專利名稱：用遺傳算法設(shè)計摻鉺光纖及摻鉺光纖放大器的制作方法
引言摻鉺光纖放大器(EDFAs)由于其具有高增益、寬帶寬、低噪聲、高效率等突出優(yōu)點而受到人們的極大關(guān)注。目前，單光纖EDFA的增益已達到25～30dB，-3dB帶寬達到了～20nm，噪聲系數(shù)可達3～4dB。EDFAs是密集波分復用光通訊系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在激光、光開關(guān)、非線性光器件等方面也有重要的應用。
在EDFAs的設(shè)計中，一般通過建立EDFAs中的鉺離子粒子數(shù)速率方程以及光功率傳播方程，在光斑模式為高斯分布近似或貝塞爾分布近似下，數(shù)值求解速率方程和光功率傳播方程，從而對給定的光纖、給定的泵浦波長和給定的泵浦功率情況下，確定EDFAs中的最佳光纖長度等。有時，作為一種估計，也采用一些近似方法，例如通過解析計算輸出泵浦功率等于泵浦閾值功率時的光傳播功率，結(jié)合“光時域反射法”等，可大致確定最佳光纖長度等。這樣確定的最佳光纖長度等是局域的，它只適用于給定的光纖或一個局部區(qū)域，并沒有將摻鉺光纖本身和放大器一起來進行設(shè)計，并有可能存在局部最大(小)的問題。
近年來，一些全局優(yōu)化方法已應用于許多領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的梯度算法優(yōu)化不同，全局優(yōu)化法沒有局部最大(小)問題，其中一種全局優(yōu)化方法是遺傳算法[1，2]。遺傳算法來自于自然界的基因組合和自然選擇的原理。由于遺傳算法具有思想新穎、全局搜索、算法簡單等優(yōu)點，因此，近年來得到了比較快的發(fā)展和應用，例如應用于電磁天線的設(shè)計、光子晶體以及激光器的設(shè)計，等等。
對給定的光纖來設(shè)計摻鉺光纖放大器，近一些年來，已經(jīng)有了許多理論和實驗報道。Giles et al.[3]提出了一個典型的EDFA理論模型。在該模型中，詳細給出了開環(huán)系統(tǒng)中沿光纖傳播的功率方程和均勻介質(zhì)中二能級鉺離子密度速率方程，在穩(wěn)態(tài)條件下討論了數(shù)值解。Roudas et al.[4]討論了一個應用于密集波分復用的EDF模型。Pan et al.[5]綜述了近年來對下一代低成本、微型、智能EDFAs研究的進展。一些最佳設(shè)計和新的泵浦技術(shù)也有報道(如文獻[6])。然而，迄今為止，還沒有報道無論是用遺傳算法或是用其它全局優(yōu)化的方法，來同時設(shè)計摻鉺光纖和摻鉺光纖放大器(EDFAs)，大部分的工作都僅限于利用已有的光纖來設(shè)計光放大器。
在本發(fā)明專利中，我們公開了一種將摻鉺光纖和摻鉺光纖放大器(EDFAs)一起進行設(shè)計的新方法。該方法應用全局優(yōu)化的遺傳算法，以信號增益以及帶寬為目標函數(shù)，在不同的泵浦功率下數(shù)值計算EDFAs中鉺離子密度速率方程和單模條件下的光傳播方程，應用反演法，通過輸出的信號增益和帶寬值來反向確定摻鉺光纖及其放大器所需的7個最佳參數(shù)值，包括摻鉺濃度、纖芯半徑、摻鉺半徑、折射率差、光纖長度、泵浦波長和信號功率。
本發(fā)明涉及的摻鉺光纖以及由該種光纖構(gòu)成的摻鉺光纖放大器的參數(shù)配置，適用于開環(huán)、穩(wěn)態(tài)運行條件，具有單模光傳播的特點。特征是將摻鉺光纖和摻鉺光纖放大器(EDFAs)一起進行設(shè)計，并具有單光纖增益高(35dB以上)、寬帶寬(大于25nm)、噪聲低(～3dB，幾乎接近量子噪聲極限)、效率高等?？芍苯佑糜诓ǚ謴陀没蛎芗ǚ謴陀孟到y(tǒng)，也可應用于由EDFAs構(gòu)成的其它光電子器件或系統(tǒng)。
