专利名称：新型光纤参数确定方法
技术领域：
本发明涉及光纤通信技术。
背景技术：
光纤Raman放大器(fiber Raman amplifier，FRA)由于具有噪声系数低、增益波段灵活、可实现宽带和在线分布式放大等众多优点，已公认为是大容量的密集波分复用(DWDM)、长距离(long-haul，LH)和超常距离(ultra-long-haul，ULH)光纤传输系统的关键技术之一。
FRA应用在DWDM光纤通信系统中时，在较宽的工作波段内具有较好的增益平坦度是对其的一个基本要求，因为各路信号光增益的平坦度对光信噪比(OSNR)有重要影响，另外，各路信号光之间较大的功率差异会增加DWDM信道解复用器输出端的串话，所以应用在DWDM光纤通信系统中的FRA都应该是宽带增益平坦的。但是由于目前作为FRA增益介质的各种光纤的Raman增益系数并不平坦，所以仅用单个抽运源不可能使FRA在较宽的波段内增益谱平坦，所以一般采用多个抽运源抽运来实现增益谱平坦的目标。该问题在传统各类光纤当中已经进行了相当广泛的研究，取得了很多研究成果。
事实上，决定FRA性能的最主要因素是光纤的Raman增益系数，由于传统的各类光纤的Raman增益系数都比较低，所以一般FRA的光纤长度在十几千米到几十千米，使分立式的FRA难以缩小体积，限制了分立式FRA的使用场合，实际上目前商用的FRA几乎都是实现分布式放大的Raman抽运模块，但是，随着DWDM系统的容量、带宽和距离的进一步提升，实现发射机后端功率推动放大和接收机前端功率预放大的分立式FRA必定大有作为。同时，因为Raman增益系数比较低，就要使用大功率的半导体激光器或采用抽运光合波器合并多个抽运源以提高功率，这样也增加了系统的复杂程度。另外，传统的各类光纤的Raman增益系数谱很不平坦，所以要使FRA在较宽的增益波段内保持一定的增益平坦度就需要较多的抽运光源同时抽运，从而提高了制造成本，同时也增加了设计方法的复杂性。
另外在光纤通信中，存在不同程度的色散问题。色散是指不同频率或不同模式的光波在光纤中的群时延差引起的光脉冲展宽现象。由于光纤数字通信传输的是一系列光脉冲码，当光脉冲沿光纤传输时，色散使得光信号脉冲展宽，导致临近的脉冲有一部分相互重叠，从而使两个相邻脉冲不能被接受装置正确识别从而造成系统误码，影响通信质量。为了限制码间干扰，必须使色散引起的脉冲展宽限制在一定范围之内，当色散引起的光信号脉冲的展宽大于0.3倍的输入脉宽时，便使得光接收机灵敏度急剧下降、均衡困难、误码率增加。因此要想保证通信质量必须加大码间距，这就不得不付出降低码速率、减少通信容量的代价。
目前，对于光纤的色散问题已经提出了一些技术方案来解决，如色散补偿光纤(DCF)法、激光预啁啾法、中点光谱反转法、色散管理传输法和啁啾光纤光栅法等。在已提出的这些技术方案中，色散补偿光纤(DCF)补偿法因为其具有安装灵活方便、可靠性好、性能稳定和与常规光纤兼容等众多优点而成为目前最成熟、工程上使用最广泛的技术。其基本原理如下，如果工作波长处的信号光在常规G.652光纤中传输一定距离后所要积累的色散大小为Dtransmission，而在一定长度的DCF中传输后所要积累的色散大小Dcompensation，那么信号光的总色散大小Dtotal就可用下式来表示。
Dtotal＝Dtransmission+Dcompensation由此可见，如果DCF在工作波长处具很大的和常规G.652光纤符号相反的色散系数，那么就可用很短的一段DCF来补偿较长常规G.652光纤所产生色散，使总的色散最小，从而保证工作波长处的光信号可以被无畸变地正确接收。如果对多个波长的光波进行补偿，则由于不同波长的光波在经过传输光纤后有不同的色散积累，要使所有波长的色散都最小，那么就要求DCF有合适的色散斜率系数。
