1 引言

光纤水听器通过高灵敏度的光学探头将声压信号转化为光学可探测信息。常见的干涉式光纤水听器主要基于声压对干涉仪两臂的调制将声压信号转换为光学相位信息,并通过光学相干检测方法恢复所探测的声压信号^[1-3]。光纤水听器阵列远程解调系统通过光缆连接光收发解调模块与探测阵列,能解调几十甚至数百千米外的探测阵列并传输返回的光学干涉信号,实现水声信号的远程探测^[4]。通过光学放大手段可以补偿远程传输光纤的本征损耗,当光纤远程传输损耗在可接受的范围内时,应用分布式光纤拉曼放大器可实现无电中继传输,从而简化传输光缆的设计^[5-6]。为了扩大光纤水听器阵列的探测范围,需要尽可能降低光纤水听器解调相位的噪声功率。在采用分布式光纤拉曼放大器的无电中继远程解调系统中,主要的噪声源是放大自发辐射(ASE)噪声^[7]和双重瑞利散射(DRS)噪声^[8-9]。ASE光与信号光之间的随机拍频在光电探测端表现为光学强度噪声,通过相位解调过程将光学强度噪声转化为解调相位噪声。增加光学放大器的输入光功率能有效减小ASE噪声的影响,但受制于激光在光纤中传输的各种非线性效应,如受激布里渊散射(SBS),传输链路的光功率不能超过各种非线性效应的阈值,这限制了ASE噪声的进一步优化。DRS噪声源于长距离传输光纤中产生的DRS光与信号光之间的随机拍频,在光电探测端也表现为探测光强的随机波动。本文将光纤水听器100 km无电中继远程解调系统的两种噪声源进行分离,通过对光源施加相位调制,降低了ASE噪声和DRS噪声的影响,实现了远程解调系统的噪声优化。本文第2部分对实验系统设置和主要噪声源进行了分析,第3部分通过理论和实验分析了光源相位调制对两种噪声源的抑制作用。

2 系统设置与噪声源分析

2.1 系统设置

100 km远程解调实验系统设置如图1所示。光源为RIO公司生产的超窄线宽激光,线宽小于3 kHz。采用铌酸锂直波导相位调制器对光源输出进行相位调制,不施加相位调制信号时相位调制器表现为固定损耗的光学衰减器(VOA)。声光调制器(AOM)产生时分复用所需的高消光比脉冲信号光,将脉冲信号光传输至马赫-曾德尔干涉仪。干涉仪的一臂为延迟光纤环,另一臂上的一段光纤缠绕在压电陶瓷(PZT)环上以施加相位生成载波调制解调所需的载波信号。由于延迟光纤环引入的时延大于AOM产生的脉冲宽度,故单脉冲信号经过干涉仪后成为双脉冲信号。掺铒光纤放大器1(EDFA1)补偿各器件的光学损耗,并保证下行100 km光纤传输所需的高光功率。下行和上行的100 km光纤均为普通的单模光纤。由VOA2、隔离器(ISO)和迈克耳孙干涉式水听器组成的模拟水听器阵列可模拟具有一定插入损耗的光纤水听器阵列,迈克耳孙干涉仪的臂长差与马赫-曾德尔干涉仪的臂长差一致。EDFA2为前置放大器,可对光电探测前的光信号进行光学放大。系统采用分布式后向拉曼放大器对阵列返回的微弱光信号进行光学放大,上行100 km既可用于传输光信号,也可作为拉曼放大增益介质。解调器接收探测器返回的光电脉冲信号,并从中解调出相位信息。

图 1. 100 km远程解调系统示意图

Fig. 1. Schematic of 100 km remote demodulation system

下载图片 查看所有图片

2.2 噪声源分析

EDFA1输出信号光经过下行、上行100 km传输和阵列插入损耗后,若无后向拉曼放大,上行100 km光纤的输出光功率将低于EDFA2正常工作所需的输入光功率。采用后向拉曼放大器对上行100 km光纤传输的微弱光信号进行放大后,光纤放大器自身的ASE光导致光学信噪比恶化,ASE光与信号光之间的拍频使得强度噪声显著增强。ASE光与信号光拍频导致的相对强度噪声(RIN)功率谱密度为^[10]

