CN110266392B - 一种基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置 - Google Patents

一种基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置，多波长错峰组件包括多波长脉冲输入端，用于输入多波长光脉冲；波长下载支路，与多波长脉冲输入端通过连接光纤相连，用于依次延迟下载多波长光脉冲中各个波长的光脉冲；波长上载支路，与波长下载支路通过连接光纤相连，用于依次上载多波长光脉冲中延迟下载的各个波长的光脉冲并将其合波成多波长准连续光；错峰输出端，与波长上载支路通过连接光纤相连，用于输出多波长准连续光。将多波长同时段输出的低占空比光脉冲，分波长依次延迟至脉冲周期的空余时段，再经过高功率掺铒光纤放大器，可实现高功率低噪声的多波长光放大，并具有非线性噪声抑制功能。本发明应用于光处理技术领域。

Description

一种基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置
技术领域
本发明涉及光处理技术领域，尤其涉及一种多波长光脉冲错峰输出组件及基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置。
背景技术
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，干涉型光纤水听器具有灵敏度高，抗电磁干扰能力强，动态范围大、体积小、重量轻和适装性好等优点。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问题提供理想的技术途径。
光纤水听器的典型应用方式包括拖曳阵、舷侧阵、海底岸基固定阵以及浮标潜标等，其中海底岸基固定阵列以其阵型稳定，可长期连续值守、远离舰船自噪声低等优点成为了水听器阵列发展的重要方向之一。由于近年来舰船目标降噪技术不断提升，水听器阵列对水声目标的探测难度逐渐加大；与此同时，海洋油气勘探开发范围从大陆架延伸到深海，要求的地层结构分辨率从数十米提升至米量级，这对水听器固定阵列的探测能力提出了新的要求。因此岸基固定阵列的规模不断扩大，基元数从几百上升到几万，传输距离也逐步扩展至几百甚至上千公里。
随着水听器阵列朝着超大规模、超远距离的方向发展，阵列也多采用波分和时分混合复用的方式，通过单根光纤复用64、128甚至256基元水听器阵列，极大地节省了传输光纤数目，降低系统体积和成本。以此同时，大规模密集复用的远程传输系统对干端光发射装置性能提出了新的要求，主要有如下几点：1，对于一个N×M(N为波分复用数，M为TDM复用数)的混合复用系统，要求发射装置输出N波长、低占空比(≤1:M)的复用光脉冲，且光脉冲宽度需要100ns以上，周期在几百kHz量级；2，为补偿后续远程传输和大规模阵列带来的巨大损耗，发射装置需要大功率的多波光纤放大器以保证输出总功率在20dBm以上；3，为保障光纤水听器远程传输岸基阵列对微弱声信号的探测能力，光发射装置需要有高的输出信噪比(SNR)以及线性和非线性噪声抑制功能。
以上对光发射装置输出光场的需求特点可总结为：多波长、低占空比、高功率、高信噪比以及远程传输非线性噪声抑制。而目前光纤水听器系统常用的光发射装置采用多波长光脉冲同时高功率放大输出的方案，参考期刊论文：Phase SensitivityCharacterization in Fiber-optic Sensor Systems Using Amplifiers and TDM。以一个N×M的波分/时分混合复用系统为例，现有的光发射装置结构为N台等间隔波长的光纤水听器用窄线宽光源(λ1～λN)通过波分复用器合束到单根光纤，波分复用器输出接光脉冲发生器以产生占空比1:M的复用光脉冲或脉冲对。复用脉冲中N个波长的光集中在同时段输出，经高增益和高功率的光纤放大器后，将有两个问题难以解决：
