基于受激布里淵散射效應的光譜分析

郭麗君，譚中偉

(北京交通大學 光波技術研究所全光網絡與現代通信網教育部重點實驗室，北京 100044)

0 引 言

光譜是電磁輻射(光波)按照波長的有序排列，當光與物質相互作用時，這種有序排列中蘊含的信息會發生變化，通過光譜分析可以對其進行解析。區別于其他測量方法，光譜分析提供了一種從頻域角度解析光與物質間相互作用的方式。

已有很多光譜分析方案[1-3]被提出，主要有干涉調制型[4-5]、色散型[6-7]和濾波型[8]等。干涉調制型光譜分析方案是利用光程差可調的干涉儀記錄待檢信號光的相位與幅度，并主要通過傅里葉變換的反調制手段復原其光譜，但其受干涉儀光程差調制能力的限制，而且測試速度較慢。色散型光譜分析可分為棱鏡色散光譜分析、衍射光柵光譜分析和法布里·珀羅多光束干涉色散光譜分析，這種方案是利用色散元件將待檢信號光中的不同頻率分量分散到空間域上的光譜分析方法，但其光譜分辨率一般不小于0.01 nm，無法對光譜進行精細檢測。

濾波型光譜分析方案可以克服上述缺點，其利用中心頻率不同的光學濾波器對待檢信號光中的不同頻率成分進行抽取，進而復原其光譜。但是，早期以濾光片為光學濾波器時，其中心波長是確定的，所以僅能提取少數分立的頻率分量，無法實現測量范圍內所有光譜信息的連續提取。由于受激布里淵散射(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)效應的帶寬僅有30～50 MHz，遠小于普通光學濾波器，因此，有望獲得分辨率非常高的光譜檢測方法?；赟BS效應的微波光子濾波器(Microwave Photonic Filter, MPF)不僅具有低閾值和高增益等優點，而且還具有可重構和可調諧的特性。

因此，本文研究基于SBS效應[9-12]的濾波型光譜分析方法，通過調諧濾波器的中心波長以遍歷整個待測信號的光譜，經過測量該濾波器的輸出功率，從而得到待測信號的光譜。

1 設計方案

1.1 單級結構基于SBS效應的MPF

單級結構基于SBS效應的MPF的結構如圖1所示。在上支路中，將激光器(Laser Diode, LD)輸出的光信號經過相位調制器(Phase Modulator, PM)得到的調制信號作為信號光，經過光隔離器(Optical Isolator, ISO)和光衰減器(Optical Attenuator, OA)正向進入到單模光纖(Single-mode Fiber, SMF)中；在下支路中，LD輸出的光經過摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)放大到足夠的功率后得到泵浦光，然后通過偏振控制器(Polarization Controller, PC)。信號光和泵浦光在SMF中相遇時會發生SBS效應，產生布里淵增益譜(或損耗譜)，使落入其中的信號被放大(或縮小)。然后通過光環行器(0ptical Circulator, OC)進入到光電探測器(Photodetector, PD)中，拍頻產生所需要的射頻(Radio Frequency，RF)信號。

圖1 單極結構基于SBS效應的MPF結構圖

表1所示為在常規單級結構基于SBS效應的MPF中，當泵浦光的功率分別在 5和8 dBm的情況下，激發SBS效應時所獲得的增益水平。由表可知，從這3個信號光布里淵增益的增加量來看，大信號的布里淵增益增加的效果并不明顯。這是因為，當信號光功率過高時，會出現信號增益發生飽和效應的現象，這個時候會出現非常強烈的受激拉曼散射，泵浦光的功率也會被極大地消耗，對于增益的提升來說是非常有限的。

表1 單級結構基于SBS效應的MPF 獲得的增益水平

1.2系統結構

為了盡量避免泵浦光功率過高而造成上述問題，我們設計了一種把泵浦分段的雙級結構來提升基于SBS效應的MPF的頻響特性，用此結構來進行頻譜分析，其結構如圖 2 所示。整個系統由上下兩部分組成，分別是信號光支路和泵浦光支路。在上支路中，將LD1輸出的光信號經過級聯的兩個強度調制器(Intensity Modulator, IM)和PM調制得到的光頻率梳作為待檢測的信號光，經過ISO和OA正向進入到級聯的兩段SMF中；在下支路中，LD2輸出的光經EDFA放大到足夠的功率后得到泵浦光，泵浦光被光耦合器一分為二，分別通過各自支路的PC和OC后，反向進入級聯的兩段SMF中，發生SBS效應，會產生布里淵增益譜，使落入其中的信號被放大，實現濾波器的功能。調諧濾波器的中心波長，重復上述操作，直到遍歷整個待測信號的頻率，最后根據頻率與功率的關系即可得到待測信號的光譜形狀。兩段光纖中間OA的作用是控制進入第2段光纖的信號功率，避免輸入信號在第2級放大時功率過高導致增益飽和。

單級結構的高功率泵浦光在這里等效為被分成兩個功率較低的泵浦光，然后分別進入到兩級光纖中，在每一級放大過程中都不會因為泵浦光功率過高而造成信號光增益的飽和；并且在兩級之間加入了OA，通過設置適當的衰減值，使得每一級需要被放大的信號光功率也不會過高，從而也不會過度消耗泵浦光的功率。其次，當泵浦光功率降低后，不再滿足受激拉曼散射的閾值，也就不會發生受激拉曼散射，所以就避免了拉曼散射的泵浦光功率和布里淵散射的泵浦光功率出現競爭問題。