●設(shè)計方法采用二能級系統(tǒng)的EDFAs，鉺離子濃度保持恒定，即nt≡n1+n2(其中1、2分別表示激光下、上能態(tài))，且徑向分布均勻。穩(wěn)態(tài)時在EDFAs中沿z方向傳播的光功率Pk可由如下方程描述[3]dPkdz=ak+gkΓkPk∫0bn2(r,z)ntik(r)2πrdr-(ak+lk)Pk+gkΓkmhvkΔvk∫0bn2(r,z)ntik(r)2πrdr,(1)]]>式中k為頻率。如果鉺離子沿徑向均勻分布在半徑b中，則Pk滿足Pk(z)=∫0bIk(r,z)2πrdr,---(2)]]>其中Ik是第k頻率的光強。歸一化光強可寫為ik(r)＝Ik(r，z)/Pk(z). (3)在方程(1)中，ak和gk是光纖吸收系數(shù)和增益系數(shù)，它們的定義如下αk=σak∫0bik(r)nt(r,z)2πrdr,]]>(4)gk=σek∫0bik(r)nt(r,z)2πrdr,]]>其中σak，σek是吸收截面和輻射截面。摻鉺離子和光學模之間的重疊積分定義為Γk=∫0bik(r)2πrdr,---(5)]]>方程(4)可以重新寫為ak＝σakΓknt，(6)gk＝σekΓknt，式中nt是鉺離子總密度。對于纖芯折射率ncore、包層折射率nclad、纖芯半徑為a的階躍型的光纖，基模LP01的歸一化光強為ik(r)=1π[υkaVkJ0(ukr/a)J1(uk)]2,r<a---(7)]]>式中J0，1是0，1階貝塞爾函數(shù)，變量υk＝1.1428Vk-0.9960，uk=Vk2-υk2.]]>光纖常數(shù)Vk＝2πaNA/λk(1≤Vk≤3)，數(shù)值孔徑NA=ncore2-nclad2.]]>通過解穩(wěn)態(tài)Er3+密度方程，可以得到方程(1)中的鉺離子密度為[3]n2(r,z)=ntΣkτσakhvkPk(z)ik(r)1+Σk(σak+σek)hvkPk(z)ik(r),---(8)]]>式中τ是鉺離子亞穩(wěn)態(tài)壽命。方程(1)中，lk是光纖中的其它損失，包括高折射率纖芯的散射損失、衍射損失以及其它損失。 mhvkΔvk是粒子數(shù)，n2(r，z)所產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲的貢獻，其中模數(shù)m＝2，對應于最低階光學模有兩個極化態(tài)，Δvk是有效噪聲帶寬，定義為Δvk=Δv=∫0∞(σe(v)/σe,peak)dv.]]>注意到方程(1)中包含有3個獨立的方程分別是關(guān)于信號和泵浦，此時m＝0；關(guān)于噪聲，此時m＝2。
輻射和吸收截面可采用Al/P-Si光纖的數(shù)據(jù)[7]。此外，也可采用一些其它截面，例如Ge:Si、Al/Ge-Si[3]；GeO2-SiO2[8]。由方程(1)可見，在EDFAs中傳播的光功率與4個光纖參數(shù)(摻鉺濃度nt、纖芯半徑a、摻鉺半徑b和折射率差Δn)和4個放大器的運行參數(shù)(光纖長度L、泵浦波長λp、初始輸入信號功率Ps和泵浦功率Pp)有關(guān)。但由于信號增益或帶寬隨泵浦功率Pp單調(diào)增大或減小，因此泵浦功率可不在優(yōu)化之列。分別對Pp＝25，50，75...200mW的泵浦情況進行優(yōu)化。遺傳算法中的目標函數(shù)定義為fobJ1=Gc(nt,a,b,Δn,L,λp,Ps)10logPsoutPsin,-----(9)]]>fobJ2＝Δλ(nt，a，b，Δn，L，λp，Ps)+γGc(nt，a，b，Δn，L，λp，Ps).(Gc＞20dB)式中Gc是中心信號增益(λ＝1550nm)，fobJ2是有效帶寬，它有兩項第一項Δλ是通常定義的-3dB帶寬，引入第二項γGc。是為了避免低增益寬帶寬的情況出現(xiàn)。使用不同的γ值可滿足對高增益或?qū)拵挼牟煌男枨蟆＿@里，我們選γ＝0.02nm/dB。
表1 7個待優(yōu)化EDFA參數(shù)的搜索范圍鉺離子濃度纖芯半徑摻鉺半徑折射率差光纖長度泵浦波長 信號功率nt(m-3) a(μm) b(μm) Δn L(m) λp(nm) Ps(mW)
(1～12.5)×10240.2～2.4 0.01～(a-Δ) 0.01～0.46 1～100 1450～1540 0.001～0.1注Δ是一個與纖芯半徑的隨機值有關(guān)的數(shù)。
在程序設(shè)計中，將遺傳算法作為主程序，將EDFA的相關(guān)方程作為子程序。7個參數(shù)(nt，a，b，Δn，L，λp，Ps)由計算機隨機函數(shù)產(chǎn)生，其大小在預先給定的范圍內(nèi)(見表1)。由方程(9)可見，7個參數(shù)(nt，a，b，Δn，L，λp，Ps)產(chǎn)生之后，即可確定一個對應的目標函數(shù)值。在主程序中，按照遺傳算法的規(guī)則，分別對不同參數(shù)組合的染色體按其目標函數(shù)值的大小進行排序，丟棄差的一半，保留好的一半，再進行交叉雜交，形成新的染色體。新的染色體與保留下來的好的染色體一起，進行下一輪循環(huán)。再經(jīng)歷染色體突變等，經(jīng)過大約30～40代的循環(huán)，最后收斂為具有最佳參數(shù)組合的染色體。遺傳算法所涉及到的相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。