首先，光脉冲发生器输出接高功率光纤放大器进行增益，N个等波长间距的高峰值功率光脉冲相互作用，将产生混频光波，即四波混频(Four-Wave Mixing，FWM)效应，在光发射装置中引起不同波分通道的光功率转移和消耗，降低信号光输出光功率和光信噪比。此外，输出光进入远程传输光纤后，四波混频效应将继续累积和放大，在水听器系统中产生严重的通道串扰和噪声，限制远程传输距离；
其次，N个波长占空比1:M的光脉冲同时进入掺铒光纤放大器进行高功率增益，光纤放大器在脉冲周期的1/M时间段内激发态粒子被急剧消耗，将产生增益饱和而出现输出光脉冲前高后低的畸变现象；而在脉冲周期的(M-1)/M时段，激发态粒子长时间处于空闲状态，将通过自发辐射产生大量的放大的自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)噪声。ASE噪声的增加将严重影响了光发射装置输出光的输出信噪比(Signal to NoiseRatio，SNR)和光脉冲消光比，进而恶化后续远程传输及水听器系统噪声，降低系统的微弱声信号探测能力。
此外，由于光通信系统与水听器光传感系统对光发射装置需求具有明显差异，目前常规的光通信用光发射装置方案也不能满足水听器系统的特定需求。首先光通信发生装置输出数字编码光信号，光纤水听器系统用光发射装置输出模拟光信号，模拟系统对发射装置的噪声抑制功能需求远高于数字通信系统；其次光通信发射装置输出脉冲占空比近似为1:1，脉宽在ns量级，而水听器用发射装置的脉宽通常在几百ns量级，占空比根据TDM数目要求通常在1:8及以上。相比光通信系统，具有脉宽宽、占空比低等特点的多波长模拟光脉冲信号经高功率光放大器进行功率放大时，更容易出现增益饱和线性与非线性噪声激增等问题。
综上，目前已有的光纤水听器光发射装置方案虽然可实现多波长、低占空比复用光脉冲输出，但难以同时满足高功率、高信噪比和远程传输非线性噪声抑制等要求。因此，针对越来越明确的应用需求，迫切需要突破现有技术瓶颈，发展一种同时满足多波长、高功率、低噪声等要求的高性能光发射装置，并能应用于大规模光纤水听器远程传输岸基阵等相关领域。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种多波长光脉冲错峰输出组件及基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置。
其采用的技术方案是：
一种多波长光脉冲错峰输出组件，包括：
多波长脉冲输入端，用于输入多波长光脉冲,将多波长光脉冲输入至多波长光脉冲错峰输出组件；
波长下载支路，与多波长脉冲输入端通过连接光纤相连，用于依次延迟下载多波长光脉冲中各个波长的光脉冲；
波长上载支路，与波长下载支路通过连接光纤相连，用于依次上载多波长光脉冲中延迟下载的各个波长的光脉冲并将其合波成多波长准连续光；
错峰输出端，与波长上载支路通过连接光纤相连，用于输出多波长准连续光，即实现多波长光脉冲的分波长延迟错峰输出。
进一步优选的，所述波长下载支路包括N-1个光下载器件，所述波长上载支路包括N-1个光上载器件，其中，N为大于1的自然数，表示多波长光脉冲中包含有N种不同波长的脉冲；
所述光下载器件包括宽带输入端口、窄带光下载端口与宽带输出端口，所述光上载器件包括宽带输入端口、窄带光上载端口与宽带输出端口，所述波长下载支路与波长上载支路采用正反向梯形串接结构，具体为：
第一个光下载器件的宽带输入端口与多波长脉冲输入端通过连接光纤相连，第一个光下载器件的宽带输出端口与第二个光下载器件的宽带输入端口通过延迟光纤相连，第一个光下载器件的窄带光下载端口与第一个光上载器件的宽带输入端口通过连接光纤相连；
第i个光下载器件的宽带输出端口与第i+1个光下载器件的宽带输入端通过延迟光纤相连，第i个光下载器件的窄带光下载端口与第i-1个光上载器件的窄带光上载端口通过连接光纤相连，第i-1个光上载器件的宽带输出端口与i个光上载器件的宽带输入端口通过连接光纤相连，其中，i＝2～N-2；