尽管色散补偿光纤(DCF)补偿法具有上述的优点，但同时应该注意到，DCF单位长度补偿量低，一般DCF每公里色散补偿值约为几百ps/nm的量级。另外DCF插入损耗较大，色散补偿后需要用光放大器来进行损耗补偿，成本增加。还有就是DCF与标准光纤相比，纤芯直径更细，而且折射率差也较大，所以折射率分布不好控制，制作也更加困难。为了充分发挥光纤补偿的优点，克服当前DCF作为补偿光纤的不足，寻找一种新型的能够实现色散补偿的光纤可以成为努力的方向之一。
以下对与本发明所需借鉴的光子晶体光纤技术作简要介绍。光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)又称“多孔光纤”或“微结构光纤”，下文一律称为“光子晶体光纤”。
光子晶体的概念是1987年E.Yablonovitch和S.John分别各自独立提出的。光子晶体实际上就是将不同介电常数的介质在空间中按一定周期排列而成的一种人造晶体，其排列周期为光波长的量级。光子晶体的空间结构可分为三种类型，如图1所示。光子晶体最主要的特性就是对不同频率的光的传输具有选择性。若光子能量和光子晶体能带相容，则光子晶体呈导通性，光子可以透过光子晶体传播出去，反之光子不能透过光子晶体，形成光子禁带。这种现象形成的原因如下在介电材料中，根据经典电磁场理论，电磁场满足如下方程 当介电常数周期性变化的比值足够大，并且变化的空间周期与光波长相近时，计算表明，对于特定的频率ω，方程(1)无解，也就是说存在光子带隙(photonic band gap，PBG)。由于光子晶体能够自由控制光在其中的传播，而光子又具有许多电子无法比拟的优点，所以它具有十分广泛的应用前景，引起了广泛的重视和研究，美国《Science》杂志把光子晶体列为1999年十大科学进展之一。图2是几种PCF结构扫描电镜图。
根据光子晶体的原理，J.C.Russell等人于1992年提出“光子晶体光纤(PCF)”的概念，并于1996年在英国南安普敦大学拉制成功世界上第一根PCF，该光纤沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤端面看，存在一个周期性的二维结构，如果其中一个孔遭到破坏，则会出现缺陷，光能够在该缺陷内传播，PCF与传统光纤在结构上有着根本的区别，有着许多重要特点，比如奇异的色散、大范围可变的非线性等特性、高度双折射、无限单模特性等。它的出现引起了各国研究机构的浓厚兴趣。PCF有两种导光的机制，分别是全内反射(Total internal reflection，TIR)机制和光子带隙(Photonic band gap，PBG)机制，研究表明，TIR机制导光的PCF(TIR-PCF)并不依赖于包层内的空气孔的周期性，甚至包层内随机分布的空气孔都可以把光线限制在纤芯的范围内，这为满足各种性能的光纤设计提供了极大的灵活性。相反，PBG机制导光的PCF(PBG-PCF)对空气孔分布的周期性要求很高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种对具有良好的高性能Raman增益属性和色散补偿效果的新型光纤的参数确定方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种新型光纤参数确定方法，采用群智能演化算法确定各参数。
具体的说，采用粒子群算法确定各参数。所述粒子群算法的计算公式为vi＝wvid+c1r1(pid-xid)+c2r2(pgd-xid)xid＝xid+vid本发明的有益效果是，当采用本发明的方法为Raman放大器增益介质光纤确定参数时，有效纤芯面积Aeff和Raman增益系数gR能够接近同步变化，从而使Raman增益效率rR＝gR/Aeff在一定的波段内保持为接近常数，可为高增益、低抽运光功率、宽带增益谱平坦的Raman放大器提供增益介质。当采用本发明的方法为高色散补偿性能光纤确定参数时，具有很大的单位长度色散补偿量，能够实现指定的色散补偿斜率设计。
