（光学工程专业论文）多路光纤相干检测信号的时分复用技术研究.pdf

璺堕型兰垫查查兰翌丝兰坠兰垡堡兰捅费时分多路复用( t d m ) 技术作为最简单有效的复用方案，广泛应用于光纤传感器阵列设讨中。本文在比较己有的多种时分复用方案基础上，设计了一种利用光开关产生光脉冲，用延时光纤实现通道间延迟的四路干涉型光纤水听器时分复用系统。该系统有很好的扩展性，其结构及理论可应用于更大规模的时分复用系统：并且易于与空分、波分等其它复用方案相结合。本文首先分析了所用的光波导定向耦合器开关原理，给出了静态性能测试结果；其次分析了时分复用系统工作机理。该系统中，通过高速光开关驱动电路和探测电路的设计，实现了高频复用信号的产生和探测；利用o s p 控制光开关发出脉冲和采集卡p c i 一9 8 1 2 丌始采样的同步，完成了复用信号的采集和解复用；通过合理设计时分复用中相位产生载波( 1 1 g c ) 检测的笑键参数，实现了光纤水听器的四路时分复用信号的解调。划实际系统进行串扰测试得出通道f l 串扰在一1 6 d b 一2 0 d b 之间，串扰主要由高速转换下光丌关输出脉冲消光比不足带来。通过仿真分析串扰对波束指向性的影响，得出了阵列两端基元较中间基元的串扰对波束指向性影响更大的结论，这结果对光纤水听器成阵技术有较大指导意义；同时得出四基元阵列通道间串扰达到一2 0 d b 时，波束指向图重合很好，主瓣宽度仅减小0 1 7 2 ”，串扰的影响基本可以忽略。关键词：干涉型光纤水听器时分复用光开关串扰波束指向性p g c 调制解调第1 负田防科学技术人学研究生院学位论文a b s t r a c ta so n eo ft h es i m p l e s ta n dm o s te f f i c i e n ts c h e m e s ，t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( t d m ) i sa p p l i e dt ot h ed e s i g no ff i b e r o p t i cs e n s o ra r r a y sw i d e l y a f t e rt h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tt d ms c h e m e s ，as y s t e mo fi n t e r f e r o m e t r i cf i b e r - o p t i ch y d r o p h o n eu s i n gt d mt e c h n i q u ei sd e s i g n e da n di t sm a i n l yc o m p o n e n t sa r ead i r e c t i o n a l c o u p l e ro p t i c a ls w i t c ha n dd e l a yc o i l s b a s e do nt h i ss c h e m e ，t h en u m b e ro fh y d r o p h o n e sc a nb ee n l a r g e d ，a n di t se a s yt oh y b r i dw i t hs p a c e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga n dw a v e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gi nt h i sp a p e r ，f i r s t l yt h ew o r km e c h a n i s mo fo p t i c a ls w i t c hw a sd e s c r i b e da n dt h es t a t i cp e r f o r m a n c et e s t i n gw a sc a r r i e do u t t h e nt h e4 一e l e m e n tt d ms y s t e mw a sa n a l y z e da f t e rt h eh i g h s p e e do p t i c a ls w i t c hd r i v e rc i r c u i ta n dd e t e c t i o nc i r c u i tw e r ed e s i g n e d ，t h eg e n e r a t i o na n dd e t e c t i o no fm u l t i p l e x i n gs i g n a l sw a sa c c o m p l i s h e d b yt h eu s eo fd s pt oc o n t r o lt h eo p t i c a ls w i t c ha n dp c i 一9 812t ob es y n c h r o n o u s ，t h es i g n a l so fd i f f e r e n tc h a n n e l sw a ss a m