第N-1个光下载器件的宽带输出端口与第N-1个光上载器件的窄带光上载端口通过延迟光纤相连，第N-1个光下载器件的窄带光下载端口与第N-2个光上载器件的窄带光上载端口通过连接光纤相连，第N-2个光上载器件的宽带输出端口与第N-1个光上载器件的宽带输入端口通过连接光纤相连，第N-1个光上载器件的宽带输出端口与错峰输出端通过连接光纤相连。
进一步优选的，所述延迟光纤、连接光纤与各端口的之间均通过光纤熔接机熔接并进行熔接点保护。
一种基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置，包括：
N个不同波长的光纤水听器用光源，用于产生N束不同波长的光信号；
波分复用器，包括输入端口与输出端口，波分复用器的输入端口位于N个光源的光路上，用于将N束不同波长的光信号合波为一束连续多波长光束并输出；
相位调制器，包括输入端口与输出端口，相位调制器的输入端口与波分复用器的输出端口通过连接光纤相连，用于展宽连续多波长光束的线宽并输出；
光脉冲发生器，包括输入端口与输出端口，光脉冲发生器的输入端口与相位调制器的输出端口通过连接光纤相连，用于将连续多波长光束斩波为多波长光脉冲并输出；
第一光纤放大器，包括输入端口与输出端口，第一光纤放大器的输入端口与光脉冲发生器的输出端口通过连接光纤相连，用于对多波长光脉冲进行预放大处理并输出；
上述的多波长光脉冲错峰输出组件，多波长光脉冲错峰输出组件的多波长脉冲输入端与第一光纤放大器的输出端口通过连接光纤相连，用于对多波长光脉冲进行分波长延时错峰输出；
第二光纤放大器，包括输入端口与输出端口，第二光纤放大器的输入端口与多波长光脉冲错峰输出组件的错峰输出端通过连接光纤相连，用于对分波长延时输出的多波长光脉冲进行放大处理以使其获得高功率；
发射端，包括输入端口与输出端口，发射端的输入端口与第二光纤放大器的输出端口通过连接光纤相连，用于发射高功率的分波长延时输出的多波长光脉冲。
进一步优选的，所述光脉冲发生器由TTL电平驱动。
进一步优选的，所述光脉冲发生器所输出的多波长光脉冲的占空比低于1/M。
进一步优选的，所述第一光纤放大器与第二光纤放大器均为掺铒光纤放大器。
进一步优选的，当上述的多波长光脉冲错峰输出组件应用于光纤水听器光发射装置时，多波长光脉冲错峰输出组件中任意两个端口之间的延迟光纤的长度为：
Figure BDA0002103106850000041
式中，L为多波长光脉冲错峰输出组件中任意两个端口之间的延迟光纤的长度；c为真空中光速；T为多波长光脉冲的周期；n为延迟光纤的折射率；M为光纤水听器复用系统的时分复用通道数；N为光纤水听器复用系统的波分复用通道数，也即是多波长光脉冲中不同波长的脉冲数。
进一步优选的，所述延迟光纤的线圈直径为8～12cm。
本发明的有益技术效果：
本发明所公开的多波长光脉冲错峰输出组件，通过波长下载支路与波长上载支路的组合，将多波长同时段输出的低占空比光脉冲，分波长依次延迟至脉冲周期的空余时段，输出光脉冲变为分波长延迟错峰输出的多波长准连续光，且脉冲峰值功率大幅度降低，使得该组件应用于光纤水听器光发射装置后，分波长延迟错峰输出的多波长准连续光经第二光纤放大器进行功率放大时，可充分利用激发态粒子实现多波长高功率光放大，在提高第二光纤放大器增益的同时极大地降低自发辐射噪声、非线性四波混频噪声以及由脉冲增益饱和引起的波形畸变情况，提升了多波长高功率光发射装置的性能。
附图说明
图1是本实施例中多波长光脉冲错峰输出组件的框架示意图；
图2是本实施例中多波长光脉冲的脉冲时序示意图；
图3是本实施例中多波长准连续光的脉冲时序示意图；
图4是本实施例中多波长光脉冲错峰输出组件的结构示意图；
图5是本实施例中基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置的结构示意图；