以下结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1是一维、二维和三维光子晶体空间结构示意图。
图2是现有技术的几种PCF横截面结构扫描电镜图。
图3是Raman增益系数谱示意图。其中细线是试验测量值，粗线是文献值。
图4是本发明涉及的一种PCF横截面结构和包层等效过程示意图。
图5是模有效折射率随波长变化情况示意图。其中，1-纤芯1的独立模；2-纤芯2的独立模；3-偶超模；4-奇超模。
图6是色散系数随波长变化情况示意图。
图7是电场分布随波长变化情况示意图。其中，1-1500.0nm；2-1522.0nm；3-1545.0nm。
图8是有效面积随波长变化图。
图9是本发明的实施例1的示意图。
图10是本发明的算法流程图。
具体实施例方式
本发明提出一种“非对称双芯光子晶体光纤(ATC-PCF)”结构，并通过对该光子晶体光纤结构参数的优化设计，使光子晶体光纤的有效纤芯面积Aeff和喇曼增益系数gR接近同步变化，从而使喇曼增益效率rR＝gR/Aeff在一定的波段内保持为接近常数，同时得到很大的负色散系数和可控的色散斜率。为增益谱平坦色散补偿宽带喇曼放大器提供优良的介质。新提出的光纤结构和现有的为数不多的几种双芯结构的光子晶体光纤有着重要的不同。本申请提出的结构中，两个纤芯(导光单元)的直径大小不同，而且包围它们的空气孔的直径大小也不同，并且一个纤芯在整个光纤的中心，另一个纤芯偏心地分布，正是由于这些特点，决定了其有上面提到的优良属性。通过文献资料的广泛调研发现，目前国内外还未见到具有如此结构的光子晶体光纤的报道。
目前限制宽带FRA性能的最主要因素就是各类传统光纤的Raman增益系数gR，其值很小且在增益带宽内非常不平坦，典型的gR谱如图3所示，该图中细线所示是申请人对标准单模光纤进行测量的结果。gR是由介质的物质属性决定的，无论是在传统的各类传输光纤还是在新型的光子晶体光纤中，由于基本的材料都是石英或掺杂的石英，所以其gR的大小和谱形差别都不是很大，但是决定光纤Raman增益属性的除gR外还与光纤的有效纤芯面积Aeff有关，也就是说决定光纤最终Raman增益属性的是Raman增益效率rR＝gR/Aeff，这正是具有较小纤芯面积的光纤能够取得较大Raman增益的原因。尽管如此，可是没有经过特别设计的光纤的Raman增益效率rR的谱形和Raman增益系数gR的谱形非常相似，这就意味着取得光纤Raman放大器最终的平坦增益谱很困难。但是如果能让有效纤芯面积Aeff的变化和gR接近同步，那么Raman增益效率rR就接近常数，使得宽带平坦增益谱光纤Raman放大器的设计和实现更加容易和节约成本(因为可以大大减少抽运源的个数)。
在光纤Raman放大器中的有效纤芯面积是指抽运光和信号光模场的有效交叠(或称为“互作用”)面积，可由下式表示Aeff=∫∫sψp2dxdy∫∫sψs2dxdy∫∫sψp2ψs2dxdy---(2)]]>其中ψ表示模场强度，其下标p和s分别代表抽运光和信号光，积分符号的下标s表示相应模场充满的整个横截面积。可见，只要控制不同波长信号光的模场分布ψs，就能控制有效纤芯面积Aeff。很明显，模场分布ψs决定于光纤横截面的有效折射率的分布。由于光子晶体光纤独特的导光机制，使得光纤横截面有效折射率分布的设计具有非常大的灵活性，这就为光子晶体光纤有效纤芯面积的控制与设计带来了可行性。作为一个实施例，提供了一种具有平坦Raman效率系数谱的光纤，称其为“非对称双芯PCF”，如图9所示。其中白色圆圈代表空气孔，灰色部分表示硅体。根据模式耦合理论，该PCF中传输的光将在A区和B区之间发生耦合，那么，通过合理地对图中的有关参数进行设计，使泵浦光和信号频带内的光在A区和B区内共同的有效交叠纤芯面积Aeff的变化和硅的Raman增益系数gR接近同步变化，那么Raman增益效率rR就接近常数，从而达到本发明的目的之一。