p l e da n dc o r r e c t l yd e m n l t i p l e x e d ，i nt h ee n d ，t h e4 - e l e m e n tt d ms i g n a l sw e r ed e m o d u l a t e du s i n gp h a s e g e n e r a t e dc a r r i e r ( p g c ) t e c h n i q u e t h em e a s u r e m e n tr e s u l t so b t a i n e ds h o wc r o s s t a l kl e v e l so fd i f f e r e n tc h a n n e l sw a si nt h er a n g e 一1 6 d bt o 。2 0 d b ，a n dc r o s s t a l ka r o s ec h i e f l yd u et oi n c o m p l e t ee x t i n c t i o no f t h ei n p u tp u l s eg e n e r a t e db yt h eo p t i c a ls w i t c ho nt h eb a s i so fs i m u l a t i o n ，ac o n c l u s i o nt h a te r o s s t a l kc o m i n gf r o mh y d r o p h o n e si nt h eb o r d e ro fr e r a yh a sd e e p e re f f e c t so na r r a yd i r e c t i o n a lr e s p o n s et h a nt h o s ei nt h em i d d l ew a sd r e w , a n dt h er e s u l ti su s e f u lf o rt h el a y o u to fa r r a y s a n o t h e rc o n c l u s i o nw a st h a tw h e nt h ec r o s s t a l kl e v e l so fa4 - e l e m e n ta r r a ya r el e s st h a n 2 0 d b ，t h e 一3 d bw i d t ho fm a i nl o b ed e c r e a s e s0 17 2 0a n dt h ee f f e c tc a nb ei g n o r e d k e yw o r d s ：i n t e r f e r o m e t r i cf i b e r - o p t i ch y d r o p h o n e ；t d m ；o p t i c a ls w i t c h ；c r o s s t a l k ；b e a md i r e c t i o n ；p g c第1 i 页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文题目：垒整左红担王捡型焦曼鲍吐金星周撞盔婴窥学位论文作者签名壹蠢夔日期：2 0 d ，年f f 月2 r 日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题日：垒整出红担王捡趔焦曼垃盟佥复围捷盔盟窥学位论文作者签名：亟墨避日期：删年月嘶作者指导教师签名：j 占丛- 巡日期：孝年，月z 驴璺唑型兰丝查查兰型窒圭堕兰竺笙兰_ _ 一一一一图表目录表1 1不同复用方案性能比较图11独立探头式非平衡梯状时分复用系统图12独立探头式平衡结构的时分复用系统幽13利用光开关分时转换实现的复用系统图2 1x 切质子交换光波导图221 4 光丌关结构示意图图2 3光丌关测试系统图表2 1光丌关静态测试结果图24l i n b o3 干涉式强度调制器图3 1水听器四路时分复用系统图图32时分复用系统串扰测试实物图图3 3通道2 串扰测试图图3 4 通道3 串扰测试图图3 5通道4 串扰测试图图3 6二号探头加多频声信号频谱图图3 7第l 、3 、4 通道对2 通遂多频串扰频谱图圈3 8光”关消光比不足时各通道脉冲示意图图3 9光开关输出脉冲图表31光丌关输出脉冲各时段幅度表3 2光丌关输出脉冲各时段消光比图3 10 数据采集卡p c i 一9 8 l2 本底噪声频谱图图3 1 1 光电探测器及其放大电路的本底噪声频谱图圈3 1 2 系统正常工作时各通道噪声频谱图图4 1平面波入射均匀线阵列模型圈4 2四基元阵列通道l 存在串扰时波束指向比较图图4 3四基元阵列通道2 存在串扰时波束指向比较图图4 4四基元阵列通道3 存在串扰时波束指向比较图图4 5四基元阵列通道4 存在串扰时波束指向比较图表4 1四基元阵列主瓣宽度随各通道串扰变化情况图4 6不同通道串扰导致主瓣宽度改变图( 四基元)图47八基元阵列通道1 存在串扰时波束指向比较图图4 8八基元阵列通道2 存在串扰时波束指向比较图o；p一一mm他m”加如引引砣盟”拍拍”mm 