图6是本实施例中多波长光脉冲错峰输出组件多波长脉冲输入端的脉冲时序示意图；
图7是本实施例中M≥N时多波长光脉冲错峰输出组件光脉冲时序原理示意图；
图8是本实施例中M<N时多波长光脉冲错峰输出组件光脉冲时序原理示意图。
具体实施方式
为了使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。本实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实时方式中该值可以相应地改变为合适的值。
如图1所示的一种多波长光脉冲错峰输出组件，包括多波长脉冲输入端、波长下载支路、波长上载支路与错峰输出端。其中，多波长脉冲输入端用于将多波长光脉冲输入至多波长光脉冲错峰输出组件；波长下载支路与多波长脉冲输入端通过连接光纤相连，用于依次延迟下载多波长光脉冲中各个波长的光脉冲；波长上载支路与波长下载支路通过连接光纤相连，用于依次上载多波长光脉冲中延迟下载的各个波长的光脉冲并将其合波成多波长准连续光；错峰输出端与波长上载支路通过连接光纤相连，用于输出多波长准连续光，即实现多波长光脉冲的分波长延迟错峰输出。
参考图2-3，多波长准连续光表示在一个周期内依次间隔输出各个不同波长的光脉冲，具体释义为：图2即表示多波长光脉冲，多波长光脉冲包含有N种不同波长的光脉冲λ1～λN，N种不同波长的光脉冲λ1～λN在周期T内的一个时间段一次性输出；将上述多波长光脉冲输入至本实施例中的多波长光脉冲错峰输出组件，所输出的脉冲图即如图3所示的多波长准连续光，在N种不同波长的光脉冲λ1～λN在周期T内依次延迟输出，此即为多波长准连续光。
参考图4，波长下载支路包括N-1个光下载器件(ODM1～ODMN-1)，波长上载支路包括N-1个光上载器件(OAM1～OAMN-1)，其中，N为大于1的自然数，表示多波长光脉冲中包含有N种不同波长的脉冲；(ODM1～ODMN-1)均为三端口器件，包括有宽带输入端口①、窄带光下载端口②与宽带输出端口③；(OAM1～OAMN-1)均为三端口器件，包括有包括宽带输入端口①、窄带光上载端口②与宽带输出端口③，波长下载支路与波长上载支路采用正反向梯形串接结构，可以保证多波长的插损一致性，正反向梯形串接结构具体为：
第一个光下载器件的宽带输入端口①与多波长脉冲输入端通过连接光纤相连，第一个光下载器件的宽带输出端口③与第二个光下载器件的宽带输入端口①通过延迟光纤相连，第一个光下载器件的窄带光下载端口②与第一个光上载器件的宽带输入端口①通过连接光纤相连；第i个光下载器件的宽带输出端口③与第i+1个光下载器件的宽带输入端通过延迟光纤相连，第i个光下载器件的窄带光下载端口②与第i-1个光上载器件的窄带光上载端口②通过连接光纤相连，第i-1个光上载器件的宽带输出端口③与i个光上载器件的宽带输入端口①通过连接光纤相连，其中，i＝2～N-2；第N-1个光下载器件的宽带输出端口③与第N-1个光上载器件的窄带光上载端口②通过延迟光纤相连，第N-1个光下载器件的窄带光下载端口②与第N-2个光上载器件的窄带光上载端口②通过连接光纤相连，第N-2个光上载器件的宽带输出端口③与第N-1个光上载器件的宽带输入端口①通过连接光纤相连，第N-1个光上载器件的宽带输出端口③与错峰输出端通过连接光纤相连。
图4中D1～DN-1表示N-1个延迟光纤，即光纤延迟线圈，其中，延迟光纤、连接光纤与各端口的之间均通过光纤熔接机熔接并进行熔接点保护，图4中的:“×”即为光纤熔接点。通过正反向梯形串接结构，ODM1～ODMN-1分别可从各自的窄带光下载端口②下载λ1～λN-1的光波长，OAM1～OAMN-1分别可从各自的窄带光上载端口②上载λ2～λN光波长。