本发明所述的光子晶体光纤作为色散补偿光纤时，光纤中存在的主要色散为材料色散和波导色散两种(剖面色散和偏振模色散这里忽略，因为前者的数值很小，后者则补偿机制和方法不同，需要专门讨论)。材料色散是由于材料的群折射率n随波长变化所引起的色散特性，或者说由n＝n(ω)所引起的色散。
波导色散(又称结构色散)是由光纤的组成结构决定的色散，其中光纤的横截面积形状和折射率分布起主要作用。根据色散的定义，传统光纤的总色散可由下式确定。
D=dτdλ=1c(dkn2dλ)[1+Δd(bV)dV]+kn2cΔ(d2(bV)dV2)(dVdλ)=Dm+Dw]]>Dm=1c(dkn2dλ)[1+Δd(bV)dV]≈-λcd2n2dλ2[1+Δd(bV)dV]]]>Dw=kn2cΔ(d2(bV)dV2)(dVdλ≈-kn2c(Δλ)Vd2(bV)dV2)]]>其中，第一项Dm就是材料色散，第二项Dw为波导色散。τ、λ、c、Δ、b、k、n2和V分别为群时延、光波波长、光速、纤芯与包层的折射率差、归一化传播常数、波矢、包层折射率和归一化频率。材料的色散由材料的属性决定，一旦光纤的材料选定，其色散属性就确定了。目前光纤材料的折射率(决定色散)可用Sellmeier公式拟合估算。那么，可控的色散就落到了导波色散上了，由前式可见，为了使光纤具有大的负色散系数，必须加大Δ，但同时仍要保持单模传输就必须减小纤芯半径，这样就增加了传统光纤的加工和制造的难度。而光子晶体光纤是由同一种材料制成，芯层与包层折射率的差值可以做的很大，其折射率在横截面上分布特性主要依靠它的空气孔几何形状、尺寸、孔的间距和空气孔的排列来改变，所以可通过设计不同的自由度来制造具有不同色散特性的单模光纤。至于色散斜率Dslope，其不过是色散对波长的导数，设计的实质没有变化，只是要在优化具体ATC-PCF参数时增加一个自由度而已。
下面再以包层等效折射率方法为例讨论本发明提出的ATC-PCF能够实现项目目标的基本原理。
首先简单介绍一下PCF的等效折射率模型。如图4(a)所示的光子晶体光纤，其横截面可划分为由纯石英柱构成的半径为r的芯区和在石英衬底上按照三角形周期排列的直径为d、间距为Λ的空气孔构成的包层区。等效折射率模型的基本思想是将带有规则周期性空气孔的包层等效为折射率为ncl的石英，那么对于光子晶体光纤的分析，就可以利用传统阶跃型光纤的分析方法和分析结果。等效折射率模型的关键是求出基空间填充模式(Fundamental Space-Filling Mode，FSM)的传输常数βFSM，这样，光子晶体光纤包层区的等效折射率为可按下式计算neff＝βFSM/k0(3)k0＝2π/λ0(4)其中，k0和λ0分别为自由空间的波数和波长。为了得到βFSM，可将光子晶体光纤包层近似为无限大周期性结构，包层中的一个单元，如图4(b)所示，在空气孔直径d不是很大的时候，可将其正六边形边界近似为半径为reff的圆，如图4(c)所示。在这样一个周期性单元中，采用柱坐标求解包层的标量波动方程，在基模传输的条件下，结合元胞周期性边界条件和元胞内石英-空气界面的连续性边界条件可得UI0(W)WI1(W)=J1(U·reff/a)N0(U)-J0(U)N1(U·reff/a)J1(U)N1(U·reff/a)-J1(U·reff/a)N1(U)---(5)]]>其中a＝d/2，其余各个符号的含义和传统光纤的场解相同，这里不再赘述。该特征方程的最大根就是βFSM，从而利用(3)式可以得到光子晶体光纤包层等效折射率ncl。有了包层区的等效折射率ncl，就可以利用阶跃光纤的理论来研究光子晶体光纤的导模特性。
