能优化基于六波混频的光纤参量放大器增益系统及方法与流程

本发明属于光纤通信和非线性光纤光学领域，涉及一种光纤参量放大器，尤其是一种基于六波混频的光纤参量放大器。

背景技术：

随着国家“三网合一”战略的急需发展，光纤通信系统因其大容量、宽带、低损耗和抗电磁干扰等特点，构成了现代通信网络的主干。其中，波分复用技术能充分地利用光纤的传输带宽，是用于骨干网配置的首选方案；但是波分复用系统中亦伴随着数据传输中的损耗等问题，因此需要先进的全光放大技术作为支撑。其中，光纤参量放大技术具有可对任意波长的信号进行放大、低噪声系数、宽带、高增益、高相敏特性以及产生闲频带等显著优点，受到了越来越多的关注。提高放大系统的增益特性是研究放大系统的重要指标，因此，研究提高光纤参量放大器的增益成为极有吸引力的热点。

就目前的研究进展而言，主要是研究基于四波混频的光纤参量放大器的增益特性，但是，在双泵浦系统结构，信号光波长位于两个泵浦光波长之间时更容易产生六波混频效应，目前，对六波混频的光纤参量放大器的研究尚少，因此，如何优化基于六波混频效应的光纤参量放大器的增益特性成为研究光纤参量放大器的关键因素。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种能优化基于六波混频的光纤参量放大器增益系统。

本发明的技术方案为：一种能优化基于六波混频的光纤参量放大器增益系统，包括：第一泵浦激光器、第二泵浦激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第四偏振控器、第五偏振控制器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、信号激光器、光衰减器、光耦合器、高非线性光纤和光谱分析仪，其中，

所述第一泵浦激光器用于产生第一泵浦光；

所述第二泵浦激光器用于产生第二泵浦光；

所述第一泵浦光和第二泵浦光分别经第一偏振控制器和第三偏振控制器调整其偏振态，然后分别经由第一1Gb/s伪随机序列驱动的第一相位调制器和第二1Gb/s伪随机序列驱动的第二相位调制器调制，再分别经第二偏振控制器和第四偏振控器进一步调整偏振态，后分别经第一掺铒光纤放大器和第二掺铒光纤放大器放大后，与经过第五偏振控制器和光衰减器调整的信号激光器产生的信号光，通过光耦合器耦合，然后两个泵浦光和信号光同时进入高非线性光纤，通过光纤中的六波混频效应实现三个闲频光的产生和信号光的放大，利用光谱分析仪测量相应功率的变化。

基于上述能优化基于六波混频的光纤参量放大器增益系统，本发明还提出了能优化基于六波混频的光纤参量放大器增益方法，具体为：第一泵浦激光器产生的第一泵浦光和第二泵浦激光器产生的第二泵浦光依次分别经第一偏振控制器和第三偏振控制调整其偏振态，经由第一1Gb/s伪随机序列驱动的第一相位调制器和经由第二1Gb/s伪随机序列驱动的第二相位调制器调制，经第二偏振控制器和第四偏振控制器进一步调整其偏振态，分别经第一掺铒光纤放大器和第二掺铒光纤放大器放大后，并与经过第五偏振控制器和光衰减器调整的信号激光器产生的信号光，通过光耦合器耦合，然后两个泵浦光和信号光同时进入高非线性光纤，通过光纤中的六波混频效应实现三个闲频光的产生和信号光的放大，利用光谱分析仪测量相应功率的变化。

本发明的有益效果：本发明的能优化基于六波混频的光纤参量放大器增益系统及方法利用遗传算法来选择最佳的泵浦光波长、泵浦光功率及光纤长度，进而优化光纤参量放大器的增益。即只需采用遗传算法找出最优的参数，指导后续的仿真和实验参数的选择，就可以有效地优化基于六波混频的光纤参量放大器的增益，本方案及装置简单容易实现，提高了基于六波混频的光纤参量放大器的增益优化特性和系统灵活性，优化了光纤参量放大器的增益，有利于光通信系统中全光放大技术的发展。

附图说明

图1为能优化基于六波混频的光纤参量放大器增益系统框图。

图2为本发明实施例六波混频的示意图。

图3为本发明实施例采用遗传算法优化的光纤参量放大器的增益谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，一种能优化基于六波混频的光纤参量放大器增益系统，包括：第一泵浦激光器、第二泵浦激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第四偏振控器、第五偏振控制器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、信号激光器、光衰减器、光耦合器、高非线性光纤和光谱分析仪，其中，所述第一泵浦激光器用于产生第一泵浦光；所述第二泵浦激光器用于产生第二泵浦光；

所述第一泵浦光和第二泵浦光分别经第一偏振控制器和第三偏振控制器调整其偏振态，然后分别经由第一1Gb/s伪随机序列驱动的第一相位调制器和第二1Gb/s伪随机序列驱动的第二相位调制器调制，再分别经第二偏振控制器和第四偏振控器进一步调整偏振态，后分别经第一掺铒光纤放大器和第二掺铒光纤放大器放大后，与经过第五偏振控制器和光衰减器调整的信号激光器产生的信号光，通过光耦合器耦合，然后两个泵浦光和信号光同时进入高非线性光纤，通过光纤中的六波混频效应实现三个闲频光的产生和信号光的放大，利用光谱分析仪测量相应功率的变化。