上述多波长光脉冲错峰输出组件的工作过程为：波长λ1～λN复用多波长光脉冲从多波长脉冲输入端接入第一个ODM器件，即ODM1的宽带输入端口①，并由ODM1的窄带光下载端口②下载λ1波长，剩余λ2～λN光波从ODM1的宽带输出端口③输出；λ2～λN光波经延迟光纤D1延迟后接入ODM2的宽带输入端口①，ODM2的窄带光下载端口②下载λ2波长，剩余λ3～λN波长由ODM2的宽带输出端口③输出并继续串接多个延迟光纤D2～DN-2和ODM3～ODMN-1器件，下载各波长光波并实现分波长延时；最后一个ODM器件，即ODMN-1器件的宽带输入端口①输入λN-1～λN波长光波，ODMN-1的窄带光下载端口②下载λN-1波长，宽带输出端口③输出λN波长并接入最后一个延迟光纤，即DN-1；第一个OAM器件，即OAM1的宽带输入端口①接下载支路器件ODM1的窄带光下载端口②，上载λ1波长光波；OAM1的窄带光上载端口②接ODM2的窄带光下载端口②上载λ2波长。OAM1的宽带输出端口③输出合波后的λ1～λ2波长光波，接入OAM2的宽带输入端口①，OAM2的窄带光上载端口②接ODM3的窄带光下载端口②上载λ3波长光波，OAM2的宽带输出端口③输出λ1～λ3波长光波，并继续串接后续OAM3～ODMN-1器件上载各波长光波；最后一个OAM器件，即OAMN-1的宽带输入端口①输入λ1～λN-1波长光波，OAMN-1窄带光上载端口②接DN-1上载λN波长光波，OAMN-1的宽带输出端口③输出最终分波长延时错峰后的λ1～λN波长光波，最后由错峰输出端输出多波长准连续光，即实现多波长光脉冲的分波长延迟错峰输出。
如图5所示的本实施例还公开了一种基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置，包括：
N个不同波长的光纤水听器用光源(Laser1～LaserN)，用于产生N束不同波长的光信号，其中，本实施例中的光纤水听器用光源采用窄线宽光源，其中，窄线宽光源的线宽小于5kHz，可有效降低激光器光频抖动引入光纤水听器干涉系统中的相位噪声。
波分复用器(WDM)，包括输入端口与输出端口，波分复用器的输入端口位于N个光源的光路上，用于将N束不同波长的光信号合波为一束连续多波长光束并输出；
相位调制器(PM)，包括输入端口与输出端口，相位调制器的输入端口与波分复用器的输出端口通过连接光纤相连，用于展宽连续多波长光束的线宽并输出，以抑制光放大装置接远程传输光纤时可能会产生的非线性受激布里渊散射(SBS)效应；
光脉冲发生器(OPG)，包括输入端口与输出端口，光脉冲发生器的输入端口与相位调制器的输出端口通过连接光纤相连，用于将连续多波长光束斩波为多波长光脉冲并输出，连续多波长光束经光脉冲发生器后，斩波为脉宽τ1、周期T的低占空比复用多波长脉冲光，同时光脉冲发生器所输出的多波长光脉冲的占空比低于1/M；其中，光脉冲发生器由TTL电平驱动，TTL电平的脉冲特性与水听器时分复用数M、采样率fc以及解调方式等参数有关，因此本实施例不做赘述；
第一光纤放大器(EDFA-LA)，包括输入端口与输出端口，第一光纤放大器的输入端口与光脉冲发生器的输出端口通过连接光纤相连，用于对多波长光脉冲进行预放大处理并输出，本实施例中的第一光纤放大器为掺铒光纤放大器，具体为中等功率的掺铒光纤放大器；此处采用中等功率掺铒光纤放大器，可以在不产生增益饱和非线性噪声的同时将多波长光脉冲放大到适中的功率值，以保证进入错峰组件的脉冲光有足够的光功率(约13dBm)和信噪比(40dB以上)，从而保证光发射装置的性能。
上述的多波长光脉冲错峰输出组件，多波长光脉冲错峰输出组件的多波长脉冲输入端与第一光纤放大器的输出端口通过连接光纤相连，用于对多波长光脉冲进行分波长延时错峰输出；
第二光纤放大器(EDFA-BA)，包括输入端口与输出端口，第二光纤放大器的输入端口与多波长光脉冲错峰输出组件的错峰输出端通过连接光纤相连，用于对分波长延时输出的多波长光脉冲进行放大处理以使其获得高功率，本实施例中的第一光纤放大器为掺铒光纤放大器，具体为高功率的掺铒光纤放大器；在大规模光纤水听器远程传输系统应用中，为补偿远程传输和大规模阵列带来的巨大光学损耗，通常需要光发射装置具有20dBm或以上的光功率输出。本实施例中，经过错峰后，多波长脉冲光已经错峰为多波长准连续光，脉冲峰值功率大大降低，产生增益饱和及四波混频效应的阈值提高，因此可接入高功率的掺铒光纤放大器实现20dBm及以上的光功率输出，可满足大规模光纤水听器远程传输阵列对光发射装置输出光功率的要求。
