[發(fā)明專利]一種基于模擬退火算法的任意模式精確轉(zhuǎn)換方法

有效

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• 申請日: 2014-06-03
• 公開（公告）號: CN103997386B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘭名滎;喻松;聶松;高立;齊曉莉;杜智超;蔡善勇;馬晨星;顧畹儀
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號: H04J14/00
• 分類號: H04J14/00;H04B10/25;G06F19/00;G06F17/14
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及模分復(fù)用光纖通信領(lǐng)域，更具體的說，涉及一種適用于模分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的任意模式精確轉(zhuǎn)換方法。

背景技術(shù)

隨著云計算、大數(shù)據(jù)以及移動互聯(lián)網(wǎng)等新型技術(shù)的廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)每4年增加10倍的飛速增長。在單模光纖中，根據(jù)光纖非線性效應(yīng)引起的香農(nóng)容量極限，即將達(dá)到容量極限的單模光纖數(shù)越來越多。為了解決單模光纖系統(tǒng)的容量危機(jī)，基于多芯光纖(Multi-Core?Fiber，MCF)或者多模/少模光纖(Multi-Mode/Few-Mode?Fiber，MMF/FMF)的空分復(fù)用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)前光纖通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

基于MMF/FMF的模分復(fù)用技術(shù)，是將MMF/FMF的空間模式作為獨(dú)立的信道承載數(shù)據(jù)信息，目前包含兩種模式復(fù)用方法。一種是混合復(fù)用方法，發(fā)送端將待復(fù)用的單模光纖信道數(shù)據(jù)同時混合復(fù)用到一組正交的模式集上，傳輸過程中由于模式之間的交叉串?dāng)_等效應(yīng)導(dǎo)致復(fù)用數(shù)據(jù)串?dāng)_在一起，在接收端解復(fù)用的過程中需要聯(lián)合相干檢測和多輸入多輸出(Multiple?Input?Multiple?Output，MIMO)技術(shù)才能將數(shù)據(jù)解復(fù)用輸出。另一種是獨(dú)立復(fù)用方法，發(fā)送端將不同的輸入信道數(shù)據(jù)獨(dú)立地加載到光纖的不同空間模式上，在弱耦合或者無耦合的光纖中，除了簡并模式外，不同的空間模式在傳輸過程中相互獨(dú)立，在接收端解復(fù)用過程中只需要較為簡單的信號處理就能將復(fù)用的信道數(shù)據(jù)恢復(fù)出來。

在光纖通信中，光波的時隙、頻率、波長等物理維度已經(jīng)被用來復(fù)用和交換信息，只剩下空間維度未被有效利用。模分復(fù)用技術(shù)增加了空間模式這一物理維度，不僅增加一種數(shù)據(jù)的復(fù)用方法，更在網(wǎng)絡(luò)交換中增加了一種交換的顆粒度。在混合復(fù)用方法中，數(shù)據(jù)在各個空間模式信道中相互混疊，一路輸入的數(shù)據(jù)可能存在于任意一個空間模式中，而且一個空間模式也可能包含不同的輸入的數(shù)據(jù)，因此無法實現(xiàn)以模式為顆粒度的交換。在獨(dú)立復(fù)用方法中，一路輸入的信道數(shù)據(jù)只存在于光纖的某一個模式上，而且一個模式也只包含特定的一路輸入信道數(shù)據(jù)。因此，如果將一個模式轉(zhuǎn)換成另一個模式，就能將原模式信道的數(shù)據(jù)換到另一個模式上，從而能夠?qū)崿F(xiàn)以模式為顆粒度的數(shù)據(jù)交換，更好地發(fā)揮模分復(fù)用技術(shù)的優(yōu)勢。

目前在獨(dú)立復(fù)用的模分復(fù)用中，模式轉(zhuǎn)換的方法主要集中在發(fā)送端和接收端的選擇性模式激勵上，即基模與高階模的相互轉(zhuǎn)換。而網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)中迫切所需的實現(xiàn)以模式為顆粒度交換的精確任意模式轉(zhuǎn)換方法尚處在研究中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對獨(dú)立復(fù)用的模分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，利用傅里葉光學(xué)空間域和空間頻域分析法，結(jié)合空間頻譜濾波原理，提出一種基于模擬退火算法的精確任意模式轉(zhuǎn)換的方法。本發(fā)明采用雙透鏡共焦結(jié)構(gòu)構(gòu)成4f空間濾波系統(tǒng)，在傅里葉變換平面上利用二進(jìn)制相位型空間光調(diào)制器(Spatial?Light?Modulator，SLM)實現(xiàn)空間頻譜濾波功能，在不改變?nèi)魏挝锢砥骷臈l件下實現(xiàn)任意模式轉(zhuǎn)換。利用模擬退火算法能夠逼近最優(yōu)值的特點(diǎn)，計算變換平面的最優(yōu)二進(jìn)制相位函數(shù)，有效補(bǔ)償相位型SLM只能調(diào)制相位而造成幅度損傷的問題，從而建立待轉(zhuǎn)換模式與目標(biāo)模式間的精確相位型傳遞函數(shù)，實現(xiàn)任意模式的精確轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明通過傅里葉光學(xué)分析法在理論上分析空間頻率上純相位調(diào)制與空間域的位移變換關(guān)系，在4f系統(tǒng)的變換平面上基于模擬退火算法計算SLM的相位型傳遞函數(shù)，實現(xiàn)精確的任意模式轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明在實現(xiàn)過程中，具體包括：

根據(jù)本發(fā)明，關(guān)鍵是基于模擬退火算法求解待轉(zhuǎn)換模式轉(zhuǎn)換成目標(biāo)模式的精確相位型模式傳遞函數(shù)。相位型SLM只有相位調(diào)制，利用普通方法由于只考慮了相位調(diào)制、忽略幅度的影響而造成濾波損傷。根據(jù)傅里葉光學(xué)分析法可知，在空間頻域乘以一個純相位，等效于原函數(shù)在空間域的位移。那么，本發(fā)明通過模擬退火算法尋找一個最優(yōu)的二進(jìn)制相位函數(shù)，補(bǔ)償相位型SLM的幅度損傷，使得待轉(zhuǎn)換模式在空間頻率域經(jīng)過適當(dāng)?shù)南辔徽{(diào)制后，在輸出端位移成目標(biāo)的模式分布，從而實現(xiàn)精確的任意模式轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的步驟如下：

1、根據(jù)傅里葉光學(xué)分析法分析空間頻率域相位調(diào)制與空間域位移的關(guān)系；

2、分析待轉(zhuǎn)換模式與目標(biāo)模式的空間頻譜特征；

3、利用雙透鏡共焦結(jié)構(gòu)以及相位型SLM構(gòu)建4f系統(tǒng)；

4、分析4f系統(tǒng)實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換的空間頻譜濾波函數(shù)，結(jié)合模擬退火算法求解精確的相位型模式傳遞函數(shù)；

5、將步驟4中求得的相位型模式傳遞函數(shù)設(shè)置為位于4f系統(tǒng)變換平面的SLM的傳遞函數(shù)；