CN114826408B - 一种光纤水听器远程全光传输系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤水听器远程全光传输系统及其设计方法，包括光纤输出组件、光纤水听器复用阵列、遥泵增益单元、遥泵单元与信号接收解调组件；光纤输出组件通过光纤L₁与光纤水听器复用阵列相连，遥泵单元通过光纤L₂与遥泵增益单元相连，光纤水听器复用阵列通过光纤L₃与遥泵增益单元相连，遥泵增益单元通过光纤L₄与信号接收解调组件相连；光纤L₁、光纤L₂均为G.654E单模光纤，光纤L₃、光纤L₄均为ULL‑G.652单模光纤。本发明应用于光纤水听器领域，可降低下行光传输的非线性效应，增大注入光功率，减小上下行传输链路损耗，提升远程放大增益及光功率冗余，降低远程传输系统相位噪声。

Description

一种光纤水听器远程全光传输系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及光纤水听器技术领域，具体是一种光纤水听器远程全光传输系统及其设计方法。

背景技术

干涉型光纤水听器是以光纤为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海洋声场环境监测、海洋地质勘探等功能。与传统的压电探测器系统相比，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，更重要的是可以方便地组建各种水下光纤传感网络，为解决高分辨水声探测和海洋能源勘探等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海底固定阵、拖曳阵和浮潜标等，其中海底固定式阵列以其阵型稳定，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的重要应用方向之一。但目前固定阵的信号传输距离受到损耗和噪声限制，影响了探测区域的向外延伸。解决这一问题有两种方案，一是采用数字化传输机制，将光电信号处理单元置于水下电子舱，并利用数字光通信方式进行远程传感信号的传输；二是保持传感传输一体化的模拟传输机制，并采用相关光学技术拓展传输距离。全光模拟传输方案具有湿端不带电特点，相比数字传输机制在水下长期工作的可靠性、成本控制等方面有先天性优势，但现有技术仍然存在以下问题：

（1）受非线性限制下行光功率难以提升

对于光纤水听器远程传输系统中的非线性效应，已有研究基于程差匹配相位调制实现了受激布里渊散射(SBS)的抑制；采用控制注入光功率、增大波分复用间隔以及错峰光发射等方案实现了四波混频(FWM)和受激拉曼散射(SRS)的抑制。但随着传输距离的继续提升，常规的非线性效应抑制手段已难以满足实际应用需求，需要设计新的光纤传输链路对SBS、调制不稳定性(MI)等非线性噪声进行进一步抑制，以增加注入远程光纤的光功率、提升系统光功率冗余。

（2）远程传输及大规模阵列引入巨大光学损耗

为解决该问题，降低传输链路损耗并在链路不同位置上加入远程光放大以保持系统的全光化是首选方案。目前报道的光纤水听器远程传输系统均采用常规G.652光纤，衰减系数约为0.19dB/km，对于一个往返传输100km的光纤水听器系统，仅仅传输链路损耗即高达38dB，再加入20dB~30dB的光纤水听器阵列损耗以及阵缆连接等其它损耗，全系统的损耗高达60~70dB，这给光纤水听器接收端的微弱信号检测带来极大困难。因此需要采用更低损耗的传输链路，以提升系统的探测性能。

（3）模拟光传输放大系统结构复杂且对噪声要求高

基于遥泵和拉曼的远程光放大系统已在光纤数字通信系统中得到应用，其性能评判标准为基于噪声指数(NF)的光强度检测误码率的高低。而对于高灵敏相位检测的光纤水听器模拟传输系统，远程光放大在保证高增益的同时需要有低的相位噪声(δφ)水平。相位噪声通过干涉模拟光信号的相位解调获得，其评判标准与基于光强检测的通信系统具有明显区别。由于光纤水听器远程传输固定阵列系统结构复杂、成本高，并且对远程光放大噪声要求也极高，因此在系统研制前很有必要基于相位噪声评价体系对系统结构及参数进行优化设计，使远程传输阵列的光放大系统达到最佳性能，从而降低研制成本缩短研制周期。