发射端，包括输入端口与输出端口，发射端的输入端口与第二光纤放大器的输出端口通过连接光纤相连，用于发射高功率的分波长延时输出的多波长光脉冲，本实施例中的发射端为FC/APC跳线。
由于多波长光脉冲错峰输出组件已经将多波长同时段输出的高峰值功率、低占空比光脉冲分波长依次延迟至脉冲周期的空余时段，多波长光脉冲演变为多波长准连续光，脉冲峰值功率大大降低，因此多波长光脉冲错峰输出组件输出在接高功率第二光纤放大器进行功率放大时，可充分利用激发态粒子实现多波长高功率光放大，降低自发辐射(ASE)噪声以及由脉冲增益饱和引起的波形畸变情况，并实现光放大器内部四波混频效应的抑制，有效提升高功率光发射装置的性能。此外，光纤水听器光发射装置在接入大规模光纤水听器复用系统的远程传输光纤后，由于各波长高功率的光脉冲已分时输出，光脉冲相互作用的概率大大降低，可抑制远程传输非线性四波混频效应，大幅降低由四波混频效应引入的水听器系统相位噪声，有利于提升远程大规模水听器系统的微弱目标探测能力。
将本实施例中的多波长光脉冲错峰输出组件应用于光纤水听器复用系统的光纤水听器光发射装置时，除了能实现高功率输出及噪声抑制外，还具有以下两点优势：(1)波长下载支路与上载支路采用正反向梯形串接结构，可保证多波长的插损一致性。其中下载支路中从多波长脉冲输入端开始，利用ODM1～ODMN-1将波长λ1～λN的复用光脉冲分波长串行下载，下载顺序为λ1、λ2、λ3…λN；上载支路中从光输出端开始，利用OAM1～OAMN-1将波长λ1～λN的复用光脉冲分波长串行上载，上载顺序为λN、λN-1、λN-2…λ1。通过下载和上载支路的正反向梯形串接组合，在整个多波长光脉冲错峰输出组件中，波长λ1～λN的光波经过的OAM和ODM器件总和数相等，由于OAM和ODM器件制作工艺近似，且插入损耗基本一致，因此错峰后各波长由OAM和ODM引入的总插损基本相等。因此所设计的多波长光脉冲错峰输出组件将不引入新的波长损耗差异，保证了光发射装置的波长光功率均衡性。(2)多波长光脉冲错峰输出组件将延迟光纤D1～DN-1依次串接在ODM1～ODMN中，仅使用N-1个长度为L的延迟光纤，即可实现λ1～λN光波的脉冲依次等间隔延迟输出，实际产生的总延迟长度Ltotal为：
Figure BDA0002103106850000091
由式(1)可知，相对单波长独立延时结构，该组件将延迟光纤的利用率提升了N/2倍，有效降低了延迟光纤的总使用长度，减小光纤水听器复用系统体积和成本。
将本实施例中的多波长光脉冲错峰输出组件应用于光纤水听器复用系统的光纤水听器光发射装置时的参数设计具体为：
首先获取错峰输入光脉冲时序参数：
参考图6，其中多波长光脉冲周期T由水听器复用系统的单通道采样率fc决定：
Figure BDA0002103106850000092
式(2)中fc与水听器的探测信号带宽fs、时分复用数目M以及信号调制解调方式等参数有关，本实施例不再赘述。为避免TDM通道脉冲串扰，图6中多波长光脉冲的脉宽τ1应小于TDM的通道间隔时间τ0，τ0的表达式为：
Figure BDA0002103106850000093
根据实际应用系统中大规模光纤水听器阵列系统中波分复用通道数N与时分复用通道数M之间的关系，多波长光脉冲错峰输出组件的参数设计分以下两种情况：
参考图7，当M≥N时，即波分复用通道数N不大于时分复用通道数M，可以将N个波长光波在1个光脉冲周期T内依次等间距延迟输出，并不会重叠。图7给出了M≥N情况下多波长光脉冲错峰输出组件输出光脉冲的时序原理示意图，相邻波长之间的延迟时间τ2满足以下关系式：
Figure BDA0002103106850000094
