单模光纤SBS阈值的研究

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受激布里渊散射是光纤中重要 的非线性特性]，不同条件下受激布里渊散射的阈值不同。

在传统的光纤通信中，通常对系统产生信噪比下降等危害，所以人们总是想方设法抑制受激布里渊散射的发生 ]。随着对光纤传感器研究的深入，受激布里渊散射在其领域中占有不可或缺的地位，人们越来越意识到受激布里渊散射的重要性3。]，所以研究受激布里渊散射的阈值特性也就成为其中-项必然的任务。

阈值特性是受激布里渊散射的重要特性之-，当光纤的入射泵浦光 的功率较小时，光纤中不会产生非线性现象 ，输出的光功率与入射光功率成线性变化。当入射泵浦光功率增大到-定值时，光纤中就会产生非线性效应。由于受激布里渊散射具有低阈值 的特性 ，所以很容易发生非线性效应。因此将背向散射光迅速增大时对应的入射泵浦光功率定义为受激布里渊的阈值 。

1 理论基础受激布里渊散射的阈值光功率与入射光的脉冲宽度有关：对连续光波或者相对较宽的脉冲光波(≥1 s)，受激布里渊散射的阈值光功收稿 日期：2012-12-03作者简介：孙丽妍(1984-)，女，硕士生，研究方向为精密测量技术与仪器 ，E-mail：sunliyan###bipt.edu.cn。

率很低；而对脉冲宽度<10 ns的短脉冲光波，受激布里渊散射几乎不会发生 。

由于布里渊增益谱是洛伦兹 曲线型 ，在稳态条件下(连续泵浦光)考虑入射泵浦光与背向散射光之间的相互作用〖虑到布里渊频移相对较小 ，可以近似认为泵浦波和 Stokes波有相同的光纤损耗 ，同时入射泵浦光和反向传输 的Stokes光是沿着相同方向的线偏振光，且在传输过程偏振态保持不变，可以得到受激布里渊散射的 Smith和 K.ng经典阈值估算的通用计算模型5。]：Pth- -IJ-eft (1)goLeIf其中，A 为光纤的有效纤芯面积，g。为布里渊增益峰值，L - 型 为有效光纤长度，a为光纤损耗系数 ，L 为光纤长度。G为阈值增益系数，在 Smith理论 阈值估算模型中，G-21；在 K.ng的理论模 型中 G-19l8]。

但 G并不是常数，其具体表达式为：G ≈ IngB Vo 宠 L 式中， 为布里渊频移；是为波尔兹曼常数；T为绝对温度；r为声子衰减速率； 为泵浦波频率。

由式(2)可知，阈值影响因子 G并不是常数，他是随着长度的增大而减小的。但是当 ，10 北京石油化工学院学报 2013年第 21卷》1时 ，L -1/a，则式(2)改写为：G ㈦ 由式(3)可知，当光纤大于-定的长度后，G基本保持不变 ，在-定条件下可 以近 似为常数。

光纤长度与布里渊增益系数之问的关系如 图 1所示光纤长度/km图 l 光纤 乏度与 阈值增益系数的关 系实验中，采用长度为 5 km 的单模光纤 ，光纤采用康宁 SMF-28普通石英单模通信光纤，芯径为 9.25 Il，在波长1 550 nm处 的损耗 为0.2l dB/km。根据图 1可知 ，增益系数 G约为18.5～此值代人到式(1)中，即可算出在连续泵浦情况下的受激布里渊散射闽值为 4.5 mW(A f-5×lO rn ，g-5×10m/w，a-0.22 dB/km - 4.6× 10 km ，L。f- 4.47km )。

2 实验过程及结果实验装置如图 2所示，激光器输出光功率为80 mw，波长为1 550 nm的窄线宽激光束，经衰减器后 ，接人 50：5O的耦合器，耦合器输出端分别接光功率计和环形器 1端 ，通过环行器入射到 5 km 长的单模 传感 光纤 中，背 向布里渊散射光返 回至环形器 3端 ，经光 电探测器光电转换放大后 ，送 HP8566A微波分 析仪观测输出拍频信号和光强信号。

臣因图 2 实验 系统框图调节衰减器使输入光功率 由0 mW 缓慢增加，光功率计 1的测量值为入射到单模光纤中的泵浦光功率 。光功率计 2测量环形器 3端背向散射光的功率值。观察微波频谱分析仪(微波分析仪显示的是 Stokes光与瑞利散射光的拍频信号)，由于布里渊频移约为 ll GHz。当发生受激布里渊散射时，在 11 GHz附近(本实验为 10.876 GHz)的地方有频谱宽度较窄的受激布里渊散射频谱峰 出现，如图 3所示。当频谱仪 中有微小的散射光谱 出现时，说 明光纤 中产生了布里渊散射 ，随着入射泵浦光功率的增加，布里渊散射光谱功率峰值迅速增加，说明此时发生了受激布里渊散射。

皇∞ 褂200 M/div图 3 光谱 图通过实验数据得到入射泵浦光与背向散射光之间的关系如图 4所示 。由图 4可以看出，当入射功率小于 7 mW 时，背向散射光功率变化范围非常小 ；而当入射功率达到 7 mW 后 ，背向散射光功率迅速增加，说 明此时发生了受激布里渊散射 ，由此可以得知，此系统的受激布里渊散射阈值为 7 mW。

l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 l1 12 13 14 15泵浦光功率/mw图4 背向散射光与入射泵浦光之间的关系在观察布里渊散射光谱图的同时，将信号连接至示波器，观察到受激布里渊散射沿光纤的时域曲线图，如图 5所示。图 5(a)、图 5(b)分别为不同时刻采集到的同-位置的时域特性曲线，观察并分析 2图可知 ：光纤 中存 在偏振态，且不同时刻的偏振态不同，说明偏振态是随9 8 7 6 5 4 3 2 l O旃 躲箍匠袒12 北京石油化工学院学报 2013年第 2l卷I ightwave Techonology，1994，12(4)：585-590Research on SBS Threshold in Single-M old FiberSUN Li-yan -，HUANG Min-shuang ，HUANG Jun-fen。， LONG Teng-yu。

(1.College of MechanicalBeijing 100029，China；Maj or Laboratory.Beij ing IEngineering，Beij ing University of Chem ical Technology，2.Opto-Mechatronic Equipment Technology Beij ing Areanstitute of Petrochemical technology，Beijing 102617，China)Abstract This paper researched the relationship of critical gain coefficient and fiber length andcalculated the stimulated Brillouin scattering(SBS)theoretical threshold.In order to measure theSBS threshold of 5km SMF-28 at room temperature，the experiment system for measuring SBSthreshold was designed and built up，and then we got the threshold，which was 7 mW .However，this value has some differences with the SBS classical threshold estimation model calculatingresult.In the process of experiment，the SBS time domain characteristics was studied and the in-fluence of polarization state on SBS was analyzed.Finally，the revised formula for SBS thresholdof the measurement system was obtained。

Key words threshold：stimulated Brillouin scattering(SBS)；time domain characteristic；polari-Za