窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.     

相位调制信号对窄线宽光纤放大器线宽特性和受激布里渊散射阈值的影响

高功率窄线宽光纤放大器的输出功率主要受限于受激布里渊散射(SBS)效应,通过相位调制进行线宽展宽可以有效抑制SBS效应.基于窄线宽光纤放大器中的SBS动力学模型,研究了正弦信号、白噪声信号和伪随机编码信号(PRBS)对窄线宽光纤放大器光谱特性与SBS阈值的影响.研究发现,采用不同信号进行相位调制时,调制频率和调制深度等参数对调制后激光光谱的谱线间隔、谱线数目与光谱平整度的影响存在较大差异,进而影响放大器的线宽特性和SBS阈值.通过对比分析,给出了调制信号的类型选择和参数优化原则,能够为窄线宽光纤放大器的相位调制系统设计提供参考.     

高峰值功率大模场全光纤脉冲放大器

报道了一种由纤芯直径分别为15μm和25μm的大模场光纤组成的全光纤脉冲放大器模块.当注入脉冲宽度为10 ns,重复频率为1 Hz.光谱宽度为0.3 nm,脉冲能量为80 nJ的激光脉冲时,经过两级放大输出的激光脉冲峰值功率为30 kW,单脉冲能量为300μJ.此外,实验研究了该放大器模块输出的时间特性.研究发现:由于受激布里渊散射(SBS)效应,限制了单纵模光纤激光在光纤中的高能量放大,采用宽带激光脉冲可以有效地抑制SBS效应,提高光纤放大器的SBS阈值.     

瑞利布里渊光时域分析系统传感性能的提升方法

将多波长激光光源技术引入瑞利布里渊光时域分析系统,其中抑制载波的微波调制多波长脉冲基底1阶边带会在传感光纤中产生多波长背向瑞利散射;将该散射光作为探测光与多波长传感脉冲发生受激布里渊散射(SBS)作用,可有效地提高光纤SBS阈值和SBS作用效率,进而提高系统信噪比和布里渊频移的测量精度。分析了相位调制器产生多波长激光光源的原理以及利用电光强度调制器产生作为探测光的多波长斯托克斯和反斯托克斯激励光的原理,建模分析了多波长瑞利布里渊光时域分析系统原理,给出了系统信噪比与波长数关系的表达式;搭建了单波长和三波长光纤SBS阈值测量系统及瑞利布里渊光时域分析系统,测量了光纤的SBS阈值和系统性能。实验结果表明,当单波长与三波长瑞利布里渊光时域分析系统的传感脉冲宽度为100ns,峰值功率为100mW,单个波长的脉冲基底功率约为1.3mW,传感光纤长度为2.4km时,三波长较单波长系统的光纤SBS阈值和信噪比分别提高了3倍和2.83倍,在2km光纤内布里渊频移波动由33.4 MHz降至15.6 MHz。     

色散补偿对SBS效应抑制作用的研究

根据光传输系统中受激布里渊散射(SBS)效应产生的基本原理分析了色散对SBS效应的抑制作用,定性分析了不同色散补偿方法对SBS效应的抑制效果,得出了前置色散补偿可以很好地抑制光纤中SBS效应的结论,并用实际的光传输系统进行了实验验证,在入纤功率小于6dBm、信号速率为10Gbps、传输光纤为G.652的光传输系统、前置色散补偿为-800ps/nm情况下,可以提高系统的SBS效应阈值2dB左右。     

S波段光纤拉曼放大器中级联受激布里渊散射串扰的实验研究

研究了光纤激光器前向抽运的S波段分布式光纤拉曼放大器中级联的受激布里渊散射(SBS)串扰现象。用窄光谱带宽(<100MHz)的可调谐激光二极管作为信号源,通过S波段分布式光纤拉曼放大器,当被放大的信号功率超过单模光纤受激布里渊散射的阈值时,出现了前向受激布里渊散射,这是传导声波布里渊散射在光纤放大器中放大的现象。随着拉曼放大器抽运功率的提高,在斯托克斯区,出现了两阶受激布里渊散射线,在实验中观测到偶数阶的受激布里渊散射谱线功率大于奇数阶的布里渊一瑞利散射线。当进一步增加拉曼放大器的抽运功率,出现了前向级联的多阶受激布里渊散射现象,拉曼放大器的增益下降,被放大的信号功率转换为受激布里渊散射,噪声变大。受激布里渊散射的串扰破坏了拉曼放大器的特性,使拉曼放大器无法在密集波分复用光纤传输系统中使用,因此需要严格地控制入纤的信号功率和放大器的抽运功率。在实验中还观测到在光纤拉曼放大器中被放大的信号光和受激布里渊散射线两侧的伴线。     

