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，王肇穎，楊天新（天津大學 精密儀器與光電子工程學院光電信息技術科學教育部重點實驗室，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，王肇穎，楊天新
（天津大學 精密儀器與光電子工程學院光電信息技術科學教育部重點實驗室，天津300072）

摘要：針對光纖中受激布里淵散射的慢光延遲進行了實驗研究。分別利用標準單模光纖（SSM F）和高非線性光纖（H N LF）在毫瓦量級的泵浦功率下實現了納秒量級的慢光延遲，并通過實驗測量了泵浦功率對慢光延遲的影響，得出在一定泵浦功率范圍內才能得到理想的慢光延遲的結論。

關鍵詞：慢光；受激布里淵散射；泵浦功率

0　引言

隨著信息時代的飛速發展，大容量高速率的全光通信網絡已被提出。慢光技術作為全光通信器件的實現方法之一，在光再生器、光開關、光存儲和量子光學等方面得到了充分應用，是近年來光學領域的研究熱點之一［1～4］。在產生慢光的各種方法中，基于光纖中的非線性效應如受激喇曼散射（SRS）［5］、受激布里淵散射（SBS）［6，7］和光參量放大（OPA）［8］的慢光備受關注。利用光纖中的SRS和OPA實現慢光可以獲得相對寬的增益帶寬，可以實現寬帶信號傳輸延遲，但是需要瓦量級的泵浦功率，這限制了其應用價值［5，8］。本文對基于光纖中SBS的慢光延遲進行了實驗研究，首先介紹了SBS慢光延遲的基本原理，然后實驗研究了基于標準單模光纖（SSMF）和高非線性光纖（HNLF）的慢光延遲。

1　SBS慢光產生基本原理

慢光是指介質中光的群速度大大低于頻率分量處電磁波相速度時的現象，它是實現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程。SBS效應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波通過聲波實現的［9］。聲波來自泵浦波激發的電致伸縮效應，介質的折射率會受該聲波的影響，Stokes波產生的SBS增益譜為洛倫茲線形［10］。這種增益普對于大的正常色散有dn/dω＞0（n 為Stokes波的折射率），此時對應的群折射率ng會增加。根據vg=c/ng可知，ng的增加會引起群速度vg的減小，從而產生慢光延遲。最大SBS延遲對應SBS增益取最大值時，延遲量的表達式如下［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，可以通過調整泵浦光功率使增益G發生改變，從而獲得不同的延遲量。

2　實驗與結果

2.1基于SSMF中SBS的慢光延遲實驗

根據SBS慢光產生的原理可知，當入射信號光的頻率ωs與泵浦光的頻率ωp滿足ωp-ωs=ΩB時，泵浦光會將大部分能量轉移給信號光，信號光獲得巨大能量后增益譜內會產生極大的正色散，引起折射率的巨大改變，從而產生慢光。因此在進行SBS慢光實驗之前，需要確定λp及λs，以使兩束光波長的差等于光纖的SBS頻移量。實驗原理如圖1所示。

圖1　SBS慢光延遲中確定泵浦光波長的實驗裝置圖

可調諧激光源 （TLS）作為泵浦源，線寬在50～100MHz之間，調節精度為0.001nm；DFB輸出光作為信號光，線寬在50kHz左右。這里的衰減器用來降低DFB的輸出光功率，以獲得一個弱信號，實驗過程中通過調整偏振控制器（PC）使SBS效應最佳。SSMF的主要參數為：α=0.25dB/km，Aeff=50μm2，g0=5×10-11m/W。

圖2　調節TLS波長時輸出光譜的變化圖

TLS未經任何調節且摻鉺光纖放大器 （EDFA）的輸出為13mW時，環行器端口3輸出的光譜如圖2（a）調節前曲線所示，其中右邊的波峰代表DFB輸入的信號光光譜，其波長為1553.480nm。從圖2（a）中可以明顯地看出，此時在SSMF中ωp-ωs≠ΩB。通過不斷加大TLS的波長，使左邊波峰逐漸向右平移，直至散射的Stokes光與信號光重疊。這時光譜儀上信號光的峰值功率從-15.4dBm瞬間上升至-1.33dBm，TLS輸出波長為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。