表2 遺傳算法中所涉及的數(shù)據(jù)染色體數(shù)單交叉點 比較交叉點 突變幾率 循環(huán)代數(shù)基因數(shù)每基因字節(jié)教1200 隨機0.9 2％30-407 10在計算中，先根據(jù)表1大致確定優(yōu)化參數(shù)變動的范圍，然后，縮小搜索范圍，以便使收斂較快，并獲得比較精確的結(jié)果。為了保持單模傳播，對任何染色體和任何信號波長，始終滿足單模光纖常數(shù)條件V(λs)＜2.4048。信號波長采用掃描的方式，從1450nm到1650nm，步長2.5nm。分別對泵浦功率Pp＝25，50，75，...，200mW的情況進行計算。在光纖z＝0的初始端，輸入噪聲功率為0.05Ps，其中Ps是待優(yōu)化的、具有隨機大小的輸入z＝0端的信號功率。纖芯的折射率恒設(shè)為1.46，包層的折射率差Δn在0.01～0.46之間變化(表1)。如果Δn=0.46,則相當于包層是空氣(空氣光纖)。解傳播方程(1)所涉及的數(shù)據(jù)見表3。解方程(1)時僅考慮了正向泵浦的情況。對于反向泵浦，只需在泵浦方程的右端加一個負號，這里已略。
表3 解傳播方程(1)所需的數(shù)據(jù)輸入噪聲功率 掃描波長范圍 掃描波長步長 中心信號波長 Er3+亞穩(wěn)能級 光纖損失PASEΔλ λc壽命τ lk0.05Ps1450～1650nm 2.5nm 1550nm10ms0.03dB/m●結(jié)果根據(jù)上述方法，得到了在泵浦功率Pp＝25，50，75，100，125，150，175，200mW八種情況下共7個EDFAs的新的參數(shù)，包括摻鉺濃度、纖芯半徑、摻鉺半徑、折射率差、光纖長度、泵浦波長和信號功率。由此同時確定了最佳光纖參數(shù)以及最佳放大器參數(shù)，具體結(jié)果略。R.L.Haupt，An introduction to genetic algorithm for electromagnetics，IEEE Antennas andPropagation Magazine，37(1995)7-15.D.E.Goldberg，Genetic algorithm，Addison Wesley，New York，1989.C.R.Giles and E.Desurvire，J.of Lightwave Technology，9(1991)271-283.I.Roudas，D.H.Richards，N.Antoniades，et al.，An efficient simulation model of theerbium-doped fiber for the study of multiwavelength optical networks，Optical FiberTechnology，5(1999)363-389.J.J.Pan，K.Guan，X.D.Qiu，et al.，Advantages of low-cost，miniature，intelligent EDFAs fornext-generation dynamic metro/access networks，Optical Fiber Technology，9(2003)80-94.J.C.Martin，Erbium transversal distribution influence on the effectiveness of a doped fiberoptimization ofits performance，Optics Communications，194(2001)331-339.W.J.Miniscalco，Erbium-doped glasses for fiber amplifiers at 1500nm，J.of LightwaveTechnology，9(1991)234-250.W.L.Barnes，R.I.Laming，E.J.Tarbox and P.R.Morkel，IEEE J.Quan.Elects.，27(1991)1004-1009.
