光纖水聽器陣列遠(yuǎn)程遙泵技術(shù)研究

張紅 王巍 李東明 葛輝良

（第七一五研究所，杭州，310023）

光纖水聽器是以光纖為信號(hào)傳感和傳輸介質(zhì)的新一代水聲傳感器，可高靈敏度地探測海洋聲場信息，并通過復(fù)雜的水聲信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測、海洋聲場環(huán)境監(jiān)測等功能。與傳統(tǒng)的壓電探測器系統(tǒng)相比，干涉型水聽器具有靈敏度高、抗電磁干擾和信號(hào)串?dāng)_能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍大、體積小、重量輕和適裝性好等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。更重要的是，結(jié)合現(xiàn)有的光纖通信技術(shù)，光纖水聽器可以方便地組建各種水下光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，從而為解決水聲探測和海洋能源勘探等大范圍應(yīng)用的問題提供理想的技術(shù)途徑[5]。目前采用光纖水聽器陣列是國內(nèi)外水下聲監(jiān)視系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。但是當(dāng)光纖水聽器陣列離岸遠(yuǎn)程布放時(shí)，長距離傳輸光纖將引入較大固有光損耗，使光纖水聽器陣列回傳光信號(hào)到達(dá)干端接收機(jī)時(shí)功率很低，影響接收機(jī)性能。本文開展遠(yuǎn)程遙泵仿真研究[6]，分析光纖水聽器陣列遠(yuǎn)程遙泵系統(tǒng)中增益單元（Remote Gain Unit，RGU）的增益與噪聲指數(shù)對(duì)水聽器系統(tǒng)輸出信噪比的影響，優(yōu)化增益單元結(jié)構(gòu)和增益介質(zhì)參數(shù)。

1 遠(yuǎn)程遙泵系統(tǒng)分析及仿真

遠(yuǎn)程遙泵結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。光發(fā)射機(jī)發(fā)出的光經(jīng)過功放后，通過傳輸光纖進(jìn)入陣列，功放用于補(bǔ)償發(fā)射機(jī)中各器件的損耗和提高進(jìn)入下行傳輸光纖的光功率，在光纖水聽器陣列返回端加入遙泵RGU[6]。上行傳輸光纖采用通信光纜常用的單模G652D光纖，該光纖對(duì)1 480 nm光的典型損耗為 0.22 dB/km，對(duì) 980 nm光的典型損耗為約 3 dB/km。在相同光纖長度下，980 nm的損耗遠(yuǎn)大于1 480 nm的損耗，為了使遙泵RGU獲得較大的輸入泵浦光，遙泵泵浦源采用1 480 nm波長光源。拉曼放大器和光前置放大器對(duì)遙泵放大的輸出光進(jìn)行放大，以達(dá)到接收機(jī)探測器需求。

圖1 遠(yuǎn)程遙泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

采用系統(tǒng)最后輸出光的信噪比（Optical Signal to Noise Ratio，OSNR）來分析系統(tǒng)的整體性能，系統(tǒng)輸出端光信噪比為[7]：

式中，F(xiàn)sys為系統(tǒng)等效噪聲指數(shù)，G總為級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的總增益，對(duì)于該遙泵系統(tǒng)，G總表示為：

式中，GB為功率放大器的增益，T1為RGU前端下行光纖線路的傳輸損耗，G為RGU的增益，T2為RGU后端上行光纖線路的傳輸損耗，GR為拉曼放大的增益，GP為前置放大器的增益，等效噪聲指數(shù)Fsys可由級(jí)聯(lián)系統(tǒng)等效噪聲指數(shù)的計(jì)算公式得出：

