光隔离器法抑制Michelson干涉型光纤水听器中的SBS

光隔离器法抑制Michelson干涉型光纤水听器中的SBS 光隔离器法抑制Michelson干涉型光纤水听 器中的SBS 第29卷第2期 2008年3月 应用光学 JournalofAppliedOptics Vo1.29No.2 Mar.2008 文章编号:1002—2082(2008)02一O178—05 光隔离器法抑制Michelson干涉型 光纤水昕器中的SBS 李 (1.海军工程大学兵器工程系, 振,饶炯辉,李海飞 湖北武汉430033;2.广空军械修理厂,广东广州510500) 摘要:光纤水听器是利用光的干涉信号进行探测的,但随着入射光功率的增加,易发生受激布 里渊散射(stimulatedBrillouinscattering,SBS)效应,并因而产生噪声,限制入射光功率的增加, 极大地影响探测信号.为了抑制SBS效应,提高光纤水听器性能,以Michelson型光纤水听器为例, 从实验和理论上研究了SBS及其阈值特性.根据阈值公式分析了提高阈值的方法,着重讨论了光 隔离器法对SBS的抑制.最后利用时域有限差分方法对光纤内的入射光,Stokes光和声波的时空 分布进行了分析.只要给出初始条件及光纤参数即可得出光纤内各波的时空分布.通过开展抑制 此效应的研究,不仅为可调谐相干光的产生提供一个新途径,而且可作为一种有效 手段来研究各 种光纤系统中的散射特性. 关键词:光纤光学;光纤水听器;Michelson光纤干涉仪;受激布里渊散射;光隔离器 中图分类号:TN253;TP212文献标志码:A SuppressionofSBSinfiberhydrophonebyopticalisolators basedonMicheisonfiberinterferometer LIZhen,RAOJiong—hui,LIHal—fei (1.DepartmentofWeaponryEngineering,NavyEngineeringUniversityofTechnology,Wuhan430033,China; 2.DepartmentofGuangzhouAirforceOrdnanceRepair,Guangzhou510500,China) Abstract:Thefiberhydrophoneutilizestheinterferentialopticalsignaltodetect.Theeffectof thestimulatedBrillouinscattering(SBS)occurswiththeincreaseoftheopticalpower,which makesnoise,limitstheincidentlightpowerandaffectsthedetectingsignalseriously.For suppressingtheSBStoimprovethecharacteristicoffiberhydrophones,research,basedonthe Michelsonfiberhydrophone,wasdone,andthemethodsofincreasingthethreshold,especially themethodofusingtheopticalisolatorwereinvestigatedaccordingtothethresholdequation. Thetime—spacedistributionofincidentlight,Stokeslightandsoundwaveinthefiberis analyzedwithFDTD.Thetime— spacedistributionofeachwaveinthefibercanbeobtainedSO longastheinitialconditionandfiberparametersaregiven.Theresearchonsuppressingthis effectingcanofferanewwaytoproducethetunablecoherentlight,anditcanbeaneffective methodtostudythecharacteristicofdifferentscatteringsinfibersystem. Keywords:fiberoptics;fiberhydrophone;Michelsonfiberinterferometer;SBS;optical iSO1ator 收稿日期:2007—03—23;修回日期:2007—08—18 作者简介;李振(1981一),男,湖北宜昌人,助教,硕士研究生,主要从事光纤传感方面 的研究工作. E—mail:lizhenl9811105@hotmail.com 应用光学2008,29(2)李振,等:光隔离器法抑制Michelson干涉型光纤水听器中的 SBS?179? 引言 随着光纤水听器技术的不断成熟,目前正向大 规模,大阵列方向发展,因此,保证足够强的接收光 功率对光纤水听器系统的有效工作至关重要.实际 中由于光纤具有极低的损耗以及ql~tJ,的光斑尺寸, 使得只需很小的注入光功率即可在光纤内获得较 高的光功率密度,从而产生影响系统有效工作的非 线性效应.