權(quán)利要求
根據(jù)上述方法，在泵浦功率為Pp＝25，50，75，100，125，150，175，200mW八種情況下，同時確定了最佳摻鉺光纖參數(shù)和最佳放大器參數(shù)共7個參數(shù)。在這7個參數(shù)中，其中有4個為常量，特征在于最佳纖芯半徑a≡0.548μm，最佳摻鉺半徑b≡0.548μm，最佳折射率差Δn≡0.460]]>(即空氣包層光纖)和最佳輸入信號功率Ps≡0.001mW。另外3個參量(摻鉺濃度nt、光纖長度L、泵浦波長λp)的特征值以及對應的中心信號增益、-3dB帶寬和中心信號噪聲系數(shù)如下表所示權(quán)利要 泵浦 最佳摻 最佳光 最佳泵 中心信-3dB中心信號求序號 功率 鉺濃度 纖長度 浦波長 號增益帶寬噪聲系數(shù)Pp(mW)nt(×1025m-3) L(m) λp(nm) Gc(dB) NF(dB)1 251.19 6.75 1462.0 28.5622.5 3.9232 501.21 7.24 1458.5 31.8525.0 3.7983 751.22 7.40 1458.2 33.7422.5 3.7724 100 1.25 7.50 1457.8 35.0825.0 3.7575 125 1.25 7.71 1457.6 36.1125.0 3.7496 150 1.17 8.46 1457.4 36.9325.0 3.7437 175 1.11 9.00 1457.2 37.6325.0 3.7398 200 1.09 9.26 1457.1 38.2322.5 3.736注表中每一行都另有最佳特征參量纖芯半徑a≡0.548μm，摻鉺半徑b≡0.548μm，折射率差Δn≡0.460]]>(即空氣包層光纖)和輸入信號功率Ps≡0.001mW。上述參數(shù)的誤差為±1％，參數(shù)適用于開環(huán)、穩(wěn)態(tài)運行、單模光傳播的EDFAs器件或系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將摻鉺光纖和摻鉺光纖放大器(EDFAs)同時進行設(shè)計的新方法。該方法應用全局優(yōu)化的遺傳算法，以信號增益以及帶寬為目標函數(shù)，在不同的泵浦功率下，數(shù)值計算EDFAs中鉺離子密度速率方程和單模條件下的光傳播方程，應用反演法，通過輸出的信號增益和帶寬值來反向同時確定摻鉺光纖及其放大器所需的7個最佳參數(shù)值，包括摻鉺濃度、纖芯半徑、摻鉺半徑、折射率差、光纖長度、泵浦波長和信號功率。本發(fā)明涉及摻鉺光纖及其光纖放大器參數(shù)的整體配置，適用于開環(huán)、穩(wěn)態(tài)運行條件，具有單模、單光纖高增益(35dB以上)、寬帶寬(大于25nm)、低噪聲(～3dB)、高效率等特點?？芍苯佑糜诓ǚ謴陀没蛎芗ǚ謴陀孟到y(tǒng)，也可應用于由EDFAs構(gòu)成的其它光電子器件或系統(tǒng)。
文檔編號G02F1/39GK1527119SQ0315957
公開日2004年9月8日 申請日期2003年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月24日
發(fā)明者程成, 程 成 申請人:程成, 程 成