Dsig_ASE=2ρASEPs,(1)

式中ρ_ASE为ASE光功率谱密度,P_s为信号光功率。可见,提高信号光功率是减小ASE噪声影响的主要手段,对于图1所示的系统而言,需要尽可能提高下行100 km光纤的输入光功率,以减小ASE噪声的影响。然而,对于下行100 km光纤而言,窄线宽激光的传输功率受到SBS非线性效应的限制,传输光纤的最大输入光功率总是被限制在SBS阈值以内。

实验测量了受SBS阈值限制时远程解调系统的相位噪声,如图2(a)中红色实线所示。此时下行100 km光纤的输入平均光功率约为5.5 dBm,经过下行100 km光纤和模拟阵列的插入损耗后,上行100 km光纤输入即拉曼放大器输入(图1中A点)的光功率P_A=-35.6 dBm。铌酸锂相位调制器未对输入信号施加调制信号。噪声测试结果的低频部分受实验室环境的影响较大,为了客观评价系统自身的噪声水平,以1 kHz频率附近±100 Hz范围内(即900~1100 Hz之间)的噪声功率谱密度均值评价系统噪声,此时的噪声功率谱密度为-90.3 dB/Hz。由于拉曼放大器ASE导致的相位噪声功率与放大器输入光功率P_A成反比,而DRS噪声导致的相位噪声功率不随P_A变化,当系统的主要噪声源为ASE噪声和DRS噪声时,系统相位噪声功率谱密度D_phase可以表示为P_A的函数,即D_phase=D_{phase_ASE}+D_{phase_DRS}=k_ASE/P_A+k_DRS,其中D_{phase_ASE}和D_{phase_DRS}分别为ASE噪声和DRS噪声的功率谱密度,k_ASE和k_DRS为常系数。测量一组不同P_A对应的系统相位噪声功率D_phase,通过最小二乘拟合得到系数k_ASE和k_DRS,即可计算得到不同输入光功率P_A对应的D_{phase_ASE}和D_{phase_DRS}。由于P_A受到下行100 km光纤SBS阈值的限制,当P_A大于-35.6 dBm时,去除下行100 km光纤并用相同损耗的光纤衰减器替代。噪声测试和拟合结果如图2(b)所示,此时可以计算得到不同P_A输入时两种噪声源对系统总相位噪声的贡献,并实现两种噪声源的分离。根据拟合结果计算得到的D_{phase_ASE}和D_{phase_DRS}如表1所示。

图 2. 不同拉曼放大器的输入光功率对应的相位噪声功率谱密度。(a)测试结果;(b)噪声拟合

Fig. 2. Phase noise power spectral density at different input optical powers of Raman amplifier. (a) Test results; (b) noise fitting

下载图片 查看所有图片

从表1中的数据可见,当下行光功率受限于SBS阈值(P_A=-35.6 dBm)时,D_{phase_ASE}和D_{phase_DRS}的拟合结果分别为-91.0 dB/Hz和-97.2 dB/Hz,此时ASE噪声是系统的主要噪声源。通过提高P_A可减小ASE噪声的影响,从而可有效降低系统整体的噪声水平。但当P_A增大至-29.5 dBm时,D_{phase_ASE}和D_{phase_DRS}分别为-97.1 dB/Hz和-97.2 dB/Hz,两者对系统噪声的贡献相当,此时需对DRS噪声进行优化,才能进一步降低系统整体的噪声水平。

3 光源相位调制与系统噪声优化

3.1 光源相位调制与SBS阈值提高

对振幅为E₀、频率为ω₀的激光光源[电场强度E=E₀exp(jω₀t)]施加ϕ(t)[ϕ(t)=A_mcos(ω_mt)]的相位调制后,相位调制输出为

Eout=E0exp{j[ω0t+Amcos(ωmt)]}=E0∑k=-∞∞(-1)kJ2k(Am)exp[j(ω0+2kωm)t]+E0∑k=-∞∞(-1)kJ2k+1(Am)exp{j[ω0t+(2k+1)ωmt+π/2]},(2)