发明内容

针对现有光纤水听器海底固定阵系统传输损耗和噪声激增导致的传输距离受限、探测性能下降等问题，本发明提供一种光纤水听器远程全光传输系统及其设计方法，该系统采用大有效面积和超低损耗光纤混合介质进行传输，并利用异纤远程泵浦放大与分布式拉曼放大方式实现高增益、低噪声的远程光放大。针对光纤水听器远程模拟光传输及放大特点，提供一种该光纤水听器远程全光传输系统的设计方法，可对不同传输距离及阵列规模的远程放大进行仿真、评估及参数优化，使远程全光传输系统达到最佳的噪声性能。相比采用光电混合缆远程传输带电光中继系统，本发明提出的光纤水听器全光传输系统可大幅降低海缆成本、提高远程传输的长期可靠性。

为实现上述目的，本发明提供一种光纤水听器远程全光传输系统，包括光纤输出组件、光纤水听器复用阵列、遥泵增益单元(RGU)、遥泵单元(RPU)与信号接收解调组件；

所述光纤输出组件通过远程传输光纤L₁与所述光纤水听器复用阵列的输入端相连，所述遥泵单元通过远程传输光纤L₂与所述遥泵增益单元的泵浦输入端相连，所述光纤水听器复用阵列的输出端通过远程传输光纤L₃与所述遥泵增益单元的信号输入端相连，所述遥泵增益单元的输出端通过远程传输光纤L₄与所述信号接收解调组件相连；

所述远程传输光纤L₁、所述远程传输光纤L₂均为G.654E单模光纤，所述远程传输光纤L₃、所述远程传输光纤L₄均为ULL-G.652单模光纤。

在其中一个实施例，所述光纤输出组件包括：

光纤水听器光调制单元，用于输出所述光纤水听器复用阵列所需的1550nm波段多波长时分脉冲序列；

掺铒光纤放大器，其输入端与所述光纤水听器光调制单元通过光纤相连，输出端与所述远程传输光纤L₁的输入端相连，用于将1550nm波段多波长时分脉冲序列高功率放大后注入所述远程传输光纤L₁。

在其中一个实施例，所述信号接收解调组件包括拉曼单元、解波分复用器、光电探测器、模数转换器、光纤水听器解复用及相位解调单元；

所述拉曼单元的输入端与所述远程传输光纤L₄的输出端相连，所述拉曼单元的输出端与所述解波分复用器的输入端、所述光电探测器、所述模数转换器、所述光纤水听器解复用及相位解调单元依次相连。

在其中一个实施例，所述远程传输光纤L₃和所述远程传输光纤L₄的长度之和等于所述远程传输光纤L₁的长度，且所述远程传输光纤L₄和所述远程传输光纤L₂长度相等。

为实现上述目的，本发明还提供一种上述光纤水听器远程全光传输系统的设计方法，包括如下步骤：

步骤1，基于光纤水听器远程全光传输系统的结构构建相位噪声模型；

步骤2，以所述遥泵增益单元的位置及所述光纤水听器远程全光传输系统的光放大增益为控制参数，以保证光功率冗余且不发生非线性效应为约束条件，对所述相位噪声模型进行仿真优化，直至所述光纤水听器远程全光传输系统的最终相位噪声最小。

在其中一个实施例，步骤1中，所述基于光纤水听器远程全光传输系统的结构构建相位噪声模型，具体为：

首先令L ₁~L ₄为远程传输光纤L₁~L₄的长度，α ₁₁为G.654E远程传输光纤L₁在1550nm波段的衰减系数，α ₁₂为G.654E远程传输光纤L₂在1480nm波段的衰减系数，α ₂为ULL-G.652远程传输光纤L₃、L₄在1550nm波段的衰减系数，A为光纤水听器复用阵列的单路波分平均衰减系数，B为单路时分平均衰减系数，N为波分复用重数，M为时分复用重数，则传输光纤L₁~L₄的链路传输损耗IL _L1~IL _L4，以及N×M重复用阵列损耗的IL _Array分别为：

建立所述光纤水听器远程全光传输系统中放大的自发辐射(ASE)及传输链路引入的总噪声指数F _total的计算模型，为：

式中，F ₁为由ASE引入的掺铒光纤放大器噪声指数，F ₂为遥泵增益单元噪声指数，NF ₃为拉曼单元等效噪声指数，G ₁、G ₂、G ₃分别为掺铒光纤放大增益、遥泵放大增益、拉曼放大开关增益，

