图

TLS未经任何调节且掺铒光纤放大器 （EDFA）的输出为13mW时，环行器端口3输出的光谱如图2（a）调节前曲线所示，其中右边的波峰代表DFB输入的信号光光谱，其波长为1553.480nm。从图2（a）中可以明显地看出，此时在SSMF中ωp-ωs≠ΩB。通过不断加大TLS的波长，使左边波峰逐渐向右平移，直至散射的Stokes光与信号光重叠。这时光谱仪上信号光的峰值功率从-15.4dBm瞬间上升至-1.33dBm，TLS输出波长为1553.385nm，则有 λs-λp=0.095nm，频移量为11.8GHz，这与SSMF的理论频移量相符。

基于以上实验结果，建立测量20km SSMF的SBS慢光延迟的实验装置如图3所示。

图3　基于SBS的慢光延迟实验装置图

TLS的输出光作为泵浦光，波长为1553.385nm，经过EDFA放大后输入到PC1中，之后输入到环行器1的端口1，从端口2输出并入射到20km SSMF中；DFB的输出光衰减至3dBm作为弱信号光输入，波长为1553.480nm；这里使用铌酸锂强度调制器（IM），因强度调制器的入口处采用的是保偏光纤，因此需要使用一个PC来控制信号光经IM后产生的偏振态。信号光经过IM后被调制为正弦波，这里模拟信号发生器（ASG）的调制频率为50MHz，振幅设为18dBm；信号光经环行器的端口2输入到SSMF中，与相向传播的泵浦光发生SBS效应，从而产生慢光。在实验过程中，当缓慢增大EDFA的输出功率时，示波器（OSC）上的正弦波会向右移动，当泵浦功率分别为5mW、9mW时，产生的延迟量分别为2.5ns、4.36ns。由SBS增益峰值处的延迟公式ΔTd=GΓB可知，通过增大泵浦功率可以增大系统延迟量。

实验过程中信号的延迟并非随着泵浦功率的上升持续增大，而是产生明显的饱和现象，这说明只有某一范围内的泵浦功率才会使延迟效应有效发生。

2.2基于HNLF中SBS的慢光延迟实验

与SSMF相比，HNLF的SBS增益系数相对较高，因此能够在较短长度内快速产生慢光效应。与上一节研究SSMF的SBS慢光实验步骤相同，将SSMF换成HNLF，首先通过图1所示的实验装置图调整TLS的输出波长。在TLS波长未经过任何调节且EDFA调节至77mW时，环行器端口3输出的光谱如图2（b）调节前曲线所示，其中最右边的波峰对应的波长为1553.358nm。逐渐调节TLS的波长，使调节前曲线逐渐向右平移至与信号光重叠，OSA上信号光的峰值功率从-23.8dBm瞬间上升至1.48dBm，此时泵浦光波长为1553.286nm，则有λs-λp=0.072nm，对应的频移量为8.95GHz。在SBS慢光实验中保持该波长不变，不断改变ASG的调制频率，振幅固定为18dBm。

实验过程中，缓慢增大EDFA的输出功率，OSC上的正弦波向右移动。当泵浦功率分别为24mW、37mW时，相应的延迟量分别为3.08ns、4.28ns，泵浦功率的增加使得延迟量也相应增加，这与SBS增益峰值处的延迟公式Td=GΓB也比较吻合。当继续增加泵浦功率时，信号光的延迟并非继续增加，而是产生明显的饱和现象，这也说明只有某一范围内的泵浦功率才会使延迟效应发生。

我们将HNLF长度增大至960m时，实验测得的延迟结果如下：当泵浦功率分别为19mW、29mW时，960m HNLF产生的延迟量分别为4.5ns、5.7ns，泵浦功率的增加使得延迟量也相应增加。

由延迟量公式Td=GΓB中的G=g0IpL可知，L增加，G随之增加，从而使得Td增加。对比HNLF的长度与获得的延迟量，可以发现Td随着L的增加而增大。图4为不同长度HNLF的延迟量与泵浦功率的变化关系，可以看到这两段HNLF的延迟增益比基本一致。

图4　不同长度HNLF的延迟与泵浦功率关系

2.3实验结果分析

根据以上基于SBS效应实现的慢光实验结果可知，增大泵浦功率时，延迟量也随之增长，因此想要获得大的延迟，应该尽量增加泵浦功率。但是当泵浦功率增加到一定程度时，延迟量不再保持线性增长趋势，而是变得缓慢，甚至波形不再发生移动，此时出现了饱和效应，信号光得到的增益开始慢慢减小。除此之外，泵浦功率太大时，会引起光纤内其它非线性效应，信号渐渐发生恶化。所以产生延迟的泵浦功率并不是可以无限制地增加，而是存在一定区间值。

3　结束语

本文针对基于光纤中SBS的慢光延迟进行了实验研究，分别测量了基于20km SSMF以及840m和960m HNLF中SBS的慢光延迟，最大延迟量分别为4.36ns、4.3ns和5.7ns。实验结果表明，在一定泵浦功率范围内，慢光延迟与泵浦功率呈近似线性关系，当泵浦功率太高时，会引起光纤内其它非线性效应，信号渐渐发生恶化。

参考文献：

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［9］贾东方，余震虹，王肇颖，等.非线性光纤光学原理及应用［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［10］SONG K Y，HERREZ M G，THVENAZ L.Observation of pulse delaying and advancement in optical fibers using stimulated Brillouin scattering ［J］.Optics Express，2005，13（1）：82-88.

［11］ZADOK A，EYAL A，TUR M.Stimulated Brillouin scattering slow light in optical fibers［Invited］［J］.Applied Optics，2011，50（25）：E38-E49.

中图分类号：TN253

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）06-0038-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.011

收稿日期：2016-01-04。

基金项目：国家自然科学基金（61377078、61575143、61275084）资助。

作者简介：曾繁添（1988-），男，硕士研究生，主要从事光纤非线性光学的研究。

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