基于受激布里渊散射的光滤波器

刘紫娟，张启文，侯 健，田文艳

（1.山西工程职业学院，山西 太原 030009；2.中国移动通信集团山西有限公司太原分公司，山西 太原 030012；3.太原科技大学，山西 太原 030024）

0 引 言

1964年，受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）被首次发现并命名[1]。此后，SBS应用于光纤传感器、光时域分析仪、光纤激光器、放大器、滤波器等领域[2-6]。上述研究都基于SBS低阈值、高增益以及对环境因素较为敏感等诸多特性。但是，光纤双折射率、泵浦光和信号光偏振态（States of Polarization, SOP）对SBS的众多特性有显著影响。然而，多数关于SBS的讨论仅局限于对SOP分布的统计平均，忽略了其实际的演变过程[7-9]。

在2017年，Wang等人[10]对光纤中SBS信号偏振特性进行了研究，并得出了相关的传播方程。基于上述理论，本文结合其高增益的优良特性，根据泵浦光SOP对信号光SOP的牵引与发散作用，提出了一种偏振滤波的思路。

1 原 理

SBS是由泵浦光、信号光以及声频声子相互作用而形成的一种光学非线性效应。泵浦光入射到介质，因电致伸缩效应，对介质的折射率和介电常数产生周期性调制作用，激发出声频声子，从而形成移动的布拉格光栅。入射泵浦光通过声波场后，在某些特定方向产生散射光。当由感应生成的布拉格光栅的光栅常数d与泵浦光频率ωp、布拉格光栅移动速度vg与声频声子传播速度va相匹配时，产生最大斯托克斯光。

当信号光与泵浦光分别从光纤的右端（z=L处）和左端（z=0处）注入，如图1所示。

图1 单模光纤中泵浦光和信号光的传输示意图

图1中T（z）为光纤从z=0到z处的琼斯矩阵；Ep、Es为泵浦光与信号光的偏振态；ρ为声波矢量。如果泵浦光强度大于SBS的阈值，就会激发SBS。在不考虑光纤损耗情况下，根据连续稳定的泵浦光和信号光及声波间相互作用，可将单模光纤中SBS传输强度和SOP向量的传播方程总结为[10]：

式（1）和式（2）是泵浦光和信号光传输方程。式（3）和式（4）描述泵浦光和信号光SOP演变，其中第一项为双折射引起的SOP演变，第二、三项为SBS引起的SOP变化。

图2 频率分量ξ的信号光所受牵引力的方向

图3 信号光所受牵引力随·和ξ的变化

2 实验结果与分析

根据实验需求搭建实验平台，实验系统如图4所示。图中：Laser为可调谐激光器；EDFA为掺铒光纤放大器；Coupler为3 dB耦合器；PC为偏振控制器；EOM为电光调制器；RF为电信号发生器；Circulator为环形器；FBG为布拉格光栅；Fiber为待测标准单模光纤；Polarizer为检偏波片；PSA为偏振分析仪。

图4 实验系统图

光源信号的中心波长为1 553.887 nm，经过EDFA后被放大。由3 dB耦合器分为两路，上路作为信号光，下路作为泵浦光。上路中PC1、EOM和RF对光信号进行调制，使其变成光频率为v±vB的调制光信号，并由环形器1的3端口注入待测光纤中。通过PC3来控制信号光的SOP，下路中通过PC2来改变泵浦光的SOP。信号光和泵浦光在待测光纤中产生SBS效益，并由环形器2的3端口输出。通过PC4、Polarizer和PSA来检测并记录输出信号的SOP和输出功率。

通过调节PC1，对EOM的输出信号进行调节，使得频率v处的分量小，频率v±vB处的分量最大。通过调节PC2和PC3，分别对泵浦光和信号光的SOP进行调节，使得SBS增益达到最大。通过调节PC4来调节输出扫频信号在庞加莱球上的位置，使其与检偏平面尽量一致。通过PSA来记录扫频信号的SOP与光谱的变化，可得出如下结果。图5（a）中较粗的黑线为未引入检偏波片时输出信号SOP的变化情况，各个孤立点为引入检偏波片后输出信号SOP。其中L90表示第一个检偏点。检偏波片每顺时针旋转15°进行一次测量，对应的输出光谱如图5（b）所示。对比分析检偏角度与输出信号功率谱，可知每个SOP的输出信号光谱都能找到另一个SOP的输出信号光谱与之关于原始输出信号的中心波长对称。图5（c）表示各个检偏角度下输出信号的光谱。可以看出，输出光谱的中心波长会随着检偏波片的旋转角度而发生偏移，存在关于原始信号中心波长对称的峰值与谷值。图5（d）表示不同旋转角度下输出信号峰值波长相对于原始信号中心波长的偏移。

图5 实验结果

3 结 语

本文主要对受激布里渊散射的偏振特性进行了研究。结合其高增益、低阈值以及对环境因素较为敏感等优良特性，根据泵浦光SOP对信号光SOP的牵引与发散作用，提出了一种偏振滤波的思路。通过实验发现，输出信号的峰值频率会随着检偏器角度的改变而近似线性变化。