，g ₂为单位泵浦光增益系数，P _B为遥泵单元输出光功率，其中，P _B、 G ₁、G ₂、G ₃的约束条件为远程传输光纤L₁~L₄中不发生非线性效应，非线性效应包括但不限于SBS、MI以及拉曼激射；

建立由信号光与ASE噪声光产生拍频噪声s-sp以及ASE噪声光自身的拍频噪声sp-sp引入的水听器相位噪声模型，为：

式中，δφ _s-sp 为由噪声s-sp引入的水听器相位噪声，δφ _sp-sp 为由噪声sp-sp引入的水听器相位噪声，η _d 为强度-相位解调转换系数，h为普朗克常数，ν为光频，B _e为光电探测器的带宽，η _e为光电转换效率，P _in为光调制单元输出光功率，f _s为单通道A/D采样率，B _o为解波分复用器光学带宽；

构建相位噪声模型，为：

式中，δφ _Amp 为光纤水听器远程全光传输系统的光放大器引入的相位噪声，在光电信号解调本底噪声远低于光放大噪声的远程传输条件下，δφ _Amp 即可近似为系统最终相位噪声。

在其中一个实施例，步骤2中，所述以保证光功率冗余且不发生非线性效应为约束条件，具体为：以返回接收端的信号光功率P _out在单波长1μW以上，且远程传输光纤L₁~L₄中不发生明显非线性效应为约束条件，其中，非线性效应包括但不限于SBS、MI以及拉曼激射。

在其中一个实施例，返回接收端的信号光功率P_out具体为：

。

与现有技术相比，本发明提供的一种光纤水听器远程全光传输系统及其设计方法，具有如下有益技术效果：

本发明光纤水听器远程全光传输系统中的下行泵浦和信号光采用G.654E光纤，上行信号光采用ULL-G.652光纤的组合光纤传输链路方案，相比常规采用G.652光纤的系统优势在于：

可降低下行光传输的SBS、MI以及拉曼激射等非线性效应，提升下行信号光和泵浦光功率；

降低下行和上行传输链路损耗、增加遥泵增益单元和拉曼放大器放大增益，提升远程系统的光信噪比并降低相位噪声；

现有光纤水听器远程光放大系统设计方法沿用光通信系统的光强度噪声评判方法，该方法只能获得与强度噪声有关的噪声指数等指标，不能与水听器系统实际的相位噪声相对应。本专利提出方法给出了远程光放大及传输链路噪声指数F _total模型，引入了遥泵光放大单位泵浦光增益系数g ₂、宽带采样混叠系数

、强度-相位噪声解调转换系数η _d 等参数，可直接仿真远程光放大引入的相位噪声水平，可根据光纤水听器相位噪声评判标准对远程光放大结构参数进行有效设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中光纤水听器远程全光传输系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中150km传输系统δφ _Amp随RGU位置变化示意图；

图3为本发明实施例中方案与常规方案的相位噪声对比示意图；

图4为本发明实施例中光纤水听器150km传输系统相位噪声测试结果示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

根据远程泵浦光传输方式的不同，可将光纤水听器远程放大方案分为异纤泵浦和同纤泵浦两种。其中异纤泵浦方案中远程光放大泵浦光与光纤水听器信号光采用不同的光纤传输；而同纤泵浦方案中泵浦光与信号光在同一根光纤中传输。虽然异纤泵浦需要更多的传输光纤，但可有效避免高功率泵浦光传输时对信号光的干扰而引入额外的泵浦相位噪声。因此，本实施例公开了一种光纤水听器远程全光传输系统，应用于光纤水听器固定式远程传输阵列，该系统中下行信号光和远程泵浦光分别采用低损耗大有效面积G.654E光纤传输，G.654E光纤可实现下行链路中信号和泵浦光的非线性效应抑制并降低传输损耗，提升下行信号光功率冗余并提高远程泵浦增益。信号光和泵浦光独立传输，也可避免泵浦光对信号光的干扰而引入相位噪声。同时该系统中的上行信号光及后向拉曼泵浦光采用超低损耗ULL-G.652光纤的传输，ULL-G.652光纤可降低上行传输链路损耗，提高分布式受激拉曼放大增益。

