一种基于液晶空间光调制器的可定义光滤波方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于液晶空间光调制器的可定义光滤波方法及系统，包括液晶空间光调制器、大芯径多模光纤和单模光纤混合结构。本发明专利技术实现的方法为：宽带光源通过环形器依次进入到单模光纤、多模光纤和液晶空间光调制器中，根据反射光谱和目标光谱，结合迭代优化算法，不断调整加载在液晶空间光调制器上的灰度图案，从而获得与目标光谱相近的输出光谱，通过设置不同的目标光谱，即可对光源进行任意形状滤波。本发明专利技术具有与单模光纤系统兼容性强、可调谐范围大、分辨率高、损耗小等特点。分辨率高、损耗小等特点。分辨率高、损耗小等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液晶空间光调制器的可定义光滤波方法及系统


[0001]本专利技术属于光学滤波
，特别地涉及一种基于液晶空间光调制器的可定义光滤波方法及系统。

技术介绍

[0002]随着通信用户数量和个性化需求的不断增长，提高光纤通信网络的传输速度和容量需求与日俱增。作为扩大光通信网络容量的核心技术之一，密集波分复用技术通过在不同波长的光波上加载光信号并同时传输，大大增加了已有光纤网络系统的带宽。可调谐光滤波器作为新一代密集波分系统中的重要的光通信器件，使得光纤传输网络的容量、灵活性和可扩展性得到了很大的增强。此外，光滤波器也广泛应用于激光及光电子技术、航空航天等领域中。
[0003]基于数字微镜阵列(DMD)的光谱滤波方法具有分辨率高，调节方便的特点，但是由于其基于光栅分光原理，存在分辨率和可调带宽相互制约的问题。多模光纤作为一种特殊的色散元件，通过与单模光纤相结合，同样可以实现光滤波，但是存在滤波效果较为单一的缺点。液晶空间光调制器作为光场调控的重要器件之一，可以对入射光的波前进行调控，结合迭代优化算法，实现特定目标的光场输出，已广泛应用于激光加工、光束整形、自适应光学成像等领域。目前已有的基于液晶空间光调制器和散射介质(毛玻璃)的光谱滤波方法存在损耗大、难以与光纤系统相兼容的问题。为解决现有技术问题，本专利技术将空间光调制器、大芯径多模光纤以及单模光纤相结合，实现了一种调谐范围大、分辨率高、可定义的光谱滤波方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种基于液晶空间光调制器的可定义光滤波方法，通过结合液晶空见光调制器、大芯径多模光纤和单模光纤，实现任意形状的光滤波效果，可解决基于DMD滤波器的调谐带宽范围和分辨率互相制约的问题，且与现有的光纤系统兼容。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]将宽带光源经过单模光纤和大芯径多模光纤垂直入射到液晶空间光调制器上，通过在液晶空间光调制器上加载不同的灰度图案对返回多模光纤的光场进行相位调制，结合迭代优化算法，根据输出的光谱不断优化加载在液晶空间光调制器上的灰度图案，从而实现可定义的光谱滤波效果。
[0007]本专利技术涉及一种基于液晶空间光调制器的可定义光滤波方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1：宽带光源经过单模光纤由光纤环形器的第一端口入射并从光纤环形器第二端口出射，再经过大芯径多模光纤输出；
[0009]步骤S2：输出的光场先经过准直凸透镜准直，再经过两个凸透镜进行扩束，扩束后的光场经过偏振片起偏后，入射到液晶空间光调制器上；
[0010]步骤S3：经过液晶空间光调制器调制的光，反射回大芯径多模光纤中，经光纤环形
器的第三端口输入到光谱仪中；
[0011]步骤S4：电脑基于得到的光谱数据，根据目标光谱，利用迭代优化算法，优化加载在液晶空间光调制器上的灰度图案；
[0012]步骤S5：根据迭代优化算法判断滤波后的光谱是否达到滤波要求，若是，则停止优化；若否，则重复步骤S4。
[0013]所述宽带光源可以是ASE，超连续谱、SLED光源中的一种，其中心波长适用于可见、近红外、中红外任意波段。
[0014]进一步地，所述大芯径多模光纤包括大芯径阶跃折射率多模光纤、大芯径无芯光纤和大芯径空心光纤，也可由强耦合多芯光纤替代；
[0015]进一步地，实现的分辨率可通过调整大芯径多模光纤的长度、折射率和芯径大小来调节；
[0016]进一步地，所述迭代优化算法为混合型非支配排序遗传算法，包括以下步骤：
[0017]步骤A1：初始化参数和适应值函数，设k＝0，种群大小为NP，遗传代数为NG，输入模式数为N，交叉概率为P
c
，变异概率为P
m
，混合因子H，滤波的波长个数M，随机初始化种群并计算每个种群个体对应的适应值：
[0018][0019]其中，I
m
为从光谱仪上读取的第m个波长对应的强度值，I
ref
为背景平均值；
[0020]步骤A2：对种群个体进行非支配排序，并根据适应值计算拥挤距离；
