通过倾斜光栅抑制光纤中的布里渊散射

封面文章| 封面故事: 田鑫;王蒙;王泽锋. 基于倾斜光纤Bragg光栅的受激布里渊散射滤波器[J].光学学报, 2020, 40(10): 1006002.

光纤作为一种传导光的纤维状介质,通常是由玻璃,塑料甚至是晶体制成的。

它的传输原理一般是光的全反射。

华裔物理学家高锟先生首先提出光纤可以用于通讯传输的设想并不断改良光纤,因此获得2009年诺贝尔物理学奖。


自然界中光的全反射现象

光纤中的受激布里渊散射(SBS)对光纤通信、光纤传感和窄线宽光纤激光器系统有重要的影响。一旦达到SBS阈值,大部分输入光功率将被转化为后向的Stokes光,严重影响光纤通信距离、光纤传感灵敏度和窄线宽光纤激光器的功率提升及系统的稳定性。


光纤中的散射

这抑制SBS的主要方法是提高其阈值。到目前为止,已经提出了多种抑制方法,主要包括通过对激光器进行频率或相位调制以扩展光谱线宽、通过在光纤上施加温度或应力分布以展宽有效布里渊增益谱、采用大模面积光纤或特殊设计的光纤等。但是,还没有一种对于光纤通信、光纤传感和窄线宽光纤激光器系统通用的简单解决方案。

国防科技大学王泽锋教授课题组针对这一问题,首次提出了采用倾斜光纤Bragg光栅(TFBG)来抑制光纤中的SBS,该方法非常简单,与光纤系统具有天然的兼容性,是一种潜在的通用解决途径。


图1 倾斜FBG结构示意图

根据激光工作波长和光纤SBS特性,设计并采用紫外激光加相位掩模板法制备了单模光纤TFBG,搭建了一套简单的1.5 µm波段实验系统,初步验证了TFBG对SBS产生的后向Stokes光具有很强的滤除作用,抑制比达16 dB。

倾斜FBG结构如图1所示。其光栅平面与光纤的切向呈一定倾角θ,所以前向传输的纤芯模不仅会与后向传输的纤芯模发生耦合,也会与后向传输的包层模发生耦合,表现为透射光谱中短波区域会出现许多分立的包层模谐振峰。谐振峰的带宽在0.1 nm量级,与光纤中的SBS频移量基本吻合,因此可将其作为极窄带光纤滤波器滤除后向传输的Stokes光。设计时,必须将信号光波长位于其透射谱通带上,Stokes波长位于谐振峰波谷处以获得最佳滤波效果。

倾斜FBG抑制SBS的原理验证实验系统结构如图2所示。信号光通过环形器2口注入到3.8 km长的通信单模光纤,SBS产生的后向Stokes光通过3口检测。结果表明,TFBG对后向的Stokes光有很强的抑制作用,滤除比达16 dB,同时对系统的输出功率没有影响。


图2 倾斜FBG抑制SBS的原理验证实验系统示意图

目前,虽然TFBG对后向Stokes光的滤波效果得到了验证,但是对光纤系统SBS的真正抑制作用(提升前向传输的激光功率)还需进一步深入研究。同时,我们将通过进一步改善TFBG制备工艺,提升其性能,将其应用到实际的光纤通信、光纤传感以及高功率窄线宽光纤激光器系统中,验证其对SBS的抑制效果。

 

延伸阅读:

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