参考图1，本实施例中的光纤水听器远程全光传输系统由干端光电信号处理、湿端传输及阵列两大部分组成。其中干端包含信号光的发射及接收解调；湿端包含信号光上下行传输光纤、远程泵浦传输光纤、远程增益单元以及光纤水听器复用阵列等，且湿端不带电。

具体地，光纤水听器远程全光传输系统包括光纤输出组件、光纤水听器复用阵列、遥泵增益单元(RGU)、遥泵单元(RPU)与信号接收解调组件，光纤输出组件包括光纤水听器光调制单元与掺铒光纤放大器（EDFA），信号接收解调组件包括拉曼单元（FRA)、解波分复用器（DWDM）、光电探测器（D _o/e）、模数转换器(A/D)、光纤水听器解复用及相位解调单元。

EDFA输入端与光纤水听器光调制单元的输出端通过光纤相连，EDFA输出端通过远程传输光纤L₁与光纤水听器复用阵列的输入端相连。干端的光纤水听器光调制单元输出光纤水听器复用阵列所需的1550nm波段多波长时分脉冲序列，经EDFA高功率放大后注入信号光下行的远程传输光纤L₁。远程传输光纤L₁采用低损耗大有小面积的G.654E单模光纤传输，相比常规G.652光纤，G.654E光纤有效面积提高约1.5倍至120μm²，衰减系数降低约0.03dB/km，可有效抑制调制不稳定性等非线性效应，提高注入L₁的光功率并降低传输损耗，提升系统光功率冗余。

干端的RPU通过远程传输光纤L₂与RGU的输入端相连。RPU输出1480nm波段远程泵浦光，泵浦光波长通过波分复用和偏振复用提高泵浦输出光功率，并经过泵浦光下行的远程传输光纤L₂传输至湿端的RGU。远程传输光纤L₂采用G.654E单模光纤传输，可降低泵浦光高功率传输产生的拉曼激射效应，提升注入L₂的泵浦光功率并降低传输损耗，增加到达RGU的泵浦光功率以提高RGU增益。

光纤水听器复用阵列的输出端通过远程传输光纤L₃与RGU的输入端相连，光纤水听器复用阵列为N×M复用阵列，其中N为波分复用数，M为时分复用数。经远程传输光纤L₁传输后的下行信号光注入光纤水听器N×M复用阵列。携带传感信息的复用阵列信号经上行链路远程传输光纤L₃传输到达遥RGU。远程传输光纤L₃采用超低损耗的ULL-G.652单模光纤，ULL-G.652光纤衰减系数约0.16dB/km、有效面积为80μm²，相比常规G.652光纤可降低约0.03dB/km的传输损耗，提升到达RGU的信号光功率，降低RGU引入的相位噪声。

RGU由波分复用器、掺铒光纤（Er纤）、光隔离器等全光学器件组成。Er纤采用低掺杂浓度光纤以提高小泵浦功率条件下的小信号增益。RGU位于传输链路的中部靠近阵列处，其增益性能由下行泵浦光功率、下行传输链路损耗、RGU在链路中的位置、泵浦转换效率以及输入信号功率等参数决定。

RGU增益后的信号光继续由上行传输链路远程传输光纤L₄传输至干端信号接收解调组件，其中远程传输光纤L₃和远程传输光纤L₄的长度之和等于远程传输光纤L₁的长度，并且远程传输光纤L₄和远程传输光纤L₂长度相等。

FRA的输入端与远程传输光纤L₄相连，输出端与DWDM的输入端相连。FRA发射1450nm波段高功率泵浦光，经远程传输光纤L₄对上行传输信号进行反向分布式拉曼放大。远程传输光纤L₄采用ULL-G.652光纤传输，可降低拉曼泵浦光和上行信号光传输的损耗，提升分布式拉曼光放大增益并降低系统相位噪声。

DWDM的输出端、D _o/e、A/D、光纤水听器解复用及相位解调单元依次相连。反向拉曼光放大后的输出光经光电探测器及模数转换器后，送入光纤水听器解复用及相位解调单元，进而获得经远程传输及放大后的高信噪比阵列传感相位信息。

