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洪俊，冯文明，邓元祥，彭志强，许睿韬
（1.湖南工学院，湖南 衡阳 421002；
2.衡阳泰豪通信车辆有限公司，湖南 衡阳 421001）
光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可广泛应用于通信、测量、传感等领域，在信息领域扮演着重要的角色。根据不同的应用范畴，光纤的种类繁多，包括石英光纤、掺氟光纤、红外光纤、复合光纤、塑包光纤、色散位移光纤等，对于不同种类的光纤而言，其电致伸缩能力往往不同，电致伸缩系数是表征电致伸缩能力的重要参数，体现材料沿外电场方向的长度变化能力的大小，是光纤应用中的重要参数，能否对其进行精确测量是光纤应用的重要基础[1-3]。
传统的测量方法主要是通过对光纤施加电场使其长度发生变化，通过构建马赫-曾德尔干涉仪对通过光纤传输的光信号的干涉现象进行分析来测量其电致伸缩系数。其一，传统方法基于光的干涉原理，环境敏感性高且稳定性还有待提高；
其二，传统测量方法在光域完成，光谱分辨率的局限使得其测量精度不高[4，5]。
为克服传统测量方法的不足，我们基于受激布里渊散射效应，采用微波光子技术来对光纤的电致伸缩系数进行测量。在避免相干干涉产生的高环境敏感性、不稳定性的同时，实现测量过程在电域进行，可进一步提高测量精度，具有较好的应用价值。
图1是本文所涉受激布里渊散射简易结构及原理分析图。环形器为非互易器件，按照顺时针方向，左端口输入光信号只能在右端口输出，右端口输入信号只能在下端口输出，下端口输入信号只能从左端口输出，其他传输途径均为禁止。泵浦光（频率为fp）左进右出后进入光纤圈，当光功率足够大、光纤足够长则激发光纤的非线性，产生受激布里渊散射现象。从物理学角度讲，布里渊散射是在介质中传输的光信号被介质材料晶格的声学振动引起的散射。声学振动使光信号发生了多普勒频移，结果产生了新的光信号分量。散射过程是一个非弹性过程，有两种可能的产生形式：在斯托克斯散射过程中，一个光子湮灭，并伴随着一个更低频率的光子和一个声子的产生；
在反斯托克斯散射过程中，一个光子和一个声子的湮灭伴随着一个更高频率的光子的产生。斯托克斯过程发生的可能性更大，其散射光的方向与输入光信号的方向相反，频率要低于泵浦光频率，即fp-fs=fb，其中fs与fb分别为斯托克斯光频率与布里渊频移。根据能量守恒定律，泵浦光转换为斯托克斯光以后其功率降低，并且在斯托克斯光中心频率处产生一放大通带，即所谓的受激布里渊增益谱，其中心频率一般为9～10 GHz，带宽为MHz 数量级；
而在泵浦光中心频率处则产生一衰减通带。根据非线性光学原理已知其放大通带的增益峰值可表示为其中，γe即为待求的光致伸缩系数，n为光纤折射率，λp为泵浦光波长，ρ0为光纤密度，c为光速，Va为声速，ΔνB为增益谱的本征线宽。求解上述公式，不难得出光致伸缩系数除了增益峰值gB与本征线宽ΔνB，其余参数均为常数，即通过求解增益峰值gB与本征线宽ΔνB可得出光纤的光致伸缩系数γe的值。
图1 受激布里渊散射简易结构及原理分析图
图2是基于受激布里渊散射放大器简易结构及原理分析图。基于图1受激布里渊散射效应分析，通过泵浦光输入光纤圈后激发光纤的受激布里渊非线性，在泵浦光左频移fb处产生一放大增益区，当反向入射光（频率为fin）从右至左通过光纤圈，该光纤圈等效为“窄带带通滤波器”与“窄带放大器”组合，实现窄带滤波的同时可对其通带内信号实现放大，最终通过环形器右端口输入下端口输出，其输出信号频率为fout，其中fin=fout，且fp-fin=fb。
图2 基于受激布里渊散射放大器简易结构及原理分析图
图3是本发明所涉微波扫频原理分析图。如图所示，上层链路“载波光信号”与中层链路的“泵浦光信号”同源于“电源供给模块”，两者同频，即f0=fp，即图中显示的严格对准。当上层链路的调制微波信号（频率fm）对载波进行相位调制的时候，如果仅仅考虑一阶边带（负一阶边带与一阶边带频率分别为f-1与f1），根据调制原理可得负一阶边带频率与载波频率关系fm=f0-f-1，如果调制微波频率在布里渊频移附近，则被放大，即通过连续调节微波调制信号频率实现了负一阶边带的光频的连续变化，实现了从电域微波扫频到光域边带扫频的过渡，即完成了受激布里渊散射增益谱特征的成功提取。光域放大通带的特征提取通过探测器的包络检波后实现解调，最终在电域得到体现，具体而言：上层链路的微波扫频信号对光载波进行相位调制，已调光信号通过待测光纤后其负一阶边带位于布里渊放大通带内进而被放大，而一阶边带被抑制，故两者“幅度相等相位相差π”的关系被打破（幅度不等），进而使得该信号通过探测器进行包络检波后可还原调制微波信号，即通过调谐微波信号频率呈现了受激布里渊增益谱的放大通带特征；