基于上述系统本发明还提出了能优化基于六波混频的光纤参量放大器增益方法，具体为：第一泵浦激光器产生的第一泵浦光和第二泵浦激光器产生的第二泵浦光依次分别经第一偏振控制器和第三偏振控制调整其偏振态，经由第一1Gb/s伪随机序列驱动的第一相位调制器和经由第二1Gb/s伪随机序列驱动的第二相位调制器调制，经第二偏振控制器和第四偏振控制器进一步调整其偏振态，分别经第一掺铒光纤放大器和第二掺铒光纤放大器放大后，并与经过第五偏振控制器和光衰减器调整的信号激光器产生的信号光，通过光耦合器耦合，然后两个泵浦光和信号光同时进入高非线性光纤，通过光纤中的六波混频效应实现三个闲频光的产生和信号光的放大，利用光谱分析仪测量相应功率的变化，实现了基于六波混频的光纤参量放大器增益的优化。

在本实施例中具体通过遗传算法的选优方法选择出一组最佳数据以得到最佳放大，遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟进化过程搜索最优解的方法。其步骤为：

1)将实际问题中的增益的峰值、带宽及平坦性三者作为求解六波混频放大的参数集；

2)为了简便起见首先将参数集通过二进制编码将其初始化、再通过十进制进行转化后记录下每代个体的参数值。

3)根据增益内增益幅值的方差作为衡量个体适应度，选择策略采用轮盘赌策略，令PP₀＝0，其中PP_i为累计概率，P_i为个体的选择概率，其计算公式为：其中fitness(x_i)为个体适应度。共转轮NP次(NP为种群个体数)，每次转轮时，随机产生0到1之间的随机数r,当PP_i-1≤r＜PP_i时选择个体i。

4)将适应度高的个体保存下来进行重组与交叉变异；

5)最后将每代个体代入六波混频的方程组：

其中，i为虚数单位；γ为高非线性光纤系数；A_j(j＝1,2,3,4,5,6)为各个光波的增益幅值，A_j^*(j＝1,2,3,4,5,6)为增益幅值A_j的复共轭；|A_j|²为各个波的功率；z为光纤的长度；其中Δβ_jkmn为光纤的非线性系数，为在角频率为ω_j(j＝1,2,3,4,5,6)时光纤的线性系数，其中j＝1,2时代表两个泵浦光，j＝3时代表信号光，j＝4,5,6时代表闲频光；为在角频率为ω_k时光纤的线性系数,ω_j为各个波长的角频率，其计算公式为(j＝1,2,3,4,5),其中λ为各个光波的波长。

按照此方法进行下去将第一次优化后得到的泵浦光波长代入到下一次遗传算法程序中，即将泵浦光的波长设为优化后所得的数据，继续优化泵浦光的功率；将泵浦功率与泵浦光的波长改为优化后的数据继续对光纤的长度进行优化。最后就得到一组含有泵浦光波长，光纤长度，泵浦功率的优化数据。按照优化后得到的一组数据定量的对信号光进行放大。

这里通过采用遗传算法，选择最佳的泵浦光波长、泵浦光功率及光纤长度，进而优化光纤参量放大器的增益。

遗传算法从问题解的串集开始搜索，而不是从单个解开始，避免了局部最优解。遗传算法不是采用确定性规则，而是采用概率的变迁规则来指导它的搜索方向。遗传算法仅用适应度函数值来评估个体，适应度函数值不仅不受连续可微的约束，而且其定义域可以任意设定。本方法借助于遗传算法快速的找到了一组最佳放大信号光的数据组合。

在图1中，第一泵浦激光器产生波长为1460.9nm的泵浦光，经过第一偏振控制器调整其偏振后进入由第一1Gb/s伪随机序列驱动的第一相位调制器，再次经过第二偏振控制器后进入掺铒光纤放大器放大至3.4194W；第二泵浦激光器产生波长为1595.5nm的泵浦光，经过第三偏振控制器调整其偏振后进入由第二1Gb/s伪随机序列驱动的第二相位调制器，再次经过第四偏振控制器后进入第二掺铒光纤放大器放大至3.4194W；信号激光器作为信号光源可产生可调谐的激光，信号光波长可在1480nm到1600nm间调节，经衰减器后调为-40dBm。将两个泵浦光与信号光共同注入到耦合器中然后经过非线性系数为γ＝20W^-1Km^-1，三阶极化率为β₃＝0.49×10^-40s³m^-1，四阶极化率为β₄＝-5.8×10^-56s⁴m^-1，光纤长度为96m的高非线性光纤中发生六波混频作用。产生三个波长的闲频光，同时对信号光进行放大。在光纤参量放大过程中，如图2所示，两个泵浦光ω₁ω₂、信号光ω₃和三个闲频光ω₄ω₅ω₆间的角频率满足,ω₁+ω₂＝ω₄+ω₅，2ω₁＝ω₃+ω₄，2ω₂＝ω₅+ω₆的条件。光纤距离较短时一般不考虑其传输损耗，并且在各个光波偏振态保持线偏振连续光的情况下，六个光波间的复振幅变化过程满足耦合模方程(1)，通过遗传算法选择的最优参数，得到了图3中的信号光的最大增益为72dB，增益带宽为140nm的增益谱图，

综合以上陈述，本发明具有如下特征：1).在光纤参量放大系统分析研究六波混频的增益特性；2).采用遗传算法优化系统参数得到增益的最优结果。有利于优化基于六波混频的光纤参量放大器的特性，为密集波分复用光通信系统的全光放大技术提供新的方案。

以上所陈述的仅仅是本发明方法的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方案及装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改(比如改变高非线性光纤的非线性系数和光纤参数时)也应包含在本发明的保护范围以内。