实施例2

在确定实施例1中光纤水听器远程全光传输系统的基础上，若需完成该系统的参数设计，则首先应根据光纤水听器传输距离、阵列规模、非线性受限的最大注入光功率等参数，对全光传输系统进行光功率冗余设计，保证返回接收端的光功率在探测器阈值之上；其次需要对远程光放大位置、放大参数等进行优化，使系统有最佳的相位噪声及探测性能。因此，本实施例公开了一种基于相位噪声的光纤水听器远程光放大设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1，基于光纤水听器远程全光传输系统的结构构建相位噪声模型；

步骤2，以遥泵增益单元的位置及光纤水听器远程全光传输系统的光放大增益为控制参数，以保证光功率冗余为约束条件，对相位噪声模型进行仿真优化，直至光纤水听器远程全光传输系统的最终相位噪声最小。

具体地，在图1所示的系统结构中，EDFA、RGU以及FRA组合放大引入的系统噪声主要来源于级联的ASE光强度噪声。该噪声通过光纤水听器两束光的干涉后混入水听器传感信号光中，并经上行传输链路返回干端光电信号处理接收端。在光电探测器中，信号光与ASE光产生拍频噪声s-sp，ASE噪声光自身的拍频噪声sp-sp，经A/D采样混叠及水听器相位解调后，拍频噪声最终转换为系统的相位噪声。因此图1所示组合放大系统引入的相位噪声与各放大器的增益、噪声指数，传输链路损耗、阵列传输损耗、光电探测器带宽、A/D采样率以及相位解调方法等多个光电系统参数密切相关。根据组合放大噪声转换流程，远程放大引入的光纤水听器相位噪声计算过程具体如下：

首先令L ₁~L ₄为远程传输光纤L₁~L₄的长度，α ₁₁为G.654E远程传输光纤L₁在1550nm波段的衰减系数，α ₁₂为G.654E远程传输光纤L₂在1480nm波段的衰减系数，α ₂为ULL-G.652远程传输光纤L₃、L₄在1550nm波段的衰减系数，A为光纤水听器复用阵列的单路波分平均衰减系数，B为单路时分平均衰减系数，N为波分复用重数，M为时分复用重数，则传输光纤L₁~L₄的链路传输损耗IL _L1~IL _L4，以及N×M重复用阵列损耗的IL _Array分别为：

(1)

建立光纤水听器远程全光传输系统中远程光放大ASE噪声及传输链路引入的总噪声指数F _total的计算模型，为：

(2)

式中，F ₁为EDFA噪声指数，F ₂为RGU噪声指数，NF ₃为FRA等效噪声指数，G ₁、G ₂、G ₃分别为EDFA增益、RGU增益、FRA开关增益。RGU单元中，考虑小信号增益条件，单位泵浦光的增益系数为g ₂，且g ₂与RGU的Er纤参数、输入信号功率、泵浦转换效率等参数有关。当RPU输出光功率为P _B时，

。其中，P _B、 G ₁、G ₂、G ₃等参数的约束条件为远程传输光纤L₁~L₄中不发生SBS、MI以及拉曼激射等非线性效应。

建立由信号光与ASE噪声光产生拍频噪声s-sp以及ASE噪声光自身的拍频噪声sp-sp引入的水听器相位噪声模型，为：

(3)

式中，δφ _s-sp 为由噪声s-sp引入的水听器相位噪声，δφ _sp-sp 为由噪声sp-sp引入的水听器相位噪声，h为普朗克常数，ν为光频，B _e为光电探测器的带宽，η _e为光电转换效率，P _in为光调制单元输出光功率，f _s为单通道A/D采样率，B _o为解波分复用器光学带宽；η _d 为强度-相位解调转换系数，由水听器相位解调方法确定，例如：对于基频检测的工作点控制解调方法，η _d=1；对于相位产生载波调制解调方法，η _d≈1.5；

最后，构建相位噪声模型，为：

(4)

式中，δφ _Amp 为光纤水听器远程全光传输系统的光放大器引入的相位噪声。在光电信号解调本底噪声远低于光放大噪声的远程传输条件下，δφ _Amp 即可近似为系统最终相位噪声。

