申请/专利权人：中国人民解放军国防科技大学

申请日：2019-06-21

公开（公告）日：2020-09-18

公开（公告）号：CN110266392B

主分类号：H04B10/50(20130101)

分类号：H04B10/50(20130101);H04B10/508(20130101);H04B13/02(20060101);H04J14/02(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.09.18#授权;2019.10.22#实质审查的生效;2019.09.20#公开

摘要：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。

主权项：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： 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。

全文数据：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×MN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：PhaseSensitivityCharacterizationinFiber-opticSensorSystemsUsingAmplifiersandTDM。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-WaveMixing，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1M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-1M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AmplifiedSpontaneousEmission，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SignaltoNoiseRatio，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1M。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：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Mβ，则α与β满足以下关系式：β＝α-k×M,k＝1～K11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MN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。

权利要求：1.一种多波长光脉冲错峰输出组件，其特征在于，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，即实现多波长光脉冲的分波长延迟错峰输出。2.根据权利要求1所述多波长光脉冲错峰输出组件，其特征在于，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。3.根据权利要求1或2所述多波长光脉冲错峰输出组件，其特征在于，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。4.一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至3任一项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。5.根据权利要求4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。6.根据权利要求4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1M。7.根据权利要求4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。8.根据权利要求4至6任一项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，当权利要求1至3任一项所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：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。9.根据权利要求4至6任一项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，所述延迟光纤的线圈直径为8～12cm。

百度查询： 中国人民解放军国防科技大学 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

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