[0021]步骤A3：利用二进制锦标赛方法选择NP个父代个体。首先从NP个父代个体中随机选择两个个体，比较这两个个体的等级，等级低的获胜，若等级相同，则再比较拥挤距离，拥挤距离较大的获胜；重复上述步骤NP次，选出NP个父代个体；
[0022]步骤A4：通过均匀交叉和单点变异产生NP个子代个体。将NP个父代个体随机分成NP/2个组，每个组里的父代个体称为P1和P2；产生一个随机的二进制掩模S，通过C1＝S
·
P1+(1
‑
S)
·
P2，C2＝S
·
P2+(1
‑
S)
·
P1计算得到两个新的掩模，再对这两个掩模进行单点变异，得到两个子代C1和C2；重复上述步骤NP/2次，得到NP个子代个体；
[0023]步骤A5：计算得到的NP个子代个体的适应值，若k<H或M＝1，则F1＝
‑
f1，F2＝100；否则F1＝
‑
f1，F2＝f2；
[0024]步骤A6：将NP个父代个体和NP个子代个体混合，并执行步骤A2得到2
·
NP个混合个体；
[0025]步骤A7：执行精英保存策略，保留步骤A6得到的2
·
NP个个体中排序较低且拥挤距离较大的NP个子代个体；设k＝k+1；
[0026]步骤A8：若k＝＝NG，则进行步骤A9，否则回到步骤A3；
[0027]步骤A9：根据NP个子代个体的适应值得到与目标滤波效果最相符的种群个体。
[0028]进一步地，所述基于液晶空间光调制器的可定义光滤波方法的滤波分辨率是由不同入射波长下大芯径多模光纤输出散斑之间的相关性决定的：
[0029]C(Δλ,x)＝<I(λ,x)I(λ+Δλ,x)>/[<I(λ,x)><I(λ+Δλ,x)>]‑
1，其中，I(λ,x)为输入光波长为λ时，输出端x处的光强值，<
…
>代表平均值。进一步地，当一束波长为λ的单色光
输入到长度为L的大芯径多模光纤时，输出端的电场分布为：
[0030][0031]其中A
m
和分别为第m个模式的幅度和初始相位，Ψ
m
和β
m
分别为第m个模式的空间分布和传输常数。
[0032]进一步地，不同模式经过大芯径多模光纤传输后，会积累不同的相位延迟β
m
L，其中最大相位差光纤基模和最高阶模式之间的相位差当输入波长改变δλ时，应须改变π才会导致光纤输出的光场强度分布发生明显变化，即可进一步得到δλ～λ2/[nL(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液晶空间光调制器的可定义光滤波方法，其特征在于，步骤S1：宽带光源经过单模光纤由光纤环形器的第一端口入射并从光纤环形器第二端口出射，再经过大芯径多模光纤输出；步骤S2：输出的光场先经过准直凸透镜准直，再经过两个凸透镜进行扩束，扩束后的光场经过偏振片起偏后，入射到液晶空间光调制器上；步骤S3：经过液晶空间光调制器调制的光，反射回大芯径多模光纤中，经光纤环形器的第三端口输入到光谱仪中；步骤S4：电脑基于得到的光谱数据，根据目标光谱，利用迭代优化算法，优化加载在液晶空间光调制器上的灰度图案；步骤S5：根据迭代优化算法判断滤波后的光谱是否达到滤波要求，若是，则停止优化；若否，则重复步骤S4。2.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的可定义光滤波方法，其特征在于，所述迭代优化算法为混合型非支配排序遗传算法，包括以下步骤：步骤A1：初始化参数和适应值函数，设k＝0，种群大小为NP，遗传代数为NG，输入模式数为N，交叉概率为P
c
，变异概率为P
m
，混合因子H，滤波的波长个数M，随机初始化种群并计算每个种群个体对应的适应值：其中，I
m
为从光谱仪上读取的第m个波长对应的强度值，I
ref
为背景平均值；步骤A2：对种群个体进行非支配排序，并根据适应值计算拥挤距离；步骤A3：利用二进制锦标赛方法选择NP个父代个体。首先从NP个父代个体中随机选择两个个体，比较这两个个体的等级，等级低的获胜，若等级相同，则再比较拥挤距离，拥挤距离较大的获胜；重复上述步骤NP次，选出NP个父代个体；步骤A4：通过均匀交叉和单点变异产生NP个子代个体。将NP个父代个体随机分成NP/2个组，每个组里的父代个体称为P1和P2；产生一个随机的二进制掩模S，通过C1＝S
·
P1+(1
‑
S)
·
P2，C2＝S
·
P2+(1
‑
S)
·
P1计算得到两个新的掩模，再对这两个掩模进行单点变异，得到两个子代C1和C2；重复上述步骤NP/2次，得到NP个子代个体；步骤A5：计算得到的NP个子代个体的适应值，若k＜H或M＝1，则F1＝
‑
f1，F2＝100；否则F1＝
‑
f1，F2＝f2；步骤A6：将NP个父代个体和NP个子代个体混合，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟利，王珊珊，饶云江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：