1.06kW 13GHz线宽全光纤激光器

分析了高功率光纤激光器中受激布里渊散射(SBS)效应的抑制方法。研究表明,利用宽带噪声源高速相位调制展宽光谱的方法对于抑制SBS十分有效,可实现kW级用于光谱组束的数10GHz高功率光纤激光子束。通过理论计算线宽与SBS阈值的关系,并分析噪声相位调制各参数对SBS阈值提升的影响,优化了光纤激光器设计参数。通过宽带噪声高速相位调制的方法,展宽单频种子源线宽至13GHz,通过两级预放大至10 W后,使用20/400μm掺Yb光纤最终实现了中心波长1064nm、线宽13GHz、最高功率1.06kW的激光输出,光束质量M21.2,光-光转换效率86%,实验过程未观测到模式不稳定性现象。进一步扩宽噪声源频带,加大调制深度,有望实现更高功率的窄线宽光纤激光输出。     

各向同性光纤探头的制作及介质中散射光的探测

利用高散射性球和光纤制成了各向同性的光纤探头,对该探头接收不同方向入射光的特性测试表明,在10°~350°之间散射球输出信号相对变化率小于10%.用所制作的光纤探头探测散射介质中的相对能流率分布所得的实验结果与理论结果相符合.     

单模光纤中受激拉曼散射的阈值特性研究

理论分析并仿真了单模光纤中前向和后向拉曼Stokes光功率随输入抽运光功率的变化规律,发现其具有明显的阈值特性。由此提出了一种新的单模光纤拉曼阈值的定义,将拉曼Stokes光功率随输入抽运光功率变化曲线的二阶微分的最大值对应的输入抽运光功率定义为单模光纤拉曼阈值,还给出了与之相应的单模光纤拉曼阈值的测量方法,通过对单模光纤拉曼阈值随单模光纤特征参数的变化规律进行仿真和拟合,分别获得了单模光纤中前向和后向拉曼阈值方程。搭建了实验平台,采用脉冲光抽运,对长度为24km的单模光纤中前向和后向受激拉曼散射的阈值特性进行了实验验证,结果表明,实验结果与理论分析和仿真结果相符合,验证了所提出的阈值定义和测量方法的有效性,实验中还发现,在不同的光纤特征参数下,单模光纤后向拉曼散射阈值比前向时平均提高了24.9%,与理论仿真结果的25.3%相符合,表明单模光纤中前向受激拉曼散射更容易产生。     

光纤中受激Brillouin散射动态弛豫振荡特性及其抑制方法

为了避免在高功率光纤放大器和光纤相位共轭镜等实际应用中因受激Brillouin散射（SBS）造成的光纤损伤,根据描述SBS动态弛豫振荡特性的振幅耦合方程,利用有限差分的数值模拟方法研究了光纤中SBS的动态弛豫振荡特性,并对其抑制进行了初步探讨.得到了光纤中SBS弛豫振荡在不同的脉冲上升时间的时空三维图;同时利用方波和脉冲光作抽运光进行了相应实验研究,实验结果与理论模拟结果符合很好.结果表明,增大抽运光脉冲上升时间可以有效抑制因SBS而产生的弛豫振荡,进而避免因其造成的光纤损伤. 关键词： 受激Brillouin散射 动态弛豫振荡特性 有限差分法     

光纤中的瞬态SBS过程的数值分析与探讨

 通过数值方法得到了光纤中的瞬态SBS过程中耦合波和声场的强度分布图，从而分析了光纤中瞬态SBS的发生过程以及光纤长度、泵浦脉宽等因素对SBS反射率及阈值的影响，据此提出了一种新的光纤相位共轭器。     

光纤水听器的原理与应用

为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要，在光纤技术不断发展的基础上，光纤水听器应运而生．光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器，因其在军事、民用各领域应用广泛，目前光纤水听器在国内外发展迅速，已经到达实用状态．全光光纤水听器系统的湿端采用全光实现，信号传感与传输皆基于光纤技术．具有抗电磁干扰、重量轻和造价低等优点．文章简述了光纤水听器的发展历史、现状，论述了光纤水听器的原理及其应用前景．     

