一种用于模间增益均衡的少模光纤增益剖面快速设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于模间增益均衡的少模光纤增益剖面快速设计方法，通过简化增益剖面设计模型和求解思路，快速高效地实现少模光纤增益剖面设计，该方法基于简单的解析模型，计算难度低，在不使用计算机辅助的情况下也可以手动完成增益剖面的参数设计。本发明专利技术提出的一种用于模间增益均衡的少模光纤增益剖面快速设计方法，数学模型简洁易操作，计算机辅助计算条件下典型完成时间在1分钟以内，显著降低设计耗时，且极端条件下可通过手算实现求解，降低了设计对计算机辅助计算的依赖程度。降低了设计对计算机辅助计算的依赖程度。降低了设计对计算机辅助计算的依赖程度。

【技术实现步骤摘要】
一种用于模间增益均衡的少模光纤增益剖面快速设计方法


[0001]本专利技术属于光纤
，具体涉及一种用于模间增益均衡的少模光纤增益剖面快速设计方法。

技术介绍

[0002]在目前通信需求的巨大压力下，空分复用是成倍提升现有通信能力的新型复用方案。该方案在国内外都获得了广泛关注，被普遍认为是下一阶段解决通信需求的关键技术。光通信长距离传输离不开信号的中继放大，要构建空分复用通信系统的光放大器，必须先解决适用于空分复用光纤放大器需求的稀土掺杂光纤这一基本问题。
[0003]在常规的单模光纤通信系统中主要通过稀土掺杂的有源光纤放大器实现放大，其中基于掺铒光纤的放大器已经获得了比较广泛的应用。稀土掺杂光纤的高增益特性能够通过共同的制备工艺迁移至空分复用有源光纤，因此空分复用放大器最亟待解决的问题是各模式增益差较大，导致放大后出现明显的信号功率差异，在传输中多次积累，容易造成系统中断概率升高，致使接收端误码率增大。
[0004]模式增益差问题解决的根源在于少模有源光纤的增益剖面设计。光纤的结构设计包括折射率剖面设计和增益剖面设计，前者决定光纤的截止波长、模式数量、模场分布、色散等特性，后者决定了光纤的模式增益和模间增益差。光纤折射率剖面是用于传输的无源光纤最为关注的问题，放大器部分则更关注有源光纤的增益剖面设计。
[0005]剖面在光纤领域特指在光纤横截面上的分布，例如目前绝大部分少模光纤的折射率剖面或增益剖面均可表示为图1及图2所示的同心圆结构。光纤主体结构由两部分组成：折射率较高的纤芯1，以及与纤芯同心且包裹在纤芯外的、折射率较低的包层2。根据折射率大小或增益粒子掺杂浓度的不同，纤芯1可以被分为若干个同心圆区域，图中从内而外依次为11、12、13、14，对应折射率n1、n2、n3、n4和掺杂浓度比a1、a2、a3、a4如图中标注。
[0006]在已有报道中，主要通过逆向设计思路，采用神经网络、遗传算法等方法，编写软件进行数值运算获得较为合理的增益剖面参数。目前这类设计方法尚无商用软件，且模型复杂、编写难度大，因此仅有极少数单位能够通过逆向设计实现增益剖面设计。逆向设计过程涉及到大量参数调整及放大特性计算，设计耗时长。在给定折射率剖面的情况下，进行一次增益剖面设计所需时间通常在二十个小时以上。