由τ2决定的错峰组件单个延迟光纤线圈(D1～DN-1)的长度L为：
Figure BDA0002103106850000095
(5)式中c为真空中光速，n为延迟光纤的折射率；N为光纤水听器复用系统的波分复用通道数，也即是多波长光脉冲中不同波长的脉冲数。根据(5)式光纤长度及图4光学结构设计，错峰组件中λi(i＝1～N)波长光波的延迟时间
Figure BDA0002103106850000101
为：
Figure BDA0002103106850000102
当M≥N时，根据图4的错峰结构及(4)～(6)式参数设计，可将λ1～λN光脉冲在周期T时间段内等间距分波长延迟错峰输出。
参考图8，当M<N时，即波分复用通道数N大于时分复用通道数M，图6中相邻波长延迟时间τ2、单个延迟光纤线圈长度L、以及波长为λi(i＝1～N)光波的延迟时间
Figure BDA0002103106850000103
分别由(7)～(9)式表示：
Figure BDA0002103106850000104
Figure BDA0002103106850000105
Figure BDA0002103106850000106
当M<N时，根据图4的错峰结构设计及(7)～(9)式参数设计，可将λ1～λN光脉冲在K个周期T内分波长延迟输出，其中K表示N与M的倍数关系：
Figure BDA0002103106850000107
其中
Figure BDA0002103106850000108
表示不小于的最近整数。由(7)～(10)式可知，由于波分复用数N超出时分复用数目M，受时分复用脉宽τ1和周期T限制，波分复用各波长在时分周期内进行错峰将会有部分重叠。令重叠的波长为λα(α＝1～M)与λβ(β＝1～M)且α>β，则α与β满足以下关系式：
β＝α-k×M,k＝1～K (11)
分析(11)式可得，相比未错峰前，在同一时段刻发生重叠的最小光波长间距从Δλ扩展至Δλ×M，其中Δλ为TDM波长间距，因此在同一时段重叠的波长数从N降低至K。由于发生重叠的波长数大大降低，即使发生重叠，其最小波长间距也扩展了M倍，低占空比的多波长光脉冲也已展开为时间上近似均匀分布的多波长脉冲序列，因此多波长光脉冲错峰输出组件输出进入第二光纤放大器放大时，可实现高功率低噪声的光放大，并具有非线性FWM噪声的抑制功能。
综上，在M≥N及M<N情况下，本实施例通过特殊的结构及参数设计，均可实现最大程度的多波长错峰放大输出，具有多波长高功率输出及线性和非线性噪声抑制等优良的性能。此外，所设计的多波长光脉冲错峰输出组件仅包含波分复用器件(ODM与OAM)和延迟光纤，结构简单、光纤利用率高且成本较低，该结构在实现错峰的同时基本不改变各波长的光功率均衡性。因此，在大规模光纤水听器远程传输岸基阵领域具有很好的应用前景。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (5)

1.一种多波长光脉冲错峰输出组件，其特征在于，适用于大规模光纤水听器远程低噪声岸基阵列系统应用，包括：
多波长脉冲输入端，用于输入多波长光脉冲，所述多波长光脉冲包含有N种不同波长的光脉冲λ1～λN，N种不同波长的光脉冲λ1～λN在周期T内的一个时间段一次性输出；
波长下载支路，与多波长脉冲输入端通过连接光纤相连，用于依次延迟下载多波长光脉冲中各个波长的光脉冲；
波长上载支路，与波长下载支路通过连接光纤相连，用于依次上载多波长光脉冲中延迟下载的各个波长的光脉冲并将其合波成多波长准连续光；
错峰输出端，与波长上载支路通过连接光纤相连，用于输出多波长准连续光，即实现多波长光脉冲的分波长延迟错峰输出；
所述波长下载支路包括N-1个光下载器件，所述波长上载支路包括N-1个光上载器件，其中，N为大于1的自然数，表示多波长光脉冲中包含有N种不同波长的脉冲，所述光下载器件为波分下载器件ODM，所述光上载器件为波分上载器件OAM；
