[發明專利]一種環芯光纖優化設計的方法

有效

• 申請號: 201910944069.2
• 申請日: 2019-09-30
• 公開（公告）號: CN110543746B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 劉潔;施楚民;馮俊杰;黃璐;陳煉翰;李凱欣;余思遠
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/27;G06N3/084;G06N3/086
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

本發涉及一種環芯光纖優化設計的方法，所述方法通過BP神經網絡建立光纖設計參數與模式間耦合積分系數的非線性關系，同時在符合拉制工藝的結構限制條件下，利用遺傳算法快速找到模間耦合系數最小的最優結構，從而實現低損耗、低模式組間耦合的環芯光纖的快速設計。所述方法創新性利用了環芯光纖的耦合積分系數作為優化目標進行神經網絡的訓練，打破了現有多模光纖模間實現低耦合理論上主要依靠增加模間有效折射率差的常規。同時將神經網絡的輸出值作為遺傳算法的適應度函數值，相對于傳統的電磁場仿真計算得到適應度函數值，具有更為快速的環芯光纖設計優化流程。

技術領域

本發明涉及光學通信技術領域，更具體地，涉及一種環芯光纖優化設計的方法。

背景技術

隨著現有單模光纖通信系統容量逐漸趨近于其理論極限，可以進一步增加單根光纖傳輸容量的空分復用光纖通信系統近年來受到廣泛關注，并被看作是下一代光纖通信技術的主要選擇之一。目前，支持空分復用光纖通信系統的光纖主要是少模光纖和多芯光纖兩類。相對于后者，少模光纖具有更高的容量密度、更為緊湊的線路器件(如光放大器等)。但是，基于少模光纖的模分復用通信系統面臨的主要問題是，隨著復用模式數的不斷增加，補償模式之間耦合的多輸入多輸出(MIMO)均衡模塊的復雜度也在提升，不利于模分復用通信系統的進一步拓展。為了解決上述問題，目前主流的方式是通過增加光纖相鄰傳導模式(或者模式組)之間的有效折射率差，來降低模式(組)之間的耦合效率，從而在一定傳輸距離上保證相鄰模式(組)間的低串擾。這意味著無需MIMO或者僅僅采用部分MIMO來補償組內簡并模式之間的強耦合即可，從而降低了MIMO復雜度，增加了系統的模式可拓展性。但是，考慮到光纖的弱導條件，以及光纖制備過程中的材料損耗，通常少模光纖的芯層-包層之間最大的折射率差不能過大，這就意味著相鄰模式(組)之間的有效折射率差不能一味的增加。

此外，現有的光纖設計，多是基于反復的電磁計算或測試方法，對于特種條件下的最優性能光纖設計的尋找，往往是耗時且復雜度高的。

發明內容

本發明為克服上述現有技術所述的光纖設計對于特種條件下的最優性能光纖設計的尋找，耗時長且復雜度高的缺陷，提供一種環芯光纖優化設計的方法。

本發明所述方法通過BP神經網絡建立光纖設計參數與模式組間耦合積分系數的非線性關系，同時在符合拉制工藝的結構限制條件下，利用遺傳算法快速找到模間耦合系數最小的最優結構，從而實現低損耗、低模式組間耦合的環芯光纖的快速設計。

本發明基于耦合模理論，利用環芯光纖特殊的折射率徑向梯度變化，創新性地利用環芯光纖的耦合積分系數作為衡量相鄰傳導模式(組)之間的串擾程度，打破了現有多模光纖模間實現低耦合理論上主要依靠增加模間有效折射率差的常規。同時利用該系數作為優化目標進行神經網絡的訓練，同時將神經網絡的輸出值作為遺傳算法的適應度函數值，來進行特種條件下的最優光纖設計尋找，相對于傳統的電磁場仿真計算得到適應度函數值，具有更為快速的環芯光纖設計優化流程。

所述方法包括以下步驟：

S1：根據光纖設計通用模型構建神經網絡的訓練樣本，并對訓練樣本進行預處理；

S2：根據S1預處理后的訓練樣本，構建并訓練BP神經網絡模型；

S3：利用遺傳算法尋找限定條件下的最優值：以各輸入設計參量為個體產生種群，基于訓練完成的BP神經網絡，構建種群適應度函數，在限定條件下，尋找適應度值最高的個體來尋找各設計參量的最優值；

S4、二次驗證結果：根據遺傳算法的優化結果可獲取一組或多組效果最優的參數組合，通過常規電磁場計算方法對參數進行二次驗證，判斷優化結果是否正確，若正確，則將結果返回給設計者，若不正確，則返回S2。

優選地，S1包括以下步驟：