技术实现思路

[0007]本专利技术提出一种用于模间增益均衡的少模光纤增益剖面快速设计方法，其目的在于通过简化增益剖面设计模型和求解思路，快速高效地实现少模光纤增益剖面设计，该方法基于简单的解析模型，计算难度低，在不使用计算机辅助的情况下也可以手动完成增益剖面的参数设计。
[0008]本专利技术所采用的技术方案是：
[0009]一种用于模间增益均衡的少模光纤增益剖面快速设计方法，其特殊之处在于，该
方法具体按照如下步骤实施：
[0010]S1、获取光纤的折射率剖面参数，包括各同心圆的半径和各层的折射率；
[0011]S2、根据S1获取的折射率剖面参数，判断该光纤是否属于阶跃多层结构；若否，认为设定增益剖面的分层数n；若是，执行S3；
[0012]S3：若光纤为阶跃多层结构，在增益剖面设计中直接沿用折射率剖面的分层结构，获得对应的增益粒子掺杂分层数n；
[0013]S4：根据折射率剖面，通过经典解法或仿真软件辅助，获得光纤能够支持的模式数m及各模式场分布
[0014]S5：根据各模式场分布及分层结构，计算各模式在各掺杂分层的填充因子矩阵Γ
mn
，其中矩阵元素γ
ij
为第i个模式在第j层的填充因子，即第i个模式在第j层的功率在该模式携带总功率中的占比，可以用下式简单计算：
[0015][0016]S6：利用填充因子矩阵Γ
mn
构建各模式的评价因数，令第1层到第n层的掺杂浓度系数分别为a1到a
n
，第i个模式的评价因数e
i
可以表示为：
[0017][0018]当各评价因数相等时，获得待求各层掺杂浓度系数；即转化为求解包含有m个方程的方程组：
[0019]e1＝e2＝L＝e
m
‑1＝e
m
＝1
ꢀꢀꢀ
(9)
[0020]进行以下代换，
[0021][0022]可以将方程组改写为矩阵方程的形式
[0023]ΓA＝1 (11)
[0024]判断m与n的大小关系，若m<n，方程组可以得到一组比例关系，该比例即为增益剖面各层测掺杂浓度比；若m>n，该方程组约束条件多于未知数个数，方程组无解，执行S7。
[0025]S7：转化为求解超定方程问题，即寻找超定方程ΓA＝1的最小二乘解。可通过手动或计算机辅助求解。至此完成第一轮参数计算。
[0026]S8：设置每层虚拟细分层数s。此时划分的计算层数共计s
·
n层，但掺杂剖面层数n不变，且掺杂浓度仍然仅有n个不同值。
[0027]S9：根据S5提供的定义及公式，计算各模式在包含虚拟细分层的各层填充因子，并按照如下规则构建新矩阵ΓS
mn
：
[0028][0029]其中下标jk表示第j层的第k个细分层。
[0030]S10：手动或计算机辅助求解超定方程组ΓSA＝1。
[0031]S11：检验两次计算下超定方程的残差。若残差差值大于设定门限δ，增大s，重复步骤S8～S11，直到达到门限要求，完成设计。
[0032]优选地，本方法还可以采用评价因数差值与门限直接比较的方式确定设计完成。即在S7或S10完成后，直接将当次计算对应的各模式评价因数e
i
做差，与设定门限δ进行比较，若小于门限，完成设计。
[0033]本专利技术的有益效果：
[0034]本专利技术无需神经网络、遗传算法等复杂方法，不涉及放大特性计算，程序编写极为简单；本专利技术中的数学模型简洁易操作，计算机辅助计算条件下典型完成时间在数分钟以内，显著降低设计耗时，且极端条件下可通过手算实现求解，降低了设计对计算机辅助计算的依赖程度。
附图说明
[0035]图1为现有技术中一种同心圆结构少模光纤的横截面示意图；
[0036]图2为现有技术中一种同心圆结构少模光纤的折射率剖面及增益剖面示意图；
[0037]图3为本专利技术提供的一种用于模间增益均衡的少模光纤增益剖面快速设计方法流程图。
具体实施方式
[0038]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0039]针对目前少模光纤增益剖面设计存在的门槛高、难度大、耗时长等问题，本专利技术提出一种用于模间增益均衡的少模光纤增益剖面快速设计方法，参见图3，包括如下步骤：
[0040]S1、获取光纤的折射率剖面参数，如图1所示各同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于模间增益均衡的少模光纤增益剖面快速设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取光纤的折射率剖面参数；S2、根据S1获取的折射率剖面参数，判断该光纤是否属于阶跃多层结构；若否，认为设定增益剖面的分层数n；若是，执行S3；S3：若光纤为阶跃多层结构，在增益剖面设计中直接沿用折射率剖面的分层结构，获得对应的增益粒子掺杂分层数n；S4：根据折射率剖面，通过经典解法或仿真软件辅助，获得光纤能够支持的模式数m及各模式场分布S5：根据各模式场分布及分层结构，计算各模式在各掺杂分层的填充因子矩阵Γ
mn
，其中矩阵元素γ
ij
为第i个模式在第j层的填充因子，即第i个模式在第j层的功率在该模式携带总功率中的占比，可以用下式计算：S6：利用填充因子矩阵Γ
mn
构建各模式的评价因数，令第1层到第n层的掺杂浓度系数分别为a1到a
n
，第i个模式的评价因数e
i
可以表示为：当各评价因数相等时，获得待求各层掺杂浓度系数；即转化为求解包含有m个方程的方程组：e1＝e2＝L＝e
m
‑1＝e
m
＝1
ꢀꢀꢀꢀ
(3)进行以下代换，可以将方程...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑晶晶，裴丽，赵琦，常彦彪，王建帅，李祉祺，宁提纲，李晶，宋豫婧，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：