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光纤水听器阵列超远程光传输低噪声光放大链关键技术研究

曹春燕  
【摘要】:随着光纤水听器技术的日趋成熟以及应用需求的不断提升,水听器阵列的规模不断扩大,传输距离也随之扩展至几百甚至上千公里。与此同时,远程光传输和模拟光放大链引入的各种线性和非线性噪声逐步显现。这些噪声在光纤链路上持续累积,并在各级放大器中不断放大,已经成为了限制远程传输距离的重要因素。论文以此为背景,在国内首次开展了光纤水听器超远程光传输的低噪声阵列技术研究,探讨了远程系统各种噪声的基本特性,建立了评估模拟光传输和光放大链噪声的有效手段。通过对单次瑞利散射(RB)、双重瑞利散射(DRS)、多级级联光放大噪声、光纤传输扰动噪声、受激布里渊散射(SBS)以及四波混频(FWM)等十余种远程噪声的综合抑制,研制了一套低噪声的400km往返传输时/波分混合复用阵列,实测的系统本底噪声仅为-97d B@1k Hz(re 1rad/sqrt(Hz))。论文主要的内容及结论如下:(1)系统地研究了使用超窄线宽激光光源的水听器远程系统中,相干DRS引入的强度及相位噪声特性。提出利用相位产生载波(PGC)调制解调方案抑制DRS噪声的方案,并在实验中获得了20d B以上噪声抑制效果。探讨了激光器佛克脱(Voigt)线型决定DRS相位噪声频谱的物理机制,得到了适当增加激光器线宽可减小DRS引入的低频相位噪声的结论。该结论为水听器远程系统用光源的选择提供了依据。在100km远程传输实验中,使用Voigt线宽约12.5k Hz的半导体激光器,并结合PGC调制解调方案,消除了DRS相位噪声对水听器系统的影响,提升了远程传输距离。(2)针对采用PGC方案的远程水听器系统,研究了光放大强度噪声—相位噪声的转换关系,获得了解调后的相位噪声幅度比强度噪声增加约3.5d B的结论。引入强度噪声解调转换系数和宽带采样混叠因子两个参量,建立了完整的光放大等效相位噪声模型,为评估光纤水听器超远程传输的放大链路噪声性能提供了有效手段。(3)基于100km无中继往返传输的水听器系统,设计了低噪声的拉曼/掺铒光纤(FEA/EDFA)混合放大模块,对极弱光高增益放大时产生的强背景噪声进行了抑制。实验结果表明,FRA/EDFA混合放大相比EDFA单独放大的相位噪声降低了~8d B,系统的总噪声降至-104.2d B。(4)基于400km往返传输的超远程水听器系统,综合考虑光电信号处理、时分复用(TDM)阵列以及传输链路等系统参数对级联光放大噪声的影响,研制了低噪声的9级级联光放大链路。实验结果表明,光放大链产生的相位噪声仅为-106.2d B,系统总噪声在-97.2d B~-99.0d B(@1k Hz~14k Hz)之间。该结果为光纤水听器超远程传输的光放大链路方案设计提供了实验依据。(5)将自适应噪声对消方案引入光纤水听器远程系统,对扰动传输光纤带来的相关噪声进行了滤除。实验结果表明,对于传输光纤中连续的大幅度相位调制噪声以及冲击光纤产生的随机偏振噪声,分别使用归一化最小均方误差(NLMS)算法和递归最小二乘(RLS)算法可将其有效滤除,并且噪声抑制幅度达20d B。实验同时证明,自适应噪声消除的结果明显优于常规的噪声相减法对传输噪声的抑制效果。(6)在远程噪声综合抑制的基础上,设计了高性能的光电信号处理系统以提升远程阵列返回信号的解调稳定性,完成了一套400km往返传输的8T×2W复用阵列。该阵列的平均噪声在-97d B@1k Hz,TDM平均串扰在-61d B~-75d B之间;WDM串扰平均值优于-73d B;TDM和WDM阵列的波形相关系数在0.98~0.99之间。经400km传输后,除噪声略微增加外,系统的综合性能与短程系统相当。这标志着研制的水听器超远程传输阵列综合性能已达到较高水平,具备了从实验室迈向工程应用的基础。


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