在众多非线性效应中,由于受激布里渊 散射(SBS)效应的阈值最低,且产生了与入射光场 频率不同的新光场,故对光纤水听器系统而言,影 响最大的即是受激布里渊散射效应.SBS[1是指入 射的强激光场与介质电致伸缩产生的弹性声波场 之间相互作用的一种非线性过程.通过开展抑制此 效应的研究,不仅为可调谐相干光的产生提供一个 新途径,而且可作为一种有效手段来研究各种光纤 系统中的散射特性. 1Michelson干涉型光纤水听器中 的SBS现象 图1是基于Michelson光纤干涉仪的单元光纤 水听器的原理示意图.由激光器发出的激光经 3dB保偏耦合器分为2路,一路构成光纤干涉仪的 传感臂,接受声波的调制,另一路则构成参考臂,提 供参考相位.2束波经后端反射膜反射后返回光纤 耦合器,发生干涉,干涉的光信号经光电探测器转 换为电信号,经过信号处理就可以拾取声波的 信息. \信号臂 广((k l坚:!!!I>反射镜 西耦合器参考臂 圈1Michelson干涉仪基光纤水听器 Fig.1FiberhydrophonebasedonMichelson fiberinterferometer 当光源输入光强不超过某一临界值时,单元系 统工作状态稳定,抗外界干扰能力强;当光强增大到 超过某一临界值时,系统出现不稳定状态,本底白噪 声增大,甚至出现信号不干涉现象.试验测量数据的 时频分析如图2所示.第1图显示系统处于良好状态 下的情形;第2图显示系统本底白噪声增大,开始出 现不稳定迹象;第3图显示系统处于不稳定状态;第 4图则显示系统几乎不发生干涉现象. 图2系统不同状态下数据时频分析(左侧为时域波形图,右侧为频谱图) Fig.2Timeandfrequencyanalysisofsystemdataindifferentstates (Left:timedomainwavefigures;Right:frequencyspectrafigures) 图3和图4是分别用光谱仪和示波器记录的结 果.图3中,光源波长右侧附近出现一新的波长,新 波长相对于光源波长的频移满足SBS频移公式 laB一2nv/(为折射率,为光纤中的声速, 为光源波长);图4表明系统干涉信号发生畸变,而 且本底白噪声加大.由此可推断出在光源输入光强 超过某一临界时,单元系统内发生了SBS,在布里 渊频移处产生了Stokes光,它使系统的干涉信号 变差,相干度降低.图3光谱仪记录 Fig.3Recordofspectralanalyzer ?180?应用光学2008,29(2)李振,等:光隔离器法抑制Michelson干涉型光纤水听器 中的SBS 图4示波器记录 Fig.4Recordofoscilloscope 2SBS理论分析 SBS导致了与泵浦光反向传播的Stokes光的 产生,其阈值定义n为:光纤输出端泵浦光功率与 输入端Stokes光功率相等时的输入端入射泵浦光 功率.通过耦合波方程可推导出SBS阈值公式为 eth=21_『A,K — Avp+一 Av~(1) gBL.eIXVB 式中:为有效纤芯面积;g为SBS峰值增益; L,为有效作用长度;K为偏振因子(1<K<2); Av为SBS增益带宽;Av为泵浦光带宽.对于线 宽极窄的泵浦光(Av《?),上式可简化为 (2) 取一组参数:===1319nrn,口一0.33dB/km, K一1,gB一5×10一nm/W,A===63m,L一 24km,根据(2)式可得Ph一2.4mW.图5为试验 记录的连续泵浦光下,泵浦功率逐渐增大后的透射 光功率和反射光功率的变化情况,横坐标对应入射 光功率,纵坐标对应透射及反射光功率. 输入光功率/dBm 图5透射光功率与反射光功率随泵浦光功率的变化 Fig.5Variationoftransmittedlightand reflectedlightwithpumplight 由图5可看出,在4dBm(2.5mw)处开始发 生SBS,与理论计算基本相符.由(1)式可看出,采 用大的有效纤芯面积,降低纤芯的峰值增益和增大 泵浦光带宽均能提高SBS阈值. 3ISO对SBS抑制的理论分析 由于Stokes光与泵浦光反向传播,且Brillouin 增益被放大,当光纤中插入ISO时,泵浦光同 Stokes光的有效作用长度减少,同时Stokes光被 衰减,Brillouin增益被抑制,从而提高了SBS的阈 值L3.考虑如图6所示情况下ISO对SBS的抑制效 尸尸尸. z 尸尸.n Isolator 图6光隔离器抑制SBS示意图 Fig.6Schematicdiagramforsuppression ofSBSwithisolators 果,?个ISO将光纤分为?+1段,假设每段光纤 损耗口和Brillouin增益g均相同,则每段光纤的入 射功率为 P—P??exp(一aL)(o,1,…,N一1) (3) 式中:厶(五一0,1,…,?)为每段光纤长度;P 是最初入射光功率.为了简化问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,假设ISO的插 入损耗为0,光隔离度为..,则Stokes光将会被 ISO完全切断,各段光纤的相关作用将不复存在, 于是,SBS阈值为 )一21AK(. ,1,…,?)(4) 一 (一O,1,…,?) (5) 为了抑制SBS的产生,注入每段光纤的功率应 不超过该段的阈值,因此,有 P<Ph()(一0,1,…,N)(6) 亦即 P<筌gmLe(? ~LN)< P?exp(-- ; PNexp(一aL?)exp(一aL?