伪珊固防科学技术人学研究生院学位论史图4 9图41 0图4 1 1图4 1 2图413表4 2图5 1图52八基元阵列通道4 存在串扰时波束指向比较图八基元阵列通道6 存在串扰时波束指向比较图八基元阵列通道8 存在串扰时波束指向比较图不同通道串扰导致主瓣宽度改变图( 八基元) 四基元阵列多通道串扰对波束指向性影响( 0 9 0 度)四基元阵列多通道存在串扰时波束指向性变化情况p g c 检测方案框图信号3 k h z 各通道时域和频域图3 03 03 13 13 33 33 53 9固防科学技术人学研究生院学位论义第一章干涉型光纤水昕器阵列及复用技术概述1 1 干涉型光纤水听器发展现状随着各种先进技术在潜艇制造工艺中的应用，现代潜艇在水下运行时噪音不断降低，这给反潜作战带来巨大挑战。而常规探测潜艇的压电水听器出于压电材料物理本质的原l 捌其灵敏度己接近极限值，使得电缆连接的海底声纳警戒系统的探潜能力受到了极大的限制。这迫切需要发展一种崭新的水下声场探测装置来应付同益严峻的水声对抗形势。美图海军研究实验室在七十年代后期提出的可以利用光纤作换能器研制光纤水听器的新方案，则给处境艰难的被动水声探测技术带来了新的希望。光纤水听器是光纤压力传感器的种具体应用形式，也是最早得到发展的一种光纤传感器。它通过水巾声波对光纤的压力作用改变光纤芯的折射率或长度，从而引起在光纤中传播光束光程改变，导致相位发生变化；采样干涉测量技术可检测出相位变化，并得到有关水声的信息。与压电陶瓷或压电晶体型的传统水听器相比，光纤水听器具有很大的优越性。它利用光的相位干涉作为探测手段，探测灵敏度极高，响应频带也较宽；它以光纤作为信息的传感与传输媒介，而以光为载体的信息可以进行超远距离的传输，既不会被电磁干扰也无发4 i 泄漏的危险。因此光纤水听器优异的特性使它具有十分看好的军事应用前景。8 0 年代以来，随着研究的丌展，光纤水听器技术取得了长足的进步，已有多种高性能丸纤水听器系统问世，这其中的工作尤其以美国方面最为突出。美国海军研究实验室和【一it t o n 公司等先后研究开发了基于m a t h z e h n d e r 、m i c h e l s o n 光纤干涉仪的光纤水听器，主要有心轴型、推挽型和平面型等结构。其典型系统性能可达到本底噪声低于海况零3 0 d b ，动态范围超过1 2 0 d g ，并且从1 0 h z 到l o k t l z 均能有平坦的频响，这样的指标是传统水听器无法比拟的。1 2 光纤水听器阵列发展概况由于水下声场的复杂性，单元水听器很难获得目标的全部详细信息，需要把光纤水听器复接成阵列的形式应用，通过水听器阵列完成声场信号的波束形成，实现对水下目标的定位与指向1 。因此阵列是光纤水听器在未来军事上应用的主流趋势。在未来军事领域应用的光纤水听器阵列将向着多节点，大监控范围的方向发展，每个阵列将包含几十甚至上百个节点，几百公里的监控范围。通过对阵列信号的处理可以极大的提高整个系统的探测第l 页里坠型兰丝查查兰丝垒竺堕兰堡篁兰性能，获取更多有关水下目标的信息。从8 0 年代中后期丌始，美国海军研究试验室( n r l ) 、英国国防研究局( d r a ) 等最先研究光纤水听器技术的机构，以及r 本、俄罗斯、法国、意大利等有关公司、部门和大学均投入了力量进行光纤水听器阵列的研究。各国研究进展有：1 9 8 6 1 9 8 8 年，英国p l e s s e y因防研究分公司和海军系统分公司成功进行了海底监视阵列实验( 6 单元和8 单元光纤水听器) ，19 9 0 年性能更好且能抑制背景噪声的新型监视阵列在英吉利海峡上使用( 1 5 单元的光纤水听器) ，1 9 9 1 年由1 0 单元构成的声纳拖曳阵列样品交付国防部；1 9 9 0 年6 月，美因l i t t o n 公司研制的平面型光纤水昕器阵列首次在6 6 8 级攻击潜艇上进行演示实验。“；i 9 9 0 年1 2 月美国4 8 单元全光拖曳阵海上试验表明光纤水听器阵列抗流噪声的性能符合和优于相关的海军要求；1 9 9 6 年美国海军研究实验室提出a o d s 概念( a 1 卜o p t i c a ld e p o y a b l es y s t e m ) ，并完成了海上3 2 基元光纤水听器阵列的展开与演示验证；2 0 0 0 年9 】m t l o u s t o n 与p n a s h 报告了一个大规模全光光纤水听器系统，浚系统含有9 6 基元，传输距离8 公咀，可用以勘探地下石油或天然气储备：2 0 0 0 年法国、意大利、挪威进行了4 单元光纤水听器阵列测试，2 0 0 2 年进行了3 2 单元l 公罩海上演示实验：2 0 0 2 年8 月我国中科院声学所与国防科大等单位联合在渤海进行了3 2 基元全光光纤水听器阵列实验，以验证光纤水听器应用于海洋石油勘探及水声物理研究的可行性”1 。1 3 光纤水昕器多路复用技术光纤水听器在反潜战中的系统应用主要是阵列应用，首先需要把水听器复接成阵列配冒，因此多路复用对于光纤水听器技术的现实应用和成本方面的有效性是个关键因素。“。近年来各国也将光纤水昕器技术的研究重点集中到如何充分利用光纤传输损耗低，传输带宽人的特点，并结合集成光电子器件的最新进展，实现对光源，光纤以及光电探测器的多路复用 二。