Full investigation of the backscattering in resonator fiber optic gyro

Resonator Fiber optic gyro (RFOG) is a high accuracy inertial rotation sensor based on the Sagnac effect. The optical fiber ring resonator (OFRR) is the key rotation sensing element. The backscattering characteristics of the OFRR are fully investigated. The Rayleigh backscattering dominates the backscattering spectrum with the input power below the threshold. High carrier suppression is crucial to reduce this Rayleigh backscattering error. Being different from the intrinsic Rayleigh scattering of the fiber, the stimulated Brillouin scattering (SBS) in the OFRR should be avoided. This is because the finesse and the resonance notch depth of the OFRR decrease for the pump depletion through the SBS process. The shot noise limited sensitivity (SLS) of the RFOG is improved by increasing the input power. Through analysis, it is found that the threshold input power is improved after phase modulation. The SLS of the RFOG is analyzed at different modulation parameters and its relevant SBS threshold. Accordingly, the optimized modulation frequency and the corresponding maximum input power are all obtained. A simple method of testing the frequency shift in the SBS is also proposed. In this method, the central frequency of the laser source is locked to the resonance frequency of the OFRR in one direction. A steady SBS light is observed and its frequency shift is measured together.     

组合型光纤相位共轭器的数值模拟

 组合光纤是一种结合了小口径光纤SBS阈值低和大口径光纤损伤阈值高的特点而形成的新型光纤相位共轭器。通过建立数学模型，数值计算了组合光纤中SBS形成的过程，并对其特性参数进行了一定的理论分析。结果表明组合光纤不但可以大幅度降低SBS阈值、获得高反射率和扩大动态范围，而且通过优化其几何尺寸可以抑制Stokes波形的波动现象并显著压缩泵浦光脉冲。     

光纤放大器中的受激布里渊散射阈值

 从受激布里渊散射(SBS)耦合波理论出发,根据双包层光纤放大器中的受激布里渊散射阈值模型,理论仿真了信号带宽、纤芯直径、放大器增益对SBS阈值的影响,并从实验上研究了单频百纳秒脉冲信号在掺镱双包层光纤放大器中的受激布里渊散射现象。实验中输入脉冲信号重复频率1 Hz,脉宽200 ns,对不同的输入脉冲信号放大,前向放大脉冲在脉冲能量660 nJ、峰值功率3.3 W时出现畸变,产生后向SBS窄脉冲,达到了SBS阈值,实验计算的SBS阈值与理论分析结果基本一致。     

基于布里渊散射的结构应力光纤测试技术研究

本文通过分析一定功率的脉冲光射入光纤中的布里渊散射规律,介绍了分布式光纤测量测量轴向应力的基本原理。制作实验装置,测量单独的应变模型,分析散射回来的波形图,初步了解应力在光纤布里渊散射波谱上的图像特征。将应力作用于光纤的不同位置,对比它们与无应力作用诗所得到的散射波形之间的图像差异,研究其对光脉冲在光纤传输过程中的影响规律。结果表明,应力的作用大小,作用位置的不同都会对脉冲光的传播造成影响,主要在于影响布里渊散射的斯托克斯光和反斯托克斯光。本次研究所得可以为分布式光纤测量提供参考,为分布式光纤在测量微型形变的应用中有一定的促进作用。本次研究的创新点在于使用滑轮的方法,解决同等应力在分布光纤的不同位置作用效果。     

混沌信号在光纤传输过程中的非线性演化

对光纤混沌传输理论及混沌信号与光纤传输媒介相互作用的物理机制进行了理论研究. 通过耦合激光混沌系统和光纤传输信道，提出光纤混沌信号传输的非线性演化物理模型. 着重分析光纤自相位调制对激光混沌信号传输与演化的作用. 结果表明：自相位调制不影响混沌信号脉冲的形状，但能产生非线性相移使混沌信号频谱展宽；自相位调制不影响混沌信号脉冲的功率分布和场强分布，但能影响混沌信号脉冲的功率频谱分布，影响混沌信号光场以及慢变场的变化. 提出混沌信号在光纤传输中的非线性演化频率啁啾和形式，数值模拟了混沌信号在光纤传输过程中的相位、频谱、场以及场的慢变部分的相空间等演化形式和特点. 关键词： 混沌 光纤 传输 演化     

Development of an optical fiber hydrophone with fiber Bragg grating

A new type of optical fiber hydrophone is constructed with a fiber Bragg grating (FBG) based on the intensity modulation of laser light in an FBG under the influence of sound pressure. The FBG hydrophone shows linearity, with dynamic range about 70 dB. It can measure amplitude and phase of an acoustic field in real time, and operates in a wide range of acoustic frequency, at least from 1 kHz to 3 MHz. No signal distortion is observed in the detected signal. Because of the simplicity in its operating principle and geometry, an FBG hydrophone is expected to be an acoustic sensor of high practicality compared to a conventional optical fiber hydrophone.