根据以上噪声计算方法，可对远程放大位置、增益参数进行仿真及优化设计，其中，远程放大位置即RGU的位置，也就是远程传输光纤L ₂的长度。以某150km传输的光纤水听器阵列系统为例，采用图1所示G.654E/ULL-G.652组合传输及远程放大方式，将系统参数带入(1)~(4)式，仿真得到RGU位置在80km~150km变化时的相位噪声如图2所示。图2结果表明，遥泵增益单元RGU位于120km时，光纤水听器远程系统噪声最小，约为-92.9dB(re.rad/sqrt(Hz))。根据最小相位噪声评判法则，远程泵浦的最佳传输距离L ₂应为120km。此外，在该模型的实际应用中，还可根据阵列规模、传输距离、传输链路损耗等系统参数，对EDFA、RPU/RGU以及FRA的泵浦功率、增益等参数进行仿真及优化，使本专利提出的远程全光传输及放大结构达到最佳性能。

在具体实施过程中，远程光放大设计的目标是在保证光功率冗余且不发生明显非线性效应的条件下，使系统具有最低的相位噪声。光纤水听器远程全光传输系统光功率预算的计算方法为：光调制单元输出光功率值减去链路传输损耗、阵列损耗，再加入所有光放大增益，计算返回接收端的光功率值。图1系统中返回接收端的信号光功率P _out为：

(5)

为使远程传输阵列系统达到良好的探测性能，P _out应在单波长1μW以上，即保证光功率冗余。在IL _L1~IL _L4和IL _array已定的情况下，可通过在不产生明显SBS、MI和拉曼激射的条件下，适当提高P _in和P _B、增大G₁~G₃等方法以提升系统的光功率冗余。

下面结合具体的示例对本实施例中的设计方法作出进一步说明。

针对某150km传输光纤水听器阵列系统，采用本发明所提出的系统及方法进行仿真，可以得到G.654E/ULL-G.652组合传输结构与常规G.652光纤传输结构的相位噪声对比如图3所示。图3所示结果中，常规G.652链路的最佳RGU位置在105km处，相位噪声为-84.5dB；而G.654E/ULL-G.652组合传输链路RGU在120km处具有最佳相位噪声-92.9dB，降低8.5dB。

参考图4，本发明提出的系统结构以及远程光放大噪声评估方法，已经完成150km传输的光纤水听器试验系统搭建和噪声测试。实测的光纤水听器150km传输阵列通道噪声在-92dB~-93dB之间，噪声性能良好并且与仿真结果基本一致，验证了本专利提出方法的有效性及可行性。

综上所述，本发明提出的光纤水听器远程传输放大系统相比常规系统具有更优的噪声性能；本发明提出的基于相位噪声的光放大噪声计算方法应用于光纤水听器系统时，相比常规光通信NF计算方法，结果更直观有效。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种光纤水听器远程全光传输系统的设计方法，其特征在于，所述光纤水听器远程全光传输系统包括光纤输出组件、光纤水听器复用阵列、遥泵增益单元、遥泵单元与信号接收解调组件；

所述光纤输出组件通过远程传输光纤L₁与所述光纤水听器复用阵列的输入端相连，所述遥泵单元通过远程传输光纤L₂与所述遥泵增益单元的泵浦输入端相连，所述光纤水听器复用阵列的输出端通过远程传输光纤L₃与所述遥泵增益单元的信号输入端相连，所述遥泵增益单元的输出端通过远程传输光纤L₄与所述信号接收解调组件相连；

所述远程传输光纤L₁、所述远程传输光纤L₂均为G.654E单模光纤，所述远程传输光纤L₃、所述远程传输光纤L₄均为ULL-G.652单模光纤；

所述设计方法包括如下步骤：

步骤1，基于光纤水听器远程全光传输系统的结构构建相位噪声模型；

步骤2，以所述遥泵增益单元的位置及所述光纤水听器远程全光传输系统的光放大增益为控制参数，以保证光功率冗余且不发生非线性效应为约束条件，对所述相位噪声模型进行仿真优化，直至所述光纤水听器远程全光传输系统的最终相位噪声最小；