通过用较少的组件形成分布式光纤水听器阵列，既低了系统成本，又可以降低维护i ：的复杂程度。经过2 0 多年的发展，受光纤通信技术及光纤传感技术推动，光纤水听器多路复用技术己发展了多种方案，其中研究较多的有：空分复用( s d m 、时分复用盯踟) 、频分复用( f d m ) 、波分复用( w d m ) 、相干复用( c m ) 、偏振复用( p m ) 以及多种方式的混合复用等。但到目i h ，只有基于时分，空分，波分和频分方案取得了在复用数目达到l o 个以上时，串扰仍能f l 毛于- - 4 0 d b ，相位检测能达到1 0 r a d 舷尼的效果，这是水听器应用的典型目标。空分复用( s d m ) 是一定数量的光纤传感器，每一个均和各自的输入和返回光纤连线构成一个传感通道，通过共用一个公共光源和一个多路探测器阵列来组成复用网络。该方案简单易于实现，且没有串扰，但是不适合传感基元数大于1 0 2 的应用场合。空分复用是当前我们教研室所研制的4 8 路光纤水听器阵列中所采用的复用方式，该阵列在p g c 解调技第2 页圜防科学技术大学1 i j f 究生院学位论 2 =术基础上利用一个高功率光源和4 8 个探测器完成y x q4 8 路光纤水听器的复用。频分复用( f d m ) 技术一般与相位调制载波( p g c ) 技术相结合，通过将光源在不同的频率进行调制，一定数目的信号合并后由单根返回光纤传送至同一个探测器，在相应的信号解调处理后获得各自独立的输出”。频分复用中光源数目s 、探测器数目d 和总传感器复刚数日n 有n = s d 的关系。美国海军研究实验室( n r l ) 用此方案对总数为4 8 单元的水听器成网组成的阵列成功地进行了海上实验，证实了这种体系结构的低阂值检测能力和低的串扰，国内哈尔滨工程大学等单位也进行了该方面的研究。波分复用是多个不同波长的光混合后经过单根光纤传输，到达湿端由一个波分解复用器分成多路进入传感器阵列，拾取信号后合束经单根光纤传回岸上，解复用后用对不同波长响应的光电探测器进行探测，得到多路信号。波分复用的优点是没有电门、频率调制和多重频率载波等装置，能简化后端电路和信号的提取有较小的相位噪声；并且易于与其它复用方式相结合如w d m + s d m ”。，w d m + t d m “”。，从而大大提高系统的复用能力。时分复用技术是将窄的光脉冲输入到一个透射型或反射型网络中，探测延时量为，= ，c 时洲的脉冲( 其中上，是第f 个传感器对应的光纤线的长度，n 是光纤芯的折射率，c 是真空光速) 。时分复用技术在实现较大数目的传感器复用时，大大减少了光源，探测器及光纤连接线的使用数量，从而降低了系统成本，提高了器件的利用率。时分复用结构的最大复用能力，及阵列中最多可容纳的节点数主要受光功率和信号采样率的限制哺1 。英国国防研究局( d r a ) 利用时分复用，使用单个激光器完成了由3 2 基元组成的水听器阵列；英国p l e s s e y 公司用时分复用( t d m ) 光程匹配差分干涉测量( p m d l ) 问询的反射测量体系做了1 5 单元水听器的静态水下监视系统试验；美国海军实验室( n r l ) 用时分复用相位产生载波( p g c ) 的问询体系结构进行了1 0 单元的光纤水听器阵列演示试验，并证实了其低的光背景噪声( 1 2 , a r a d 胁7 2 ) 和低的串扰( 一6 5 d b ) ”。在国内，电子工业部2 3所利用时分复用技术做了1 6 单元的水听器阵列试验。在设计个复用系统时，必需考虑一下几方面的因素”。：l 、通过一根和两根光纤尽可能地使传感器复用数目达到最大。2 、最大程度地利用光功率，保证光能量低损耗地在各传感器间有效分配3 、将传感器之间的串扰减小到最小4 、保证复用后的传感器与单个传感器有相比拟的性能5 、保持传感器阵列的全光化根据系统设计所关心的多种因素。文献 6 对几种复用方案进行了比较：第3 页里塑型兰丝查查兰竺垒竺坠兰竺堡兰表i i不同复州方案性能比较e a s eo fe x t r a c t i n gc o m p o n e n tp h a s er e d u c t i o ni np o v e rc h a n n e l c h a n n e lm u x e ds i g n a l sc o m p l e x i t yn o i s en o o fl e a d se f f i c i e n c ys e p a r a t i o nw d me x c e ll e n tp o o re x c e ll e n tp o o re x c e ll e n tf a i r g o o dt d mf a i rg o o de x c e l l e n te x c e l l e n tf a i r g o o dg o o df d mf 8 “g o o df a i rg o o df a i rg o o d从上表口 以看出，每种夏用结构都有冥优缺点，根据系统设计所需考虑的各种条件( 包括经济、可靠性、传感器数目、光源输出光功率、所需光纤长度等) ，可以选出最优的复用方案。