一1)… 应用光学2008,29(2)李振,等:光隔离器法抑制Michelson干涉型光纤水听器中的 SBS?181? exp(--aL)< 假设厶足够长,则exp(一aL.)《1,P.一21AKa/ g,再用递归的方法解方程(3)和(4),可得: …,…? P,一(+1)Po(—O,1,…,?)(8) 传输功率P-?取得最大值时,即(6)式取等号. 由(7)式和(8)式可得出下列结论: 1)SBS阈值提高了?+l倍(?为ISO的个 数). 2)该方法抑制SBS的机制并不依赖Brillouin 增益常数,故该方法能和其他依赖于Brillouin增益 以及调制方式来抑制SBS的方法共同使用;例如, 如果通过合适的调制将SBS阈值提高了.27,加入? ,阈值能进一步提高?+1倍. 个ISO后 3)存在ISO的最佳位置,当ISO的个数确定 后,最佳位置仅依赖于光纤损耗,从另一方面说明 ISO的最佳位置不随光源或调制的改变而改变. 4)根据(7)式可知,越靠近光源输入端,ISO 之间的空间分布距离越小,这是因为越靠近光源输 入端,Brillouin增益越大. 实际中,ISO的插入损耗和隔离度不是理想 的.当隔离度不为C×3时,在一段光纤中产生的 Stokes光通过ISO反向传播到上一段光纤,成为该 段光纤的Stokes种子光,该段光纤的阈值将会降 低到(4)式所示值以下;另外,由于需要增加入射光 功率来补偿ISO带来的非理想插入损耗,故对SBS 的抑制变得不太明显,因此实际中ISO对SBS阈值 的提高要小于理论分析值. 为了解出该情况下的阈值,可对非线性耦合方 程进行数值解.由于SBS是入射的强激光场与介质 的电致伸缩产生的弹性声波场耦合的结果],对于 光纤内部泵浦光和Stokes光功率的时空变化,首 先导出在光波电场的作用下,介质由电致伸缩而产 生的弹性声波场传播方程,以及介质内存在电致伸 缩时光波的传播方程,然后求解光波与弹性波的耦 合波方程,即得出光波和弹性波的时空分布. 描述后向SBS过程的三波耦合非线性动力学 方程组l5]为 8Ap(,f).8Ap(,f) 33:.f 州()(9) 8A(,f).8A(,f) 33:.f 州(州)(10) ++(,,)一——一十——_十L',一 警州(州)+…) 这里.27轴正方向为光纤中入射泵浦光的传播方向, 式中:A,A,A分别是泵浦光,散射光和声波的 振幅,在缓变近似下保留一阶导数;五,五,五.分别 为泵浦光波,散射光波和声波的波矢;是没有 外界光场时介质的初始密度;c是真空中光速;eo 为真空介电常数;为介质的折射率;为电致伸 缩系数;和分别为声速和介质对声波的吸收 系数;f(x,f)为Langevin噪声源项,用来表征介 质密度的热起伏,一般认为,f(x,f)是一高斯随机 变量,满足以下关系: (厂(,f))一O (厂(,t)f(,t))=QS(x-x)8(t--t)(12) 式中Q一2p.rhD(1+n)/v~A,为噪声强度参量,其 中元一[exp(h~2/kT)]_.,为声场中每一模式的平 均声子数,为介质作用区的有效截面面积. 在此采用有限差分法求解耦合波方程组及 边界条件,考虑到泵浦光和声波场沿.27轴正向传 播,Stokes光沿.27轴负向传播,在构造差分格式时 对泵浦光场和声波场进行前向差分,对Stokes光 场进行后向差分,耦合波方程组相应的隐式差分格 式如下: (1+筹)();一();?j一筹();+ iTkp ^())(13) (1+警)();一();{一nfhz_(A)l+ +I(…) (1++)(一(?一(+ 可ieoTko^(p );();+hj+(15) (13),(14)和(15)式中:h和z_分别为空间步长和 时间步长;下标k代表空间序列;匕标i代表时间序 ?182?应用光学2008,29(2)李振,等:光隔离器法抑制Michelson干涉型光纤水听器 中的SBS 列;"为空间节点的最大数.采用"预测一校正"的 方法对上列非线性差分方程组进行求解:第一步, 考虑各波传播的方向,将(A){一,(A)《和 ()l的近似值代入方程右端非线性项中,从而 把非线性方程线性化,求解之;第二步,将第一步得 到的近似解代入非线性方程组,求解得到校正值. 只要给出初始条件及光纤参数,即可由(13), (14)和(15)3个公式求得光纤中各个时刻,各个 位置的入射光,Stokes光和声波的数值大小,进而 解算出插入非理想ISO后的SBS阈值.对于实际的 岸基光纤水听器阵列,其入射光的传输光纤长达几 十千米,因此可在适合位置插入ISO来提高SBS的 阈值.当然,ISO的个数也不是越多越好,只要根据 需要以最少的ISO来达到所需的SBS阈值即可. 4结论 本文根据Michelson干涉型光纤水听器试验 观测NSBS现象,并通过散射理论公式X~SBS进行 了初步研究.对SBS在连续光下的阈值进行了分 析,列举了一些提高阈值的方法,对沿光纤传输方 向的泵浦光,Stokes光和声波的时空分布进行了 差分求解公式的推导,着重讨论了使用ISO对SBS 的抑制,得出只要给定初始条件及光纤参数,即可 由求解公式得出非理想ISO下的SBS阈值情况,同 时也为研究产生可调协相干光和光纤系统中各种 散射提供了借鉴. 参考文献: [1]AGRAWALGP.Nonlinearfiberoptics[M].Bos— ton:AcademicPressInc,1989. 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