步骤1中，所述基于光纤水听器远程全光传输系统的结构构建相位噪声模型，具体为：

首先令L ₁~L ₄为远程传输光纤L₁~L₄的长度，α ₁₁为G.654E远程传输光纤L₁在1550nm波段的衰减系数，α ₁₂为G.654E远程传输光纤L₂在1480nm波段的衰减系数，α ₂为ULL-G.652远程传输光纤L₃、L₄在1550nm波段的衰减系数，A为光纤水听器复用阵列的单路波分平均衰减系数，B为单路时分平均衰减系数，N为波分复用重数，M为时分复用重数，则传输光纤L₁~L₄的链路传输损耗IL _L1~IL _L4，以及N×M重复用阵列损耗IL _Array分别为：

建立所述光纤水听器远程全光传输系统中放大的自发辐射及传输链路引入的总噪声指数F _total 的计算模型，为：

式中，F ₁为由放大的自发辐射引入的掺铒光纤放大器噪声指数，F ₂为遥泵增益单元噪声指数，NF ₃为拉曼单元等效噪声指数；G ₁、G ₂、G ₃分别为掺铒光纤放大增益、遥泵放大增益、拉曼放大开关增益，

，g ₂为单位泵浦光增益系数，P _B为遥泵单元输出光功率；其中，P _B、 G ₁、G ₂、G ₃的约束条件为远程传输光纤L₁~L₄中不发生非线性效应，非线性效应包括受激布里渊散射、调制不稳定性以及拉曼激射；

建立由信号光与噪声光产生拍频噪声s-sp以及噪声光自身的拍频噪声sp-sp引入的水听器相位噪声模型，为：

式中，δφ _s-sp 为由噪声s-sp引入的水听器相位噪声，δφ _sp-sp 为由噪声sp-sp引入的水听器相位噪声，η _d 为强度-相位解调转换系数，h为普朗克常数，ν为光频，B _e为光电探测器的带宽，η _e为光电转换效率，P _in为光调制单元输出光功率，f _s为单通道A/D采样率，B _o为解波分复用器光学带宽；

构建相位噪声模型，为：

式中，δφ _Amp 为光纤水听器远程全光传输系统的光放大器引入的相位噪声，在光电信号解调本底噪声远低于光放大噪声的远程传输条件下，δφ _Amp 即可近似为系统最终相位噪声。

2.根据权利要求1所述光纤水听器远程全光传输系统的设计方法，其特征在于，步骤2中，所述以保证光功率冗余且不发生非线性效应为约束条件，具体为：以返回接收端的信号光功率P _out在单波长1μW以上，且远程传输光纤L₁~L₄中不发生明显非线性效应为约束条件。

3.根据权利要求2所述光纤水听器远程全光传输系统的设计方法，其特征在于，返回接收端的信号光功率P _out具体为：

。

4.根据权利要求1或2或3所述光纤水听器远程全光传输系统的设计方法，其特征在于，所述光纤输出组件包括：

光纤水听器光调制单元，用于输出所述光纤水听器复用阵列所需的1550nm波段多波长时分脉冲序列；

掺铒光纤放大器，其输入端与所述光纤水听器光调制单元通过光纤相连，输出端与所述远程传输光纤L₁的输入端相连，用于将1550nm波段多波长时分脉冲序列高功率放大后注入所述远程传输光纤L₁。

5.根据权利要求1或2或3所述光纤水听器远程全光传输系统的设计方法，其特征在于，所述信号接收解调组件包括拉曼单元、解波分复用器、光电探测器、模数转换器、光纤水听器解复用及相位解调单元；

所述拉曼单元的输入端与所述远程传输光纤L₄的输出端相连，所述拉曼单元的输出端与所述解波分复用器的输入端、所述光电探测器、所述模数转换器、所述光纤水听器解复用及相位解调单元依次相连。

6.根据权利要求1或2或3所述光纤水听器远程全光传输系统的设计方法，其特征在于，所述远程传输光纤L₃和所述远程传输光纤L₄的长度之和等于所述远程传输光纤L₁的长度，且所述远程传输光纤L₄和所述远程传输光纤L₂长度相等。

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