基于以上實驗結果，建立測量20km SSMF的SBS慢光延遲的實驗裝置如圖3所示。

圖3　基于SBS的慢光延遲實驗裝置圖

TLS的輸出光作為泵浦光，波長為1553.385nm，經過EDFA放大后輸入到PC1中，之后輸入到環行器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作為弱信號光輸入，波長為1553.480nm；這里使用鈮酸鋰強度調制器（IM），因強度調制器的入口處采用的是保偏光纖，因此需要使用一個PC來控制信號光經IM后產生的偏振態。信號光經過IM后被調制為正弦波，這里模擬信號發生器（ASG）的調制頻率為50MHz，振幅設為18dBm；信號光經環行器的端口2輸入到SSMF中，與相向傳播的泵浦光發生SBS效應，從而產生慢光。在實驗過程中，當緩慢增大EDFA的輸出功率時，示波器（OSC）上的正弦波會向右移動，當泵浦功率分別為5mW、9mW時，產生的延遲量分別為2.5ns、4.36ns。由SBS增益峰值處的延遲公式ΔTd=GΓB可知，通過增大泵浦功率可以增大系統延遲量。

實驗過程中信號的延遲并非隨著泵浦功率的上升持續增大，而是產生明顯的飽和現象，這說明只有某一范圍內的泵浦功率才會使延遲效應有效發生。

2.2基于HNLF中SBS的慢光延遲實驗

與SSMF相比，HNLF的SBS增益系數相對較高，因此能夠在較短長度內快速產生慢光效應。與上一節研究SSMF的SBS慢光實驗步驟相同，將SSMF換成HNLF，首先通過圖1所示的實驗裝置圖調整TLS的輸出波長。在TLS波長未經過任何調節且EDFA調節至77mW時，環行器端口3輸出的光譜如圖2（b）調節前曲線所示，其中最右邊的波峰對應的波長為1553.358nm。逐漸調節TLS的波長，使調節前曲線逐漸向右平移至與信號光重疊，OSA上信號光的峰值功率從-23.8dBm瞬間上升至1.48dBm，此時泵浦光波長為1553.286nm，則有λs-λp=0.072nm，對應的頻移量為8.95GHz。在SBS慢光實驗中保持該波長不變，不斷改變ASG的調制頻率，振幅固定為18dBm。

實驗過程中，緩慢增大EDFA的輸出功率，OSC上的正弦波向右移動。當泵浦功率分別為24mW、37mW時，相應的延遲量分別為3.08ns、4.28ns，泵浦功率的增加使得延遲量也相應增加，這與SBS增益峰值處的延遲公式Td=GΓB也比較吻合。當繼續增加泵浦功率時，信號光的延遲并非繼續增加，而是產生明顯的飽和現象，這也說明只有某一范圍內的泵浦功率才會使延遲效應發生。

我們將HNLF長度增大至960m時，實驗測得的延遲結果如下：當泵浦功率分別為19mW、29mW時，960m HNLF產生的延遲量分別為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。對比HNLF的長度與獲得的延遲量，可以發現Td隨著L的增加而增大。圖4為不同長度HNLF的延遲量與泵浦功率的變化關系，可以看到這兩段HNLF的延遲增益比基本一致。

圖4　不同長度HNLF的延遲與泵浦功率關系

2.3實驗結果分析

根據以上基于SBS效應實現的慢光實驗結果可知，增大泵浦功率時，延遲量也隨之增長，因此想要獲得大的延遲，應該盡量增加泵浦功率。但是當泵浦功率增加到一定程度時，延遲量不再保持線性增長趨勢，而是變得緩慢，甚至波形不再發生移動，此時出現了飽和效應，信號光得到的增益開始慢慢減小。除此之外，泵浦功率太大時，會引起光纖內其它非線性效應，信號漸漸發生惡化。所以產生延遲的泵浦功率并不是可以無限制地增加，而是存在一定區間值。

3　結束語

本文針對基于光纖中SBS的慢光延遲進行了實驗研究，分別測量了基于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。實驗結果表明，在一定泵浦功率范圍內，慢光延遲與泵浦功率呈近似線性關系，當泵浦功率太高時，會引起光纖內其它非線性效應，信號漸漸發生惡化。

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中圖分類號：TN253

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0038-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.011

收稿日期：2016-01-04。

基金項目：國家自然科學基金（61377078、61575143、61275084）資助。

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

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