光纤中前向受激布里渊效应调控及应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文

摘要

受激布里渊散射是光纤中一类重要的非线性效应，在前向和后向均可能发生。前

向受激布里渊散射（FSBS）由于其涉及的横向声波场的物理特性，在温度应变传感、

声阻抗传感、光纤直径测量、微波信号发生等领域有着广泛的应用。对前向受激布里

渊散射的增益谱特性进行调控，以提升应用时的性能，成为当前的研究热点。本论文

从光纤中FSBS效应的作用机理出发，通过对光纤材料和结构的优化设计，实现其增

益谱的调控。论文主要内容如下：

（1）分析了前向布里渊散射效应的物理过程，研究了描述声光模激励、耦合与布

里渊增益谱形状关系的模式本征方程和描述三波互作用的耦合振幅方程，给出了模式

本征方程的数值求解方法。

2FSBS

（）提出了一种光纤中增益谱调控方法，分析了光纤几何结构、掺杂类型

和掺杂浓度对其增益谱的影响。针对温度传感应用需求，设计了一种锗氟共掺双包层

光纤。仿真结果表明：当光纤的纤芯半径2μm，纤芯掺锗浓度12mol%，外包层掺氟

浓度2mol%，内包层直径4μm，内包层掺氟浓度2.1mol%时，该光纤的FSBS增益谱

中的R0,12声模对应增益系数较大且温度特性较好，对应温度系数为61.92kHz/℃。

（3）搭建了基于Sagnac环的FSBS增益谱测试系统，研究了锗氟共掺双包层光纤

的增益谱特性。在此基础上，构建了基于该光纤的温度传感系统。实验结果表明：当

光纤长度为1km，泵浦功率为9.4dBm时，R模的温度系数为60.50kHz/℃，是使

0,13

用长飞G.652D光纤时R模对应温度系数（32.24kHz/℃）的1.87倍。实验结果与仿

0,7

真分析吻合较好。

关键词：前向受激布里渊散射；模式激励与耦合；布里渊增益谱；温度传感

I

华中科技大学硕士学位论文

Abstract

Asanimportantnonlineareffectinopticalfibers,StimulatedBrillouinscatteringcan

occurinbothforwardandbackwarddirection.Duetothephysicalpropertiesofthe

transverseacousticfieldinvolved,ForwardstimulatedBrillouinscattering(FSBS)iswidely

appliedintemperaturesensing,strainsensing,acousticimpedancesensing,opticalfiber

diametermeasurementandmicrowavesignalgeneration.ManipulationoftheFSBS

spectrum,whichimprovetheperformanceinthecorrespondingapplications,hasdrawn

extensiveattention.BasedonthebasictheoryofFSBS,thisdissertationfocusesonthe

manipulationoftheFSBSspectrumbymeansofoptimizatingthefibermaterialand

structure.Themaincontentsofthisthesisareasfollows:

(1)ThephysicalprocessofforwardstimulatedBrillouinscatteringeffectisanalized.

Thenthemathematicalmodelofthetailoringeffectsoftheexcitati