式中，NFB、NF、NFR、NFP分別是功率放大器、RGU、拉曼放大、前置放大器的噪聲指數(shù)。

本文主要研究遙泵系統(tǒng)中 RGU的影響，綜合式（1）、（2）、（3），分析OSNRout與 RGU 之間的關(guān)系。設(shè)置Pin=-12 dB·m，GB=20 dB，NFB=4.5 dB，NF=6 dB，NFR=-3 dB，NFP=5 dB，GR=15 dB，GP=20 dB，T1=20 dB，T2=20 dB，RGU 增益范圍G=0~30 dB，仿真得到的光信噪比與RGU增益關(guān)系曲線，見圖2。圖3是仿真得到光信噪比與RGU噪聲指數(shù)關(guān)系曲線，RGU噪聲指數(shù)范圍為NF=3~8 dB，G=10 dB，其它參數(shù)設(shè)置同圖2。

圖2 RGU增益與系統(tǒng)OSNR的關(guān)系曲線

圖3 RGU噪聲指數(shù)與系統(tǒng)OSNR的關(guān)系曲線

由圖2和圖3可知，在遙泵系統(tǒng)中，當(dāng)RGU的增益到達(dá)一定的值后，增益的提高對(duì)系統(tǒng)的OSNR的改善不是非常明顯，存在一個(gè)最佳增益。RGU噪聲指數(shù)的改變對(duì)系統(tǒng)的OSNR改善較為明顯，因此在設(shè)計(jì)RGU時(shí)，在增益變化不大的情況下，應(yīng)該優(yōu)先選擇低噪聲指數(shù)的RGU光路。

2 RGU參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

RGU增益和噪聲指數(shù)主要受泵浦光功率和摻鉺光纖（Er-Doped Fiber，EDF）的長度影響，本試驗(yàn)重點(diǎn)研究這兩個(gè)參數(shù)對(duì)信號(hào)光放大的影響。信號(hào)光經(jīng)過傳輸光纖之后，RGU的輸入信號(hào)光為小信號(hào)且泵浦光功率較低。為實(shí)現(xiàn)高增益和低噪聲，盡量選取低濃度、小模場直徑和高數(shù)值孔徑的摻鉺光纖，本試驗(yàn)選取吸收系數(shù)為 1.2 dB/m@1 550 nm的EDF。

根據(jù)前期試驗(yàn)，由于受激布里淵閾值的限制，1 480 nm泵浦光經(jīng)過 100 km單模光纖傳輸進(jìn)入RGU時(shí)的最大光功率為7.22 dB·m。同時(shí)為了進(jìn)一步降低 RGU噪聲，采用雙波分對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖 4所示，該結(jié)構(gòu)使泵浦光輸入鉺纖時(shí)的方向與信號(hào)光傳輸方向相同。

圖4 RGU雙波分對(duì)稱結(jié)構(gòu)圖

1 480 nm泵浦光通過兩個(gè)1 480/1 550波分復(fù)用器和一段增益光纖形成遙泵RGU，摻鉺光纖(EDF)為單元增益介質(zhì)，通過吸收1 480泵浦光對(duì)1 550波段信號(hào)光進(jìn)行放大，信號(hào)光波長為1 558.17 nm，單波長輸入光功率為-35 dB·m。

對(duì)增益單元EDF的長度進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別測試4種不同長度EDF下，RGU的增益和噪聲指數(shù)隨輸入泵浦光功率的變化。4種不同長度分別為8 m、10 m、12 m和14 m，RGU的增益隨泵浦光功率變化如圖5所示，RGU噪聲指數(shù)隨泵浦光功率變化如圖6所示。

由圖5、圖6可知輸入泵浦光功率為7.22 dB·m，長度為12 m時(shí)，RGU的增益為12 dB，噪聲指數(shù)最小為13 dB，此時(shí)RGU的放大性能最優(yōu)。

圖5 RGU的增益隨泵浦光功率變化

圖6 RGU噪聲指數(shù)隨泵浦光功率變化

3 結(jié)論

本文理論和試驗(yàn)分析了光纖水聽器陣列遠(yuǎn)程遙泵系統(tǒng)中增益單元的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)輸出光增益和輸出光信噪比的影響，獲得了該實(shí)驗(yàn)條件下的最優(yōu)放大效果。在應(yīng)用于更遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，可以通過改善摻鉺光纖的吸收系數(shù)等方法獲得更高的信號(hào)增益，后續(xù)將對(duì)此展開相關(guān)研究。