实际应用中，我们也通常选择两种或更多复用相结合的方式，以扬长避短，实现系统结构的最优化。例如：美国海军实验室在1 9 9 0 年对用波分复用复接两个平行的时分复用相位产生载波问询的光纤水听器子阵列做了演示，一个子阵列由8 3 5 n m 波长的l o 个传感器组成，另一个由7 9 0 n m 波长的4 个传感器组成。“：1 9 9 6 年，一个由波分和时分复用组成的6 4 单元光纤水听器阵列在光纤传感器会议上报道，并论证了该系统有潜力通过3 根独立的光纤使水听器复用数目达到1 2 8 。在众多复用方案中，时分多路复用( t d m ) 技术被认为是最简单有效的方案：。一般的时分复用方案都是一定长度的延迟光纤来提供相应的时间延迟，只要输入脉冲的宽度t小于光纤延迟时问r ，从水听器返回的脉冲在输出光纤上就不会重叠“。光纤水听器基于时分复用存在着不同的网络结构。根据脉冲信号从水听器返回的方式不同，可分为透射式。和反射式“一“1 两大类：根据信号产生干涉方式不同可分为独立探头式 13 1 1 和外差干涉式l ”“。两种。外差干涉系统输入频率略有不同的脉冲对，经过传感器阵列形成多个脉冲对，其中上个节点后一脉冲与后一节点前脉冲发生干涉。这种方案的传感头光纤同时可作为延时光纤，分支光路同时构成干涉仪，减小耦合器数量的同时提高光功率利用率，但是探头受外界的f 二扰较大。独立探头式时分复用系统中，单个输入脉冲经过传感器阵列后将产生一系列输出脉冲，这些时间上交替输出的脉冲代表着各个传感器输出干涉条纹的时间采样。这种方案可分两种结构，一种由相同长度的延迟光纤，一组变耦合率的耦合器组成非平衡梯状结构( 图11 ) ：另一种由固定耦合率的耦合器和一组不同长度的延迟光纤构成平行分支结构( 图1 2 ) 。卜图为采用独立探头的四路非平衡透射式梯状网络结构简图：第4 负国斩科学技术大学研究生院学位论文剀ll独立探头式非平衡梯状时分复用系统图1 1 所示网络结构中，三段延迟光纤长度相等。为了保持各通道中光功率的均衡，在不考虑复用系统带来的附加损耗的情况下，3 对进行功率分配的耦合器的耦合率应依次为1 4 、l 3 和l z 。由于该方案需要一组变耦合率结构的祸合器来保证功率均衡，对耦合器的制造提出了较高要求“。、j ：分支结构的时分复用方案可使用常用的耦合器、不同长度的延迟光纤组成，其叫路复用系统的结构简图如下所示：0 2幽l2 独立探头式平衡结构的时分复用系统浚方案山于结构是基本平衡对称的，在忽略延迟光纤所带来的损耗的情况下，l 4祸合器即可实现各通道光强基本一致。但是所需要的延迟光纤相对非平衡方案曾多，光纤长度成等差数列依次增加。考虑到光纤延迟型时分复用系统能量损耗大且系统较为庞大等缺点，我们教研室曾设汁过一种通过控制1 4 定向耦合型光开关，使光功率在四尾纤上分时转换来实现的光纤水听器时分复用的方案2 1 1 ，如图1 3 所示：) 3 d b 台器熔接点幽i 3 利h 光开关分时转换实现的复用系统第5 页固趼科学技术大学研，生院学位论义同普通的光纤延迟型时分复用系统相比，该方案在提高光功率的利用率，简化系统结构上具有一定的优势。但是这种基于光波导丌关的时分复用系统对光开关的要求较高，系统在任意时刻都要求只有一个通道导通，而其他通道完全关断，光开关单级关断的消光比不足直接导致了复用系统存在较大通道串扰。光刀。关的消光比是制约这种方案发展的关键i 鲴素。1 4 课题研究的内容及意义我校光纤信息技术教研室在保偏光纤器件技术的基础上，研制了全保偏光纤水听器，成功实现了4 8 单元的空分复用水听器阵列。但是空分复用对光纤的利用率不高，不适于大阵列探测。本课题丌展的工作就是在已实现的光纤水听器系统的基础上，进行光纤水听器时分复用系统的研究。时分复用的发展，是实现干涉型光纤传感器大规模复用上极其有潜力的一项技术，其研究可以推动教研室光纤水听器大规模阵列的发展。奉课题在比较多种时分复用方案的基础上，结合实验室现有条件设计了种利用光丌关产生光脉冲，用延迟光纤实现通道闻延迟的四路光纤水听器时分复用系统( 见图3 1 ) 。该方案有很好的扩展性，其结构及理论可应用于更大规模的时分复用系统：并且易于与空分、波分等其它复用方案相结合。我们对所用的光波导定向耦合器开关原理进行了分析，测试了它的静态性能，分析了影响光丌关消光比的因素；同时提出了一种利用干涉式光波导强度调制器作为时分复用系统脉冲发生器的方案。搭建了以光丌关为核心的光纤延迟型四路时分复用系统。用o t d r 精确测量了光纤长度，以保证各通道有准确的延迟时间；设计了高速光开关驱动电路以及探测电路、实现了高频复用信号的探测以及解复用：对复用的四路水听器串扰性能进行了多次测试，并分析了串扰主要来源：对系统噪声和损耗进行了测试和分析。时分复用系统信号检测采用了内调制相位生成载波( p g c ) 调制解调技术，分析了p g c凋制解调对时分系统复用数目的限制。以及通道间时间延迟对信号幅度的影响。当水听器复用系统中存在通道间的串扰时，将会改变晟终阵列的波束合成结果。我们仿真分析了四基元和八基元阵列各通道分别存在不同程度的串扰时对波束指向性的影响。我国是一个海洋大国，有辽阔的海疆、漫长的海岸线，而且发达城市一般都集中在沿海区域。我国的周边海域一直是热点地区，有必要大力发展反潜预警装备，以防止敌潜艇的水下入侵。