式中A_m为相位调制幅度,ω_m为相位调制频率,J_k(A_m)为自变量A_m的k阶贝塞尔函数(k为整数)。由(2)式可以看出,原输入光谱出现光谱分裂现象,各个光谱分量的中心频率为ω₀+kω_m,对应的光功率为 E02Jk2(A_m)。当输入光源的线宽远小于ω_m时,调制输出光谱表现为多波长激光光源的叠加,如图3(a)所示。图3(a)中A_m=2.2 rad,横坐标k表示频率为ω₀+kω_m的激光光谱分量,纵坐标 Jk2(A_m)表示输出光谱分量相对于输入光的归一化光功率。SBS阈值提升比例由最大功率子光谱的归一化功率决定,子光谱SBS增益带宽不重合时的阈值提升比例为

R=1/max[Jk2(Am)]。(3)

按文献[ 11]的方法通过实验测量了不同相位调制幅度对应的SBS阈值提升比例,如图3(b)所示,此时相位调制频率为40 MHz。图中曲线为按(3)式计算得到的理论值,可见实际测得的阈值提升比例与理论值相符。当相位调制幅度为2.2 rad时,SBS阈值提升了约5.2 dB。较高的SBS阈值对应较高的光纤传输光功率和拉曼放大器输入光功率,从而减小ASE噪声的影响。

图 3. (a)相位调制输出光谱;(b)SBS阈值提升比例

Fig. 3. (a) Output spectrum with phase modulation; (b) SBS threshold promotion ratio

下载图片 查看所有图片

3.2 光源相位调制与DRS噪声抑制

由于系统采用相干性极好的超窄线宽激光源,远程传输光纤中的DRS光会与信号光发生干涉,将光源相位噪声转化为强度噪声,使得DRS噪声成为远程光纤传输系统的一种基本噪声源。在分布式光纤拉曼放大过程中,DRS光经历了往返两次放大,其影响较无源远程传输过程更为显著^[12]。根据前人的研究,DRS光与信号光干涉导致的相对强度噪声^[13]为

DDRSf)∝F[<RεdirτRεdir*(τ)>],(4)

式中R_εdir为直接传输光的归一化自相关函数,F表示傅里叶变换。若直接传输光的归一化光谱为S(ν),根据Wiener-Khinchin定理,F[<R_εdir(τ)>]=S(ν),则由傅里叶变换的基本性质可得

DDRSf)∝F[<RεdirτRεdir*(τ)>]=∫0∞S(ν)S(ν+f)dν。(5)

根据(2)式,利用铌酸锂相位调制器对光源施加高频ω_m,得到归一化光谱S(ν)=∑k=-∞∞Jk2(A_m)S(ν+kω_m)。将S(ν)代入(5)式,若ω_m远大于激光器线宽,则在远低于ω_m的频域区间,调制后DRS导致的RIN功率与调制前相比, 其抑制比为

RDRS=D'DRS/DDRS=∑k=-∞∞Jk4(Am),(6)

其大小仅与A_m有关。绘制DRS所致RIN功率抑制比随A_m的变化曲线如图4(a)所示,噪声抑制效果随着A_m的增大逐渐增强,当A_m为2.2 rad时,RIN功率抑制比约为-6.2 dB。在图1所示的系统中去除下行100 km光纤以消除SBS效应的影响,调节VOA1使P_A为-29.5 dBm,同时给铌酸锂相位调制器施加幅度为2.2 rad、频率为40 MHz的正弦相位调制信号,测量此时光电探测器输出的RIN,并与无相位调制的情形进行对比,结果如图4(b)所示。低频区间的主要噪声源为DRS噪声,施加相位调制后RIN明显下降。高频区间受ASE噪声等其他噪声源的影响,两条曲线之间的差值逐渐减小,在100 kHz以上区间则基本重合。两条曲线在10 kHz附近±1 kHz频率范围内差值的均值为6.1 dB,与理论分析结果(6.2 dB)基本一致,即通过铌酸锂相位调制器施加相位调制后,DRS导致RIN减小,其通过解调过程导致的相位噪声同比例下降。