根据前面介绍过的分析光子晶体光纤的包层等效折射率理论，本发明提出的横截面结构如图9所示ATC-PCF可以看成具有两个平行纤芯的光子晶体光纤，其中一个纤芯1由A区构成，另一个纤芯2由C区构成。通过调整其结构参数，使两个纤芯各自独立地分别支持单模传输，那么根据超模(Supermodes)理论，该结构光纤支持一个偶超模和一个奇超模，它们的传播常数和电场分布由下式本征值方程决定{▿t2+k02n2(x,y)-β±2}ψ±(x,y)=0---(6)]]>其中，β±和Ψ±分别是偶、奇超模的传播常数和电场分布，t为二维Laplace算符，n(x，y)为光纤横截面的折射率分布，这里我们看到，光波场的传播常数(根据定义，色散和色散斜率由该参数决定)和电场分布(根据定义，有效纤芯面积由该参数决定)完全由光纤横截面的折射率分布n(x，y)决定。通过恰当的参数设置，可使两个超模在某一波长处具有相同的传播常数，该波长称为相位匹配波长(Phase-Matching Wavelength，PMW)，在远离PMW处这两个超模的有效折射率曲线非常接近两个纤芯各自所传播模式的有效折射率曲线，所以当光波的波长小于PMW时，所有光的偶超模被紧紧地限制在A区纤芯1中，导致有效的交叠面积较小，当光波的波长增大到超过PMW时，光波的能量逐渐扩散到C区纤芯2中，导致有效的交叠面积增大。同理，由于传播常数和电场的模式分布由同一个本征方程(6)决定，当电场的分布发生变化时，其传播常数也必然发生变化(因为只有两个超模，不存在简并的情况)。图5～图7是我们根据以上分析，采用一种凭经验估计的ATC-PCF的参数计算得到的初步结果。可见，有效折射率、色散、电场分布和有效面积的变化都和上述的分析吻合。
对于传统光纤制造而言，双芯光纤对工艺条件的要求较高，制造质量较高的双芯光纤非常困难，过程相当繁琐，一般由两根普通的单模光纤预制棒经加工、清洗后一起放入套管中然后置于玻璃车床上，经负压、高温火焰烧成。主要存在的问题是预先设计的光纤参数不易保证，预制棒中容易产生气泡，套管与组件结合不好，接头部分容易产生应力，因而时常出现炸裂现象，使预制棒报废，成品率低。
对于光子晶体光纤来讲，双芯光子晶体光纤的制作比普通双芯光纤的制作容易得多。光子晶体光纤的拉制工艺经过多年的发展，目前已经发展的比较成熟，常见的制造工艺有三种毛细管集束(管棒堆积拉丝)法、溶胶凝胶法和挤压法。其中得到广泛应用的是毛细管集束法，制作过程中将石英毛细管按照预期设计的周期性结构进行堆积，在光纤芯子的位置以石英棒代替石英毛细管形成纤芯，然后外加套管制成预制棒；最后将预制棒在光纤拉丝塔上拉制成光纤。毛细管集束法的突出优点是能够制造具有十分复杂的横截面几何形状，因为可以通过对石英棒和毛细管的个数、位置、间距和大小的调节实现各种光子晶体光纤的设计。早在2001年G.Kakarantzas等就已经成功拉制出了其他类型双芯光子晶体光纤。可见拉制本发明提出的ATC-PCF并不存在技术本质上难以克服的困难。
实施例1参考固体导光的光子晶体光纤结构，其是由包层内的石英以及空气孔构成，可以视为空气孔包围着中心的石英。鉴于此，本发明将这样的结构称为光导单元，中央的固体部分称为中心光波导区域(纤芯)，外围的空气孔及其附近的区域称为外场区域。如图9所示，中间为中心光波导区域，外部分布有气孔的区域为外场区域。
参见图9。本实施例包括有第一光导单元和第二光导单元，第二光导单元分布于第一光导单元的外场区域中，并且为第一光导单元的气孔包围。第一和第二光导单元结构依照光子晶体光纤方式排布，即，皆为“气孔包围固体”的排布方式。第一导光单元包括中心光波导区域和以正六边形方式均匀分布于中心光波导区域周围的多层气孔，其部分气孔为第二光导单元取代。B区中的两层气孔及其中央的固体即构成第二光导单元，其占据的位置正位于第一光导单元的一个气孔的位置。
本实施例的第一和第二光导单元为正六边形结构，即每一层气孔构成一个正六边形。其仅为一个实施例，采用其他的多边形同样能够实现。
本实施例的第一光导单元的尺寸大于第二光导单元，使第二光导单元处于第一光导单元的外场区域。即，第一导光单元的气孔直径和外切圆直径都大于第二导光单元。