开展光纤水听器阵列复用技术的研究，在军事上具有深远的现实意义“。第6 页里堕些兰垫查叁兰竺垒竺堕兰堡堡兰第二章光开关原理及性能测试实现光调制的方法有两种：一种是用调制信号直接控制激光器的振荡参数，使输出光特性随信号而变，称为内调制：另一种是用调制信号直接作用于激光腔外的调制器，产生某种物理效应( 如光电、声光、磁光、热光等) ，使通过调制器的激光束参数随信号而变，称为外调制【“。电光效应调制器利用某些电光晶体，例如铌酸锂晶体( l in b o , ) 、砷化稼晶体( g a a s ) 和钽酸锂晶体( l i t a o ，) 的光电效应制成，通过外电场的作用使晶体折射率发生变化，从而引起光波在晶体中传播特性的变化，实现调制功能。根据被调制的载波参数，可分为相位调制、强度调制和偏振调制等“”。光纤水听器时分复用系统需要对光源进行强度调制，以产生高消光比的窄脉冲，这是时分复用实现的关键之一。光电式光丌关和光电效应强度调制器都是利用光电效应实现输出光强随调制电压的变化而变化，并且调制带宽在l g 以上，均能满足系统对光源调制所需要求。本实验中使用的关键光学器件为光波导定向耦合器开关。2 1 光波导定向耦合器开关2 1 1 定向耦合器光场分材r光波导定向耦台器由相互靠近、结构对称的两个平行波导组成，在两个波导上做一对r 乜极对其进行控制。光波导定向耦合器丌关出一个或多个定向耦合器组成。定向耦合器中的光场可以用对称模和反对称模的方法进行模拟1 。当输入波导中只存在基模，在相互作用区就能耦合出一阶模( 对称模) 和二阶模( 反对称模) ，它们具有不同的传播常数，和风a 波导直通态和交叉态的输出光功率p - 和只与输入光功率p 。的关系蔓j ：钐= 2 0 。) c o s2 ( l ) + ( 吒一吼) 2 2( 2 ，1 )1 l n，= 2 ( d ，口。) s i n2 ( 卢l ) + ( 。一a o ) 2 2( 2 2 ，1i n式中a ，a 分别是对称模和反对称模的振幅。p = p ，一鼠是作用区内对称模和反对称模传播常数的平均差，l 是作用长度。如果定向耦合器结构完全对称，在输入端将均等激发对称模和反对称模，它们有相等的振幅+ ( 盘。= 口，) 。由于两模式具有传播常数差，输出端的输出状态由对称模和反对称模的相干情况决定。通过控制两模之间的传播常数差，在输出端就会得到不同的结果。第7 页里丝坠兰垫娄查兰竺垒篁些兰竺篓兰2 1 2 定向耦合器的电光调制定向耦合器两波导上加电压后，波导中产生的折射率和传播常数变化与电场的关系式为：翻。= 寺n 3 r e( 2 3 )夙。( y ) = f j ( 2 a ：2 ) f f n 。( x ，y ，z ) | l 眠卜川2 恤如( 2 4 )式中，n 为波导折射率：r 为波导材料相应的电光系数，加电后对称模和反对称模的的总传播常数差屈。等于两模式原有传播常数差。和电光效应引起的传播常数差尾之和。因此波导中折射率分布的形状变化改变了传播常数謦阮，进而改变了输出端模式之问的相位差妒。当相位差= o 时为通过状态，即光能从上波导输入，从上波导输出，下波导输出为零：当相位差p = 丌时为穿过状态，即光能从上波导输入，从下波导输出，上波导输出为零。通过加电压控制相位差则可以实现了定向耦合器的开关功能。理论上两波导间能实现1 0 0 的能量转移，使光丌关的消光比达到无穷大，但实际消光比受到以f 因素的限制“”：l 、在光丌关的制造过程中会存在一些误差，包括尺寸误差、折射率分布不对称、利料存在缺陷( 引起散射) 等。定向耦合器模式的光场分布对结构尺寸和折射率分御极其敏感，制造工艺的极微小误差将会使定向耦合器的消光比明显降低。2 、对消光比产生影响的因素还包括模式的不均等激发、两个模式具有不同的传输损耗等一。损耗包括模式耦合导致辐射模引起的能量损失和散射引起的能量损失等，这些因素使两种模的损耗长度参数。和l 。存在差别，这样即使输入端均等激发两模式，到输出端也会有不同的振幅，使消光比降低。3 、此外，电极的套刻精度也会影响定向耦合器的消光比。例如：要使消光比在3 0 d b以上，电极的对准误差应小于0 5 肼2 。2 1 3 质子交换退火法光丌关波导用l i n b o 。晶体作为衬底，由于l i n b o 。是各向异性介质，波导中的t e 模和t m 模的有效折射率和光电效应都不同，所以t e 模和t m 模受到的调制是不同步的。通过质子交换可以增大晶体中异常光e 光的折射率而减小寻常光。光的折射率，从而只允许一种光在波导中传播，另一种光从波导中辐射掉，起到一个单偏振的作用。而且可以得出x 切和y 切l i n b o 、波导只传播t e 模，z 切l i n b o ；波导只传播t m 模式2 “。第8 页鬯塑坠兰些奎查兰竺堑竺堕兰堡丝兰z幽2 1x 切质子交换光波导如图2 1 所示x 切y 传l i n b o ，质子交换光波导中，t m 模因”， o ，t b 模仍能在波导中继续传播，从而实现了单偏振传输。同时l i n b o t 晶体通过退火可以减小传输损耗，恢复电光和非线性系数，提高晶体的光学性能”j 。我们所用定向耦合器光丌关波导采用质子交换退火法制成，只能传输单偏振态，因此使用时需调节输入光的偏振态，使其与器件传输e 光的偏振方向一致。