基于受激布里淵散射的光濾波器

劉紫娟，張啟文，侯 健，田文艷

（1.山西工程職業學院，山西 太原 030009；2.中國移動通信集團山西有限公司太原分公司，山西 太原 030012；3.太原科技大學，山西 太原 030024）

0 引 言

1964年，受激布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）被首次發現并命名[1]。此后，SBS應用于光纖傳感器、光時域分析儀、光纖激光器、放大器、濾波器等領域[2-6]。上述研究都基于SBS低閾值、高增益以及對環境因素較為敏感等諸多特性。但是，光纖雙折射率、泵浦光和信號光偏振態（States of Polarization, SOP）對SBS的眾多特性有顯著影響。然而，多數關于SBS的討論僅局限于對SOP分布的統計平均，忽略了其實際的演變過程[7-9]。

在2017年，Wang等人[10]對光纖中SBS信號偏振特性進行了研究，并得出了相關的傳播方程。基于上述理論，本文結合其高增益的優良特性，根據泵浦光SOP對信號光SOP的牽引與發散作用，提出了一種偏振濾波的思路。

1 原 理

SBS是由泵浦光、信號光以及聲頻聲子相互作用而形成的一種光學非線性效應。泵浦光入射到介質，因電致伸縮效應，對介質的折射率和介電常數產生周期性調制作用，激發出聲頻聲子，從而形成移動的布拉格光柵。入射泵浦光通過聲波場后，在某些特定方向產生散射光。當由感應生成的布拉格光柵的光柵常數d與泵浦光頻率ωp、布拉格光柵移動速度vg與聲頻聲子傳播速度va相匹配時，產生最大斯托克斯光。

當信號光與泵浦光分別從光纖的右端（z=L處）和左端（z=0處）注入，如圖1所示。

圖1 單模光纖中泵浦光和信號光的傳輸示意圖

圖1中T（z）為光纖從z=0到z處的瓊斯矩陣；Ep、Es為泵浦光與信號光的偏振態；ρ為聲波矢量。如果泵浦光強度大于SBS的閾值，就會激發SBS。在不考慮光纖損耗情況下，根據連續穩定的泵浦光和信號光及聲波間相互作用，可將單模光纖中SBS傳輸強度和SOP向量的傳播方程總結為[10]：

式（1）和式（2）是泵浦光和信號光傳輸方程。式（3）和式（4）描述泵浦光和信號光SOP演變，其中第一項為雙折射引起的SOP演變，第二、三項為SBS引起的SOP變化。

圖2 頻率分量ξ的信號光所受牽引力的方向

圖3 信號光所受牽引力隨·和ξ的變化

2 實驗結果與分析

根據實驗需求搭建實驗平臺，實驗系統如圖4所示。圖中：Laser為可調諧激光器；EDFA為摻鉺光纖放大器；Coupler為3 dB耦合器；PC為偏振控制器；EOM為電光調制器；RF為電信號發生器；Circulator為環形器；FBG為布拉格光柵；Fiber為待測標準單模光纖；Polarizer為檢偏波片；PSA為偏振分析儀。

圖4 實驗系統圖

光源信號的中心波長為1 553.887 nm，經過EDFA后被放大。由3 dB耦合器分為兩路，上路作為信號光，下路作為泵浦光。上路中PC1、EOM和RF對光信號進行調制，使其變成光頻率為v±vB的調制光信號，并由環形器1的3端口注入待測光纖中。通過PC3來控制信號光的SOP，下路中通過PC2來改變泵浦光的SOP。信號光和泵浦光在待測光纖中產生SBS效益，并由環形器2的3端口輸出。通過PC4、Polarizer和PSA來檢測并記錄輸出信號的SOP和輸出功率。

通過調節PC1，對EOM的輸出信號進行調節，使得頻率v處的分量小，頻率v±vB處的分量最大。通過調節PC2和PC3，分別對泵浦光和信號光的SOP進行調節，使得SBS增益達到最大。通過調節PC4來調節輸出掃頻信號在龐加萊球上的位置，使其與檢偏平面盡量一致。通過PSA來記錄掃頻信號的SOP與光譜的變化，可得出如下結果。圖5（a）中較粗的黑線為未引入檢偏波片時輸出信號SOP的變化情況，各個孤立點為引入檢偏波片后輸出信號SOP。其中L90表示第一個檢偏點。檢偏波片每順時針旋轉15°進行一次測量，對應的輸出光譜如圖5（b）所示。對比分析檢偏角度與輸出信號功率譜，可知每個SOP的輸出信號光譜都能找到另一個SOP的輸出信號光譜與之關于原始輸出信號的中心波長對稱。圖5（c）表示各個檢偏角度下輸出信號的光譜。可以看出，輸出光譜的中心波長會隨著檢偏波片的旋轉角度而發生偏移，存在關于原始信號中心波長對稱的峰值與谷值。圖5（d）表示不同旋轉角度下輸出信號峰值波長相對于原始信號中心波長的偏移。

圖5 實驗結果

3 結 語

本文主要對受激布里淵散射的偏振特性進行了研究。結合其高增益、低閾值以及對環境因素較為敏感等優良特性，根據泵浦光SOP對信號光SOP的牽引與發散作用，提出了一種偏振濾波的思路。通過實驗發現，輸出信號的峰值頻率會隨著檢偏器角度的改變而近似線性變化。