液芯光纤中基于受激布里渊散射的微弱光信号超窄带滤波放大

针对布里渊光时域反射分布式光纤传感（BOTDR）、激光雷达等应用中远距离微弱光散射信号探测技术难题，提出了在液芯光纤中利用受激布里渊散射（SBS）技术进行超窄带滤波放大的新途径。该技术具有增益高、带宽窄、灵敏度高等优点，然而严重的抽运光后向放大的自发布里渊散射（ABS）噪声和非均匀增益光谱是限制这一技术实用化的两个关键问题。本项目根据ABS噪声发散角的特点，提出非共线耦合方式提高信号放大率并降低噪声的新方案，合理选择两束光的交叉角并利用液芯光纤的优势，可望实现信号和噪声的完全分离，提高信号信噪比。在此基础上对抽运光进行相位调制，可以获得平顶增益光谱和可调的增益带宽，使微弱光信号在无失真、低噪声条件下高增益放大。期望获得最小可放大信号能量小于0.1pJ，信噪比大于100，双级放大率大于十亿倍；平顶增益光谱带宽调整范围：50MHz-1GHz，放大的Stokes光和瑞利散射光强度比达一千以上。

本项目以远距离微弱光散射信号的探测为应用背景，提出了在液芯光纤中利用受激布里渊散射（SBS）技术进行高放大率低噪声窄带滤波放大的新途径，重点解决了泵浦激光后向放大的自发布里渊散射（ABS）噪声和非均匀布里渊增益谱两个关键问题。..考虑放大器内分布式噪声和信号光的竞争，建立了包含分布式噪声的瞬态非共线布里渊放大理论模型，数值模拟了放大器的信噪比、灵敏度及信号放大率等性能随各种物理参数（包括信号光强度、延迟时间、指数增益等）的变化规律，获得了优化性能参数的条件，并在实验上进行了验证。为了消除ABS噪声，进一步提高放大器的信号放大率、信噪比等性能，提出了双级非共线布里渊放大的实验方案，从理论及实验上证明了其可行性，给出了实现高性能放大的设计原则。通过合理选择两束光的交叉角并采用瞬态布里渊放大器的最佳工作条件，有效实现了信号和噪声的完全分离，大幅度提高了信号放大率和信噪比。以二硫化碳为放大器介质，分别对0.055pJ和4pJ的输入信号光进行了放大，获得了60亿倍双级放大率和130万倍单级放大率，信噪比均为100以上。..提出了在二硫化碳/四氯化碳混合介质液芯光纤中利用多线泵浦调制技术实现带宽可控平顶布里渊增益谱的方法。利用单频和多频相位调制泵浦光产生布里渊增益谱的理论模型，模拟了泵浦光谱线间距、谱线强度和芯液介质混合比对布里渊增益谱的影响，得到了带宽可控平顶增益谱的条件，并对理论结果进行了实验验证。结果表明， 采用一个强度或相位调制器，基于单频和多频调制技术产生2-9条泵浦光谱线，通过控制谱线间距和各谱线强度比，并改变二硫化碳体积分数，实验获得了增益带宽在50MHz-1GHz范围内可控的平顶增益谱。在此基础上，同时实现了输入信号脉冲和光谱的低畸变滤波放大。..该项目研究成果可广泛应用于强背景场微弱光信号高灵敏探测系统中、并和现有通信系统良好兼容，在光纤传感、密波分复用通信网络、微波光子信号处理系统及光放大器中有望发挥重要作用。