2 1 4 光丌关静态性能测试在设计的时分复用系统中，要求光丌关输出周期5 胛、脉宽i h s 的光脉冲，丌关电压小于3 0 v ，同时需要有高的消光比( 大于2 0 d b ) 和低插入损耗。由于单级加电压的关断能力较差，我们使用由三个定向耦合器组成的l 4 光丌关，结构如图2 2 所示，当对某一尾纤加两级电压，使之轮流工作在开开、关关状态时，能够输出高消光比的脉冲。2 号电撮曼1 n 鬯i - 2一舅一3l 号蝴3 号帜i r 、一d图2 21 4 光开关结构示意图我们对光丌关进行了静态条件下的测量，测试系统由1 3 u m 的半导体激光器( i 。d ) ，光jr 关和光功率计组成，如下图所示：l 光源r 1光开芙r 叫光功率计l融接点幽2 3 光开关测试系统幽由于光丌关输入尾纤为单模光纤，不具有偏振维持能力，且无法与光源的保偏尾纤对轴。测试时，我们用光功率计监测光开关输出光强，仔细调节输入光的偏振态，使输出光强达到最大，则认为输入光的偏振方向对准了器件传输e 光的偏振方向。测试系统中l d 光源输入光强5 3 1 肼，偏振消光比2 7 d g 。调节系统光路达到最佳状态后，未加电压时各尾纤输出光强为：第9 灸里堕型兰丝童查兰丝塞兰堕兰竺篁兰一l 号光纤输出1 0 5 偏振消光比2 4 d b2 号光纤输出1 9 3 偏振消光比2 4 d b3 号光纤输出6 2 1 偏振消光比2 5 d b4 号光纤输出2 9 6 , u w偏振消光比2 4 d b总插入损耗1 0 1 0 9 ( 5 3 1 1 2 1 6 ) 2 6 4 d b 。对光开关l 3 号电极同时加静态电压，并在一3 0 v + 3 0 v 范围内缓慢调节电压值，得到各尾纤分别输出最大光强( 0 n ) 和最小光强( o f f ) 时的各种参数，如下表所示表2 ，l光开关静态测试结果尼o rql u 撒加2l j i u 檄 l i3 u 极加光功牢偏振消光捕入损o n o f f 消i 也h ( v ) h 1 、c v )i u 肤( v )( m p )比( d b )耗( d b )光比( d b )j 尼纤+ 2 8+ 2 8i 1 6 ( m a x )2 8661 9 ，5一1 0一l 0i3 l ( m i n )2 j 尾纤2 8131 0 8 ( m a x )2 56 92 3 3一t o2 8o5 0 ( m i n )3 、j 尾纤一l3一1 31 0 0 ( m a x )2 7722 5+ 2 8+ 1 502 9 ( m l n l4 l j 尾纤一1 3* 2 81 0 2 ( m a x )2 97 22 6一i 31 30 2 5 ( m i n )测试结果表明，各电极的丌关电压在一1 5 v + 2 8 v 之倒不等；各尾纤在两级打开状态下的插入损耗在6 t d b 之洲；各尾纤均能输出偏振消光比大于2 5 d b 的偏振光。由于4 号尾纤的o n o f f 消光比最大，我们对l 、3 号电极加电压进行调制，控制4 号尾纤输出系统所需的高消光比窄脉冲。2 2 干涉式光波导强度调制器另一种可对光源进行高速高消光比调制的器件为m a c h z e h n d e r 干涉仪强度调制器”“种x 切y 传的调制器结构如图2 ，4 所示：nl i n b o ) 村底。圈2 4l i n b 0 3 干涉式强度调制器y第：1 0 页国舫科学技术大学研究生院学位论文图2 d 所示x 切m - z 型调制器中，外加调制电压使t e 模在一波导臂上产生的相移为：p = 皿“n 。：要，k 3 a _ v( 2 5 )式2 5 中，l 为传播方向上晶体的长度。 ，为电光系数，v 是外加电压，l 是电极问距，a是调制电场的光导模场的交叠积分( 其值在o 1 之间) 3 。输入调制器的光束经过m - z 干涉臂的分叉点分割成等光强等相位的两束，分别溃入两个结构完全相同的直波导中。这两个导模受到大小相等方向相反的电场作用，两臂上分别产生妒和一妒的相位变化，在m - z 干涉臂的汇合点产生干涉。假定输入端激励一个功率为尸的t e 模，输出功率表示为：p = i , , c o s 2 ( ( 2 嘭 _ 枷sz 妒( 26 )拦1 令2 妒。z 【夕反j ，则半波电压为：_ 2 o n 12 ，7 )从式2 7 得到n 和，和l 有关，适当增大l 以及减小，都能降低半波电压。山于我们实验中所用光丌关的插入损耗较大、开关电压较高，并且光纤延迟型时分复用只需用到光开关的一个尾纤，对光功率和器件的利用率不高；而光强度调制器能够达到插损小于5 d b ，消光比大于2 0 d b ，半波电压小于5 v 的性能，因此下一步实验我们将选用光强度调制器作为复用系统的脉冲发生器。由1 ：强度调制器中退火质子交换( a p e ) 波导提供大于5 0 d b 的偏振消光比，我们使川带保偏输入尾纤的调制器可帮助维持激光器输入光的偏振取向，如果需要维持输出端的偏振取向，强度调制器的输出尾纤也应为保偏光纤。