同时，下层链路的“参考光信号”用于补偿上层链路的载波损耗，可有效提高探测器输出的微波功率值。通过微波扫频，根据“光域3 dB 带宽对应电域6 dB 带宽”的原则（平方律检波原理），如最大增益对应频率为fmax，下降到四分之一最大增益处对应的频率为f-6dB，则求得受激布里渊增益谱的本征线宽ΔνB值为ΔνB=2|fmax-f-6dB|，即通过读取信号分析器的fmax与f-6dB 的值求解得到ΔνB。
图3 微波扫频原理分析图
图4是本发文所涉测量装置结构图。“光源供给模块”用于提供单频点信号光源并将光信号分流为“载波光信号”“泵浦光信号”与“参考光信号”，并分别注入“测试主体模块”的上、中、下三层链路。上层链路的功能在于实现相位调制，进而完成从微波扫频到光扫频的转换；
中层链路在于实现受激布里渊散射效应，激发增益谱，便于求解增益峰值gB与本征线宽ΔνB；
下层链路主要承载“参考光信号”，为“信号处理模块”提供参考光信号[6]。
图4 测量装置结构图
具体而言，本装置在实施过程中分三步进行：
第一步：断开上层链路，中、下层链路联合工作，旨在求解增益峰值gB的同时确定布里渊频移fb；
第二步：联通上层链路，实现上、中、下三层链路联合工作，旨在求解本征线宽ΔνB值；
第三步：已知增益峰值gB与本征线宽ΔνB最终求解光纤的光致伸缩系数γe。
执行第一步的具体过程与原理如下：
由“光源供给模块”提供的“泵浦光信号”进入中层链路后通过放大器被放大后进入可调光衰减器进行功率调谐，然后通过环形器进入待测光纤中激发非线性，产生受激布里渊散射，斯托克斯光反向传送至环形器右端口后经下端口与下层的“参考光信号”同时进入耦合器2，两相干光信号通过探测器“拍频”后还原成电信号，然后通过窄带滤波器滤波后进入信号分析器实现频谱与功率分析，获取增益峰值gB与布里渊频移fb。具体而言：结合图1标记，令环形器左端标记为A1，代表进入环形器的泵浦光幅度；
环形器下端标记为A2，代表反向传输的斯托克斯光通过光纤与环形器后的光幅度；
待测光纤尾端为A3，代表反向传输的斯托克斯光在光纤末端（即反向传输起点）的幅度；
下层光路为A4，代表“参考光信号”的幅度。为方便理论推导与建模，忽略环形器的插入损耗（工程应用中可通过“校准”来扣除），那么：A1即为进入待测光纤的泵浦光幅值，A3即为反向传输的斯托克斯光信号幅值，增益峰值A1与A4可直接通过光功率计测得，即为已知值；
A2与A3不能直接测得，为未知值（需要补充说明的是，环形器下端的光谱较为复杂，而A2仅为斯托克斯光幅值，故不能直接测得）。
求解增益峰值gB的过程如下。设进入耦合器2 的“参考光信号”为斯托克斯光信号为，ωp与ωs分别为“参考光信号”与斯托克斯光信号的角频率，且ωp=2πfp，ωs=2πfs。两光信号通过探测器拍频后进行“包络检波”，最终还原成电信号，其输出信号的电流Ip=ρ|E2+E4|2，求解得其中ρ为探测器的响应度，ωb为布里渊频移角频率，其值为ωb=2πfb=ωp-ωs。通过窄带滤波器后输出信号电流值为I=2ρA2A4cosωbt。通过信号分析器最终读取其输出信号频率fb以及输出信号功率pout。而根据I0为信号的有效电流，可求解得pout=2（ρA2A4）2R。设光纤长度为l，损耗系数为α，可得出最终可根据测量的功率值求得A3的值为而进而可得出：最终得出增益峰值gB的值。
执行第二步的具体过程与原理如下：联通上层链路，让三层链路同时工作。如上文所述，中层链路构建受激布里渊散射架构，激发待测光纤的布里渊增益谱，只要通信光信号的频率位于增益谱的通带内，该信号即被放大，带通外的信号被抑制。上层链路构建了相位调制架构，通过调谐调制微波频率来改变调制后光信号边带的波长，实现从微波扫频到光波扫频的过渡。
在执行第三步时，基于第一、二步获取增益峰值gB与本征线宽ΔνB值，根据公式最终可求得光纤的光致伸缩系数γe。
本文基于光纤的受激布里渊散射效应对电致伸缩系数进行理论建模，得出其与受激布里渊增益谱的峰值增益与本征线宽之间的关系，然后基于包络检波技术来求解峰值增益并确定布里渊频移值，再利用相位调制—直接解调链路，通过微波扫频确定受激布里渊增益谱的本征线宽，最后根据峰值增益与本征线宽计算得出待测光纤的电致伸缩系数值。与传统方法不同，本装置是基于受激布里渊散射效应，采用微波光子技术来对光纤的电致伸缩系数进行测量，测量过程在电域进行，在避免光学相干产生的高环境敏感性、不稳定性的同时，利用了电域频谱分析的高精度性，从而进一步提高了测量精度，具有较好的应用价值。
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