本实施例的参数L’、d’、D’、λ和Λ可以通过粒子群算法确定。具体为L’、d’、D’、λ和Λ作为输入参数，经过等效折射率法计算出输出参数D、gR/Aeff、Dslope，以输出参数作为评测指标，通过粒子群算法得到具有最优评测指标的L’、d’、D’、λ和Λ。
假设在一个N维的目标搜索空间中，有m个粒子组成一个群落，其中第i个粒子的位置可以表示为一个N维的向量xi＝(xi1，xi2，...，xiN)，i＝1，2，...，m，xi就是所求问题的一个潜在解。将xi带入一个目标函数就可以计算出其适应值，根据适应值的大小来衡量xi的优劣。第i个粒子的“飞翔”速度也是一个N维向量，记为vi(vi1，vi2，...，viN)。记第i个粒子迄今为止搜索到的最优位置为pi＝(pi1，pi2，...，piN)，整个粒子群迄今为止搜索到的最优位置为pg＝(pg1，pg2，...，pgN)，则粒子群优化算法的计算公式为vi＝wvid+c1r1(pid-xid)+c2r2(pgd-xid)(4)xid＝xid+vid(5)其中，d＝1，2，...，N，w是非负的常数，称为惯性因子，c1，c2是非负的常数，称为学习因子，r1，r2∈
是随机数，在实际的应用中，如果是有界问题，一般还有如下的约束条件vid∈[vdmin，vdmax]，xid∈[xdmin，xdmax]其中vdmin，vdmax，xdmin和xdmax为预先设定的常数，当vid或(和)xid超出预定的边界时，vid或(和)xid就等于相应边界值。参见图10，粒子群算法的一般优化步骤为1)随机初始化所有粒子的位置和速度；2)根据已知目标函数计算各微粒的适应值；3)对于每个微粒，比较当前位置适应值和历史最好位置的适应值，如果当前位置适应值最优则更新pi；4)比较当前所有粒子最好位置的适应值和历史上所有粒子位置的最好适应值，如果当前最好位置更优，则更新pg；5)判断终止条件，若满足则退出，不满足则转到第2步运行。
本实施例采用等效折射率法由输入参数L’、d’、D’、λ和Λ得到输出参数总色散D、Raman增益效率gR/Aeff、色散斜率Dslope，即色散对波长的微分，如图6。
然后再以粒子群算法进行调整。也可以采用除等效折射率法以外的其他理论或数值计算方法得到输出参数。
本实施例中，可根据上述算法计算出粒子最好位置的适应值，包括大空气孔的直径D’，小空气孔的直径d’，大空气孔的空间距Λ，小空气孔的空间距λ，纤芯1区A和纤芯2区C的中心距离L’。应当注意的是，此处的L’、d’和D’是有具体的物理意义，与粒子群算法公式中的代号是完全不同的。
权利要求
1.新型光纤参数确定方法，其特征在于，采用群智能演化算法确定各参数。
2.如权利要求1所述的新型光纤参数确定方法，其特征在于，采用粒子群算法确定各参数。
3.如权利要求2所述的新型光纤参数确定方法，其特征在于，所述粒子群算法为vi＝wvid+c1r1(pid-xid)+c2r2(pgd-xid)xid＝xid+vid。
4.如权利要求2所述的新型光纤参数确定方法，其特征在于，具体步骤为1)随机初始化所有粒子的位置和速度；2)根据已知目标函数计算各微粒的适应值；3)对于每个微粒，比较当前位置适应值和历史最好位置的适应值，如果当前位置适应值最优则更新pi；4)比较当前所有粒子最好位置的适应值和历史上所有粒子位置的最好适应值，如果当前最好位置更优，则更新pg；5)判断终止条件，若满足则退出，不满足则转到第2步运行。
全文摘要
新型光纤参数确定方法，主要涉及光纤通信技术，本发明采用群智能演化算法确定各参数。本发明的有益效果是，当采用本发明的方法为Raman放大器增益介质光纤确定参数时，有效纤芯面积A
文档编号G02B6/00GK101082686SQ200710049198
公开日2007年12月5日 申请日期2007年5月29日 优先权日2007年5月29日
发明者姜海明 申请人:电子科技大学