第1 1 页国防科学技术大学研究生院学位论文：= ：= = ；= = = = = ；= = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一第三章干涉型光纤水听器时分复用系统设计及性能测试结果3 1 光纤水听器时分复用系统设计与搭建综合考虑各种时分复用方案的优缺点，并结合实验室现有条件，我们设计了一种利用光丌芙产生光脉冲，用一定长度延迟光纤来实现通道问延迟的四路光纤水听器时分复用系统，如图3 1 所示：偏振器和水听器图3i水听器四路时分复用系统图阁3 1 所示复用系统中，由d s p 控制光丌关，在一输出尾纤i - f f 成间隔为5 , u s ，脉宽r = 1 ，的光脉冲。为实现时间为f 的通道阳延时，各支路的延迟光纤长度差为= 兰= 2 1 08 f 。本系统设计通道间延时1 2 5 t t s ，因此各通道延迟光纤长度差为2 5 0 m 。我，7们膈光时域反射仪( o t d r ) 精确测量了延迟光纤长度，以保证各通道有准确的时间延迟。光了1 关输出脉冲经过耦合器分束为四路，由不同长度的光纤( 2 5 0 m ，5 0 0 m ，7 5 0 m ) 分别延迟1 2 5 脚、25 卢、3 7 5 芦后形成四路依次延迟1 2 5 伊的脉冲序列。每一支路的光经偏振器起偏后接入水听器探头，携带传感信息后出l 4 耦合器合束到输出光纤中。由于| 脉冲宽度r 小于相邻脉冲延迟时间f ，合束后各通道的输出脉冲不会重叠，并在输出尾纤巾形成单通道重复率为2 0 0 k 的四路光时分复用脉冲序列。脉冲序列到达探测器后，进行光电转换，同时d s p 在软件上实现驱动光开关和控制高速a i d 器件_ 丌始转换的同步，最终完成对各通道光脉冲的区分和幅度数字化定值。该方案结构简单、易于实现，并能在一定程度上节省延迟光纤。同时，它具有很好的扩展性，通过使用大功率光源以及性能良好的光脉冲发生器，并保证数据采集卡采样精度，其系统结构及原理可应用于八路、十二路甚至更高复用数目的时分复用系统中；并且该方圆叻科学技术人学研究生院学位论史案在复用信号的产生和及后端的解复用上都较为简单，易于与空分、波分等其它复用方案拥结合，从而实现光纤水听器更大规模的复用，因此具有很好的应用前景和实用价值。下面分别介绍所设计的四路时分复用系统各主要部分：l 、光源选用美国l i g h t w a v ee l e c t r o n i c s 公司生产的型号为1 2 5 1 3 1 9 2 0 0的窄带呵调谐激光器，其最大出纤功率：2 0 0 m w ；相干长度( 计算) 1 0 0 0 m2 、系统的关键光学器件是高速定向耦合器光开关( 见第二章) 。在所设计的时分复用系统中，光丌关工作在2 0 0 k h z 的通道转换频率之下( 5 肛) ，并且各电极的f 负丌关电压较高，约在十i o v + 3 0 v u i o v 一3 0 v 之间。我们利用高功率外设驱动器件s n 7 5 4 7 1 设计相j 越n 勺驱动电路，同时满足了光丌关工作时高速和高压两方面的要求。3 、光丌关驰动电路所需要的i o 控制信号由t m s 3 2 0 一f 2 0 6 型d s p 来产生。t m s 3 2 0f 2 0 6趔d s p 是t i 公司t m s 3 2 0 系列定点数字信号处理器产品之一，工作速度为2 0 m i p s ，单周期指令执行寸问5 0 n s 。我们由t m s 3 2 0 f 2 0 6d s p 以5 伊为周期轮流输出1 组1 0 信号，其中i ) s p 的l o 。，和l o l 接入光，1 ：关驱动电路，控制光开关产生高消光e e 的脉冲信号；1 0 2 控制采集卡在第一个脉冲到来时开始采样，以保证能正确区分出各通道信号。4 、时分复用光信号经光电二极管( p d ) 转化为光电流后，通过低噪声高精密运放0 p 3 7转换为电压信号。由于信号幅度较小，且为高频率( 2 0 0 k h z ) 的方波，我们采用增益带宽积为8 0 0 m h z 的运放a d 8 0 0 1 进行后极放大，输出信号有较好的波形。j 、为严格保证采样时日j 和采样精度，我们使用高速数据采集卡p c 9 8 1 2 进行模数转换，浚采集卡的主要特性有：4 通道模拟输入，支持4 通道同时转换最高a d 转换率2 0 m板上自带3 2 k 字存储容量。在2 0 m 采样率的条件下，单通道采样最大采样长度3 2 k ：双通道同时采样时，每个通道最大采样长度1 6 k ；四通道同时采样时，每通道最大采样长度8 k双极性输入，1 喊5 v 输入可选5 种触发模式：软件触发、前触发、后触发、中间触发、延迟触发时钟源：内部时钟、外部数字时钟、外部正弦波触发源：软件触发、模拟输入通道0 、l 、2 、3 触发，外部数字触发外部四路模拟输入分别由连接器j l j 4 连接，输入阻抗和输入幅度范围可以通过改变板上相应的接口丌关来选择数字输入：p c i 一9 8 1 2 有四路数字输入：包括外部数字触发输入和三路数字输入考虑到9 8 1 2 缓冲区最大容量为3 2 k ，我们使9 8 1 2 工作在单通道采样，采样率为4 m t l z ，采样时间间隔为o 2 5 , u s 的条件下。对相邻通道间隔为l | 2 5 坤的复用信号，单通道采样点数为5 个。为使每次采样中单通道有效数据长度达到1 k ，采样长度为4 5 x l k - - 一