所述光下载器件包括宽带输入端口、窄带光下载端口与宽带输出端口，所述光上载器件包括宽带输入端口、窄带光上载端口与宽带输出端口，所述波长下载支路与波长上载支路采用正反向梯形串接结构，具体为：
第一个光下载器件的宽带输入端口与多波长脉冲输入端通过连接光纤相连，第一个光下载器件的宽带输出端口与第二个光下载器件的宽带输入端口通过延迟光纤相连，第一个光下载器件的窄带光下载端口与第一个光上载器件的宽带输入端口通过连接光纤相连；
第i个光下载器件的宽带输出端口与第i+1个光下载器件的宽带输入端通过延迟光纤相连，第i个光下载器件的窄带光下载端口与第i-1个光上载器件的窄带光上载端口通过连接光纤相连，第i-1个光上载器件的宽带输出端口与i个光上载器件的宽带输入端口通过连接光纤相连，其中，i＝2～N-2；
第N-1个光下载器件的宽带输出端口与第N-1个光上载器件的窄带光上载端口通过延迟光纤相连，第N-1个光下载器件的窄带光下载端口与第N-2个光上载器件的窄带光上载端口通过连接光纤相连，第N-2个光上载器件的宽带输出端口与第N-1个光上载器件的宽带输入端口通过连接光纤相连，第N-1个光上载器件的宽带输出端口与错峰输出端通过连接光纤相连；
任意两个端口之间的延迟光纤的长度为：
Figure FDA0002502397930000021
式中，L为多波长光脉冲错峰输出组件中任意两个端口之间的延迟光纤的长度；c为真空中光速；T为多波长光脉冲的周期；n为延迟光纤的折射率；M为光纤水听器复用系统的时分复用通道数；N为光纤水听器复用系统的波分复用通道数，也即是多波长光脉冲中不同波长的脉冲数；
所述延迟光纤的线圈直径为8～12cm；
所述延迟光纤、连接光纤与各端口的之间均通过光纤熔接机熔接并进行熔接点保护。
2.一种基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置，其特征在于，包括：
N个不同波长的光纤水听器用光源，用于产生N束不同波长的光信号；
波分复用器，包括输入端口与输出端口，波分复用器的输入端口位于N个光源的光路上，用于将N束不同波长的光信号合波为一束连续多波长光束并输出；
相位调制器，包括输入端口与输出端口，相位调制器的输入端口与波分复用器的输出端口通过连接光纤相连，用于展宽连续多波长光束的线宽并输出；
光脉冲发生器，包括输入端口与输出端口，光脉冲发生器的输入端口与相位调制器的输出端口通过连接光纤相连，用于将连续多波长光束斩波为多波长光脉冲并输出；
第一光纤放大器，包括输入端口与输出端口，第一光纤放大器的输入端口与光脉冲发生器的输出端口通过连接光纤相连，用于对多波长光脉冲进行预放大处理并输出；
权利要求1所述的多波长光脉冲错峰输出组件，多波长光脉冲错峰输出组件的多波长脉冲输入端与第一光纤放大器的输出端口通过连接光纤相连，用于对多波长光脉冲进行分波长延时错峰输出；
第二光纤放大器，包括输入端口与输出端口，第二光纤放大器的输入端口与多波长光脉冲错峰输出组件的错峰输出端通过连接光纤相连，用于对分波长延时输出的多波长光脉冲进行放大处理以使其获得高功率；
发射端，包括输入端口与输出端口，发射端的输入端口与第二光纤放大器的输出端口通过连接光纤相连，用于发射高功率的分波长延时输出的多波长光脉冲。
3.根据权利要求2所述基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置，其特征在于，所述光脉冲发生器由TTL电平驱动。
4.根据权利要求2所述基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置，其特征在于，所述光脉冲发生器所输出的多波长光脉冲的占空比低于1/M。
5.根据权利要求2所述基于多波长光脉冲错峰放大的光纤水听器光发射装置，其特征在于，所述第一光纤放大器与第二光纤放大器均为掺铒光纤放大器。
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