圖2所對應的信號波形示意圖如圖3所示，圖3(a)所示的正向傳輸的待測信號與反向傳輸的泵浦光進入第1段光纖后，會產生布里淵增益區，使落入該區的待測信號被放大，被放大后的信號如圖3(b)所示。接下來，為了降低第1級放大的信號光功率，避免過度消耗泵浦光的功率，需要對信號光進行衰減，衰減后的信號如圖3(c)所示。最后，衰減后正向傳輸的信號光與反向傳輸的泵浦光進入到第2段光纖，對落入該區的信號進行第2次放大，經過兩次放大后的信號光如圖3(d)所示，由圖可知，增益區內的信號與增益區外的信號相比，功率提高的很明顯。

圖2 基于SBS效應的濾波型光譜分析

圖3 對應的信號波形示意圖

2 系統仿真與結果分析

2.1 系統仿真

為了驗證方案的可行性，我們利用Optisystem光學仿真軟件進行了數值仿真。在上支路中，LD1的頻率設置為193.403 48 THz，功率默認為0 dBm，RF采用的是頻率為50 MHz的正弦信號，經過級聯的兩個IM和PM后可以得到頻率間隔為50 MHz的光頻梳，其光譜圖及局部放大圖如圖4所示。

圖4 PM信號的光譜圖

將OA1的衰減值設置為20 dBm。下支路中，LD2選用的是中心頻率范圍從193.413 48 THz遞增到193.415 48 THz的掃頻LD，布里淵增益譜的自然線寬設置為50 MHz。為了使濾波器的中心波長可以遍歷整個待測信號的光譜，這里掃頻LD的中心頻率間隔也設置為50 MHz。兩級泵浦的功率都設置為5 dBm，并且布里淵頻移量設置為11 GHz。兩級泵浦光和信號光在光纖中相遇時會發生SBS效應，產生布里淵增益譜，使落入其中的信號被相應地放大，然后可以檢測出每次增益譜內信號被放大的功率，得到如圖5所示增益區內信號頻率與輸出功率的關系圖，即待測信號的光譜圖。

圖5 信號的頻率與輸出功率的關系圖

將圖5與圖4(b)作比較可知，兩個圖的光譜形狀幾乎相同。這就驗證了方案的可行性。

2.2 泵浦功率對光譜分析的影響

不同泵浦功率產生的布里淵增益不同，為了更好地實現光譜檢測的目標，我們對泵浦功率的影響進行了分析。為了便于觀察，將泵浦支路LD2的頻率設置為193.414 53 THz，使光頻梳中頻率為193.403 53 THz的梳齒正好落入布里淵增益區，使之被放大，其余的參數設置不變。然后改變泵浦光功率，這里將泵浦功率分別設置為2、3、4、5和6 dBm，觀察5次濾波器的頻譜圖，如圖6所示。由圖可知，隨著泵浦光功率的變化，濾波器的增益和帶外抑制比(Out of Band Rejection Ratio, OOBR)也隨之變化。

圖6 不同泵浦功率下的頻譜圖

為了更清晰地觀察這兩個量的變化，分別繪制濾波器的增益與泵浦功率的關系圖和OOBR與泵浦功率的關系圖，如圖7和圖8所示。由圖7可知，隨著泵浦光功率的增大，濾波器的增益先逐漸增大，然后減小，拐點在泵浦功率為5 dBm時。由圖8可知，隨著泵浦光功率的增大，濾波器的OOBR也先逐漸增大，然后減小。在泵浦功率由 2 dBm 增大到5 dBm的過程中，OOBR 相應地從48 dB增大到63 dB，這樣的增大對整個系統來說是有利的。但是隨著泵浦光功率的繼續增大，會出現四波混頻等其他非線性效應，反而會消耗泵浦光功率，導致濾波器的增益和OOBR也會相應地降低。當泵浦功率為5 dBm時，濾波器的增益最大為-8 dBm，OOBR最大為63 dB。

圖7 濾波器增益與泵浦功率的關系

圖8 OOBR與泵浦功率的關系

2.3 對濾波器動態范圍的分析

為了能夠對不同光譜進行檢測，需要知道不同輸入功率下的情況。因此，我們還對濾波器的動態范圍進行了仿真。圖9所示為不同泵浦功率下，濾波器輸入信號功率和輸出信號功率的變化規律曲線。為了便于觀察，這里泵浦支路LD的頻率仍然設置為193.414 53 THz，使光頻梳中頻率為193.403 53 THz的梳齒正好落入布里淵增益區，使之被放大，其余的參數設置不變。由圖可知，濾波器輸入信號功率在-45～-15 dBm范圍內，當泵浦功率分別為3(三角線)、4(圓點線)和5 dBm(方塊線)時，隨著輸入信號功率的增大，濾波器的輸出信號功率先逐漸增大，然后趨于平穩。當輸入信號的功率低于-45 dBm時，系統中存在的噪聲會淹沒信號，系統在-35 dBm以上工作狀態較好；當輸入信號的功率高于-20 dBm時，信號接近飽和狀態。因此，用該方法進行光譜檢測時對輸入信號的光功率是有比較嚴格的要求的。但得益于受激布里淵散射的窄帶特性，它的優點在于檢測精度較高。

圖9 不同泵浦功率下，濾波器的輸出與輸入信號功率的關系曲線

3 結束語

本文研究了基于SBS效應的MPF在光譜分析中的應用。通過在Optisystem軟件中進行仿真，可以得到如下結論：與單級結構MPF相比，雙級結構不易造成信號的增益飽和；每次改變泵浦頻率時，通過測量兩級放大后濾波器輸出功率的值與待測信號頻率之間的關系，可以分析得到待測信號的光譜；隨著泵浦功率的增大，濾波器的增益和OOBR先逐漸增大，然后減小，拐點在泵浦功率為5 dBm左右；濾波器的動態范圍為-35～-20 dBm。