光纤水听器阵列远程遥泵技术研究

张红 王巍 李东明 葛辉良

（第七一五研究所，杭州，310023）

光纤水听器是以光纤为信号传感和传输介质的新一代水声传感器，可高灵敏度地探测海洋声场信息，并通过复杂的水声信号处理实现目标探测、海洋声场环境监测等功能。与传统的压电探测器系统相比，干涉型水听器具有灵敏度高、抗电磁干扰和信号串扰能力强、动态范围大、体积小、重量轻和适装性好等优点[1-4]。更重要的是，结合现有的光纤通信技术，光纤水听器可以方便地组建各种水下光纤传感网络，从而为解决水声探测和海洋能源勘探等大范围应用的问题提供理想的技术途径[5]。目前采用光纤水听器阵列是国内外水下声监视系统的重要发展方向。但是当光纤水听器阵列离岸远程布放时，长距离传输光纤将引入较大固有光损耗，使光纤水听器阵列回传光信号到达干端接收机时功率很低，影响接收机性能。本文开展远程遥泵仿真研究[6]，分析光纤水听器阵列远程遥泵系统中增益单元（Remote Gain Unit，RGU）的增益与噪声指数对水听器系统输出信噪比的影响，优化增益单元结构和增益介质参数。

1 远程遥泵系统分析及仿真

远程遥泵结构示意图如图1所示。光发射机发出的光经过功放后，通过传输光纤进入阵列，功放用于补偿发射机中各器件的损耗和提高进入下行传输光纤的光功率，在光纤水听器阵列返回端加入遥泵RGU[6]。上行传输光纤采用通信光缆常用的单模G652D光纤，该光纤对1 480 nm光的典型损耗为 0.22 dB/km，对 980 nm光的典型损耗为约 3 dB/km。在相同光纤长度下，980 nm的损耗远大于1 480 nm的损耗，为了使遥泵RGU获得较大的输入泵浦光，遥泵泵浦源采用1 480 nm波长光源。拉曼放大器和光前置放大器对遥泵放大的输出光进行放大，以达到接收机探测器需求。

图1 远程遥泵系统结构示意图

采用系统最后输出光的信噪比（Optical Signal to Noise Ratio，OSNR）来分析系统的整体性能，系统输出端光信噪比为[7]：

式中，Fsys为系统等效噪声指数，G总为级联系统的总增益，对于该遥泵系统，G总表示为：

式中，GB为功率放大器的增益，T1为RGU前端下行光纤线路的传输损耗，G为RGU的增益，T2为RGU后端上行光纤线路的传输损耗，GR为拉曼放大的增益，GP为前置放大器的增益，等效噪声指数Fsys可由级联系统等效噪声指数的计算公式得出：

式中，NFB、NF、NFR、NFP分别是功率放大器、RGU、拉曼放大、前置放大器的噪声指数。

本文主要研究遥泵系统中 RGU的影响，综合式（1）、（2）、（3），分析OSNRout与 RGU 之间的关系。设置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 增益范围G=0~30 dB，仿真得到的光信噪比与RGU增益关系曲线，见图2。图3是仿真得到光信噪比与RGU噪声指数关系曲线，RGU噪声指数范围为NF=3~8 dB，G=10 dB，其它参数设置同图2。

图2 RGU增益与系统OSNR的关系曲线

图3 RGU噪声指数与系统OSNR的关系曲线

由图2和图3可知，在遥泵系统中，当RGU的增益到达一定的值后，增益的提高对系统的OSNR的改善不是非常明显，存在一个最佳增益。RGU噪声指数的改变对系统的OSNR改善较为明显，因此在设计RGU时，在增益变化不大的情况下，应该优先选择低噪声指数的RGU光路。

2 RGU参数优化试验

RGU增益和噪声指数主要受泵浦光功率和掺铒光纤（Er-Doped Fiber，EDF）的长度影响，本试验重点研究这两个参数对信号光放大的影响。信号光经过传输光纤之后，RGU的输入信号光为小信号且泵浦光功率较低。为实现高增益和低噪声，尽量选取低浓度、小模场直径和高数值孔径的掺铒光纤，本试验选取吸收系数为 1.2 dB/m@1 550 nm的EDF。

根据前期试验，由于受激布里渊阈值的限制，1 480 nm泵浦光经过 100 km单模光纤传输进入RGU时的最大光功率为7.22 dB·m。同时为了进一步降低 RGU噪声，采用双波分对称结构，如图 4所示，该结构使泵浦光输入铒纤时的方向与信号光传输方向相同。

图4 RGU双波分对称结构图

1 480 nm泵浦光通过两个1 480/1 550波分复用器和一段增益光纤形成遥泵RGU，掺铒光纤(EDF)为单元增益介质，通过吸收1 480泵浦光对1 550波段信号光进行放大，信号光波长为1 558.17 nm，单波长输入光功率为-35 dB·m。

对增益单元EDF的长度进行设计，分别测试4种不同长度EDF下，RGU的增益和噪声指数随输入泵浦光功率的变化。4种不同长度分别为8 m、10 m、12 m和14 m，RGU的增益随泵浦光功率变化如图5所示，RGU噪声指数随泵浦光功率变化如图6所示。

由图5、图6可知输入泵浦光功率为7.22 dB·m，长度为12 m时，RGU的增益为12 dB，噪声指数最小为13 dB，此时RGU的放大性能最优。

图5 RGU的增益随泵浦光功率变化

图6 RGU噪声指数随泵浦光功率变化

3 结论

本文理论和试验分析了光纤水听器阵列远程遥泵系统中增益单元的参数优化设计对输出光增益和输出光信噪比的影响，获得了该实验条件下的最优放大效果。在应用于更远距离传输时，可以通过改善掺铒光纤的吸收系数等方法获得更高的信号增益，后续将对此展开相关研究。