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光纤水听器远程系统非线性串扰抑制.docx
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光纤水听器远程系统非线性串扰抑制.docx
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摘要
在采用密集波分复用(DWDM)与时分复用(TDM)结构的光纤水听器(OFH)远程传输
系统中,非线性波长串扰是制约其传输距离和探测性能的关键因素之一。理论及仿真研究
了多波长高峰值功率注入条件下,远程光纤中受激拉曼散射(SRS)导致的波长功率转移
及非线性串扰问题,并提出一种基于波长错峰发射的串扰抑制结构。16DWDM×8TDM 的
OFH 远程传输对比实验结果表明,经错峰后的 100 km 传输系统中,各波长光功率不均衡
性相比未错峰前降低 9.7 dB;受串扰影响最大的波长 1 和波长 16 对应 OFH 通道的相位噪
声分别下降 20.0 dB 和 10.5 dB,达到-97.0 dB 和-96.5 dB 的低噪声水平,由此验证了错
峰光发射结构的有效性。该研究可为光纤水听器远程传输系统的光发射及链路设计提供重
要参考。
Abstract
Nonlinear wavelength crosstalk is one of the key factors which restrict transmission
distance and detection performance of remotely interrogated optical fiber hydrophone
(OFH) systems with dense wavelength division multiplexed (DWDM) and time division
multiplexed (TDM) structures. In this paper, wavelength power conversion and nonlinear
crosstalk problems caused by stimulated Raman scattering (SRS) under the condition of
multi-wavelength and high peak power injection are analyzed theoretically and simulated.
And a crosstalk suppression structure based on wavelength-staggered emission is
proposed. Experimental results of the remotely interrogated 16DWDM×8TDM OFH
system show that with this wavelength-staggered scheme, the wavelength optical power
imbalance after 100 km transmission is reduced by 9.7 dB compared with the original
scheme, and phase noises of the hydrophone channels associated with the wavelength 1
and wavelength 16, which are most affected by the crosstalk, are reduced by 20.0 dB
and 10.5 dB, respectively, to the level of -97.0 dB and -96.5 dB. So the results verify the
validity of the wavelength-staggered structure. The study can provide an important
reference for the design of the optical emission and transmission links of remotely
interrogated OFH systems.
1 引言
光纤水听器
[1-2]
广泛应用于海洋声学探测、海底地震勘探和周界安防等领域,其中海底固
定式阵列
[3]
系统以其远离舰船自噪声、可长期值守等优点成为了水听器的重要应用。固定
式水听器系统通常由大规模密集波分复用(DWDM)与时分复用(TDM)阵列组成,并采
用全光纤无中继传输模式以实现探测距离的低成本、高可靠性有效拓展。为补偿远程传输
及大规模阵列带来的巨大光学损耗,密集复用光发射机的输出光功率需要达到较高阈值。
但高峰值功率的多波长脉冲光在远程光纤中传输时极易产生各类非线性效应,导致系统传
输距离受限和探测性能降低。
针对光纤水听器远程传输系统非线性噪声问题,已有研究基于程差匹配相位调制
[4]
、倾斜
光纤布拉格光栅滤波
[5-6]
等方法实现了受激布里渊散射(SBS)的抑制,基于相干种子光
注入相位调制
[7]