图 4. 相位调制与DRS所致RIN功率抑制。(a)理论值;(b)实验结果

Fig. 4. RIN power suppression induced by DRS and phase modulation. (a) Theoretical result; (b) test results

下载图片 查看所有图片

3.3 光源相位调制与远程解调系统噪声优化

根据上述分析,光源相位调制方案对远程解调系统的两种主要噪声源(ASE噪声和DRS噪声)均具有良好的抑制效果。施加相位调制可提高传输光纤的SBS阈值和远程传输的光功率,从而减小ASE噪声的影响。当ASE噪声被抑制、DRS成为系统的主要噪声源时,光源相位调制方案对DRS噪声的抑制作用将进一步优化远程解调系统的相位噪声。

图 5. 铌酸锂相位调制器施加相位调制前后的测试结果。(a)相位噪声功率谱密度; (b)信号幅度

Fig. 5. Test results when lithium niobate phase modulator is with and without phase modulation. (a) Phase noise power spectral density; (b) signal amplitude

下载图片 查看所有图片

对于图1所示的实验系统,保留下行100 km光纤,以模拟实际的100 km远程解调系统。通过铌酸锂相位调制器施加幅度为2.2 rad、频率为40 MHz的正弦相位调制信号。此时由于SBS阈值的提高,拉曼放大器的输入光功率P_A可达-30.4 dBm,较无光源相位调制时(-35.6 dBm)提高了5.2 dBm。对比在有无光源相位调制条件下解调器解调得到系统的信号输出或相位噪声测试结果如图5和表2所示。由图5(a)可见,铌酸锂相位调制器对传输信号施加相位调制信号后,1 kHz频率附近的相位噪声功率谱密度从-90.3 dB/Hz下降至-95.5 dB/Hz,下降了5.2 dB/Hz。结合表2和第2.2节的噪声拟合结果,对相位调制对ASE噪声和DRS噪声的影响进行分析,分析结果表明:拉曼放大器的输入光功率提高了5.2 dB,ASE噪声功率谱密度从-91.0 dB/Hz降至-96.2 dB/Hz,下降了5.2 dB/Hz;相位调制幅度为2.2 rad时DRS噪声的抑制比为6.2 dB,DRS噪声功率谱密度从-97.2 dB/Hz降至-103.8 dB/Hz。两种噪声功率叠加后,系统的相位噪声功率谱密度为-95.4 dB/Hz,与实际测量结果(-95.5 dB/Hz)基本一致。光源相位调制对两种噪声源的抑制共同优化了系统相位噪声,若DRS噪声未能得到有效抑制,DRS噪声功率谱密度(-97.2 dB/Hz)接近SBS阈值提升后的ASE噪声功率谱密度(-96.2 dB/Hz),限制了系统总相位噪声的优化效果。为了观察铌酸锂相位调制器施加的相位调制信号对信号解调的影响,将信号发生器产生的峰峰值为1 V的正弦电压信号加载至马赫-曾德尔干涉仪中的PZT环上,相当于在干涉系统中引入了一定幅度的正弦相位变化,可用于模拟声信号输入。实验测量了光源相位调制前后对此相位信号的解调结果,如图5(b)所示,可见光源相位调制方案对信号解调结果并无明显影响。

4 结论

对光纤水听器无电中继100 km远程解调系统的噪声进行了分析,结果表明:由于下行100 km光纤的传输功率受限于SBS效应,光纤链路传输功率较低,系统的主要噪声源为拉曼放大器的ASE噪声;当拉曼放大器的输入光功率逐渐升高时,DRS噪声对系统总相位噪声的贡献逐渐增大,可能成为系统的另一主要噪声源。通过在光源输出端增加铌酸锂相位调制器,进行光学相位调制,可有效提高远程传输光纤的SBS阈值、增大传输光功率,从而可抑制ASE噪声。同时,光源相位调制能有效减小拉曼放大器中传输信号的DRS噪声,使其不会成为限制远程解调系统的主要相位噪声源。通过对100 km远程解调系统的光源施加幅度为2.2 rad、频率为40 MHz的正弦相位调制信号,实验获得了5.2 dB的相位噪声优化效果,有效地增大了光纤水听器阵列的探测范围。