方法提高了调制不稳定性(MI)阈值,采用控制注入光功率、增大波分
复用间隔
[8]
等手段将四波混频(FWM)降至一定水平。以上效应得到控制后,多波长高
峰值功率传输下 SRS 引入的波长串扰及噪声问题逐步凸显。针对 DWDM 系统的 SRS 串
扰问题,光通信领域研究人员已有较多研究。文献[9]分析了 SRS 串扰导致的光强度噪
声及其对品质因子 Q 值的影响;文献[10]给出了放大自发辐射(ASE)噪声和拉曼放大
串扰对误码率的影响;文献[11-12]分析了窄带和宽带 DWDM 光通信系统中 SRS 引起
的功率消耗及波长倾斜问题。另有文献采用具有负增益斜率的集中式拉曼光放大器
[13]
在
1.571~1.591 μm 波段实现了拉曼串扰补偿,还有研究采用波长变换技术
[14]
实现了
DWDM 通信系统中 SRS 串扰的抑制。对于高灵敏相位检测的光纤水听器远程系统,其
SRS 串扰特性及噪声抑制方法与光通信系统有本质区别,但未见相关报道。
本文首先理论及仿真分析了密集复用的光纤水听器远程传输系统中,非线性波长串扰的产
生机理及传输特性,然后提出一种基于对称梯形结构的延时匹配错峰光发射方案,对其结
构参数及串扰抑制进行阐述。最后通过 16DWDM×8TDM(16W×8T)的 100 km 传输系统
的对比实验,验证了错峰结构对 SRS、FWM 等非线性波长串扰以及水听器相位噪声抑制
的有效性。
2 串扰特性分析
2.1 理论分析
N 重波分与 M 重时分混合复用的光纤水听器远程传输系统典型结构如图 1 所示。图中 N
路等间隔的超窄线宽激光器(laser
1
~laser
N
)经波分复用器(MUX)合波后接入相位调制
器(PM),声光调制器(AOM)将连续光斩波为脉冲光序列。根据光纤水听器检测带宽
及 TDM 复用需求,脉冲序列占空比小于等于 1/M,重复频率通常在几百 kHz,脉冲宽度
为几百 ns。为补偿后续远程传输及大规模复用阵列带来的巨大光学损耗,掺铒光纤放大器
(EDFA)输出高功率的复用脉冲光并将其注入下行传输光纤。N×M 重复用阵列传感后的
干涉脉冲光由上行光纤传输至光接收机,依次经解波分复用(DMUX)、光电转化
(D
1
~D
N
)、模数转换(A/D
1
~A/D
N
)及阵列相位解调后,可获得水下声场或地震场的阵列
传感信息。
图 1. 密集复用光纤水听器远程传输系统典型结构
Fig. 1. Typical structure of densely multiplexed and remotely intergraded OFH system
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上述结构中,通过相位调制、控制注入光功率等方式可将 SBS 和 MI 控制在阈值之下。由
于各超窄线宽复用光源之间很难做到完全等间距,FWM 产生的拍频噪声大部分也可被探
测器滤除,因此 SRS 成为系统最主要的非线性噪声来源。考虑 SRS 最严重的情形,令 C
波段内有同偏振的 N 波长脉冲光同步在长度为 L 的下行光纤中传输,相邻波长间隔为 Δf,
发生光功率交换的短波长 λ
i
(i 的取值范围为 1~N-1)与长波长 λ
j
(j 的取值范围为 2~N)
之间的频率间隔为 Δf
ij
=Δf(j-i),j>i 且 Δf
ij
>0。在稳态条件下,准连续脉冲光沿光纤的功
率分布包络可等效为平均功率为脉冲峰值功率时连续光的功率分布,并可用连续光的模型
去近似脉冲光的情形
[15]
。因此各波长脉冲光的拉曼增益及损耗可以用以下耦合模方程
[11]
表示为
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪dIj(z)dz=∑i=1j−1gijIiIj−αjIjdIi(z)dz=−λjλi∑j=i+1NgijIjIi−αiIidIjzdz
=∑i=1j-1gijIiIj-αjIjdIizdz=-λjλi∑j=i+1NgijIjIi-αiIi,(1)
式中:g
ij
为由泵浦光(λ
i
)引起斯托克斯光(λ
j
)的增益系数;I
i
和 I
j
分别为 λ
i
和 λ
j
的光
强;α
i
和 α
j
为光纤传输损耗,可统一为 α。令 g
r
为单模光纤传输的拉曼峰值增益系数,g
shift
为拉曼峰值增益频移,由于 Δf
ij
≪g
shift
,可用拉曼散射增益谱的三角近似将 g
ij
表示为随 Δf
ij
线性变化的量
[12]
:
gij=Δfijgrgshiftgij=Δfijgrgshift。(2)
式(2)中 g
ij
≪g
r
,因此式(1)可近似为小信号增益,忽略泵浦消耗后,第 i 波长向第 j 波
长的拉曼串扰增益为
Gij=exp(gijPjLeffAeff)Gij=expgijPjLeffAeff,(3)
式中:L
eff
=[1-exp(-αL)]/α 为光纤传输的有效长度;A
eff
为光纤截面积;P
j
为第 j 波长
的光功率。考虑 SRS 过程泵浦光和斯托克斯光束中光子总数不变,发生拉曼串扰且第 i 波
长向第 j 波长功率转移时,第 i 波长的光损耗可近似为
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