一种稀疏波分复用系统倍频方法

1.本发明为一种稀疏波分复用系统倍频方法，属于光电技术领域。


背景技术：

2.波分复用技术是超大容量光纤传输方案中的关键技术，该技术能够将携带了各种各样信息的多路光载波复合到同一条光纤上进行传输，有效提高全光光通信的通信容量。
3.稀疏波分复用系统波长间隔较大，共有18个波长，传统的单波长倍频技术和周期极化铌酸锂宽带倍频技术都无法把18个波长全部实现倍频转化。
4.在倍频转换过程中，基波和倍频波的相速度和群速度之所以会不一致，是因为非线性晶体存在色散效应，且不可避免。基于少数各向异性非线性晶体，可以利用双折射匹配技术同时补偿相位失配和群速度失配，但对于大部分各向异性非线性晶体而言，并不能采取这种方法同时实现相位匹配和群速度匹配，因为它们的方向是不一致的。另一种解决相位失配的方法称为准相位匹配，即当基频和二次谐波相位差累积到π时，反转二阶非线性系数的符号，使得相位差“复位”为零，能量能够始终流向倍频光波。相较于双折射相位匹配，准相位匹配不要求相互作用的光波是正交偏振的，更加灵活便于操作，对于任意的非线性过程，通过计算相位失配量后即可确定晶体所需的晶体周期，在晶体透光范围内，理论上可以实现任意输出光波长的调谐并且避开了材料折射率的限制。
5.高效宽带倍频转换技术在光通信、信号处理和光谱学等很多领域都有重要的应用。
6.稀疏波分复用技术是波分复用技术的一种，一般应用于城域网络中。它可以在1260～1675nm的光纤传输窗口进行传输，波长间隔为20nm，比密集波分复用系统的波长间隔大得多。由于稀疏波分复用系统覆盖波长范围较宽，所以宽带准相位匹配技术无法实现其所有的波长转换。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的不足，本发明提供了一种稀疏波分复用系统倍频方法，实现了稀疏波分复用系统的全部波长较高效率转换。
8.为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
9.该方法包括用非周期极化铌酸锂晶体实现；用基于二进制编码的量子行为粒子群优化算法设计非周期极化铌酸锂晶体；基于二进制编码的量子行为粒子群优化算法的目标函数只包含稀疏波分复用系统的波长，不包含其它波长，该方法的流程图如图1所示。
10.由于准周期结构晶体在设计时会受到很多条件的制约，导致转换效率达不到较理想的状态。因此，提出了非周期结构晶体。要用基于二进制编码的量子行为粒子群优化算法设计非周期极化铌酸锂晶体。首先提出了一种适用于非周期极化铌酸锂宽带倍频的目标函数表达式，利用基于二进制编码的量子行为粒子群优化算法寻找能实现最宽带宽倍频的非周期极化铌酸锂晶体结构。基于稀疏波分复用系统的光波波长范围非常宽这一特点，提出
了基于二进制编码的量子行为粒子群优化算法的改进方法，即让目标函数只包含稀疏波分复用系统的所有波长。然后利用该方法研究了目标函数参数β和温度对稀疏波分复用光波倍频特性的影响。
11.温度固定为30℃，改变目标函数参数β的值分别为0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5时，计算所通过稀疏波分复用系统的光波数以及转化效率。当目标函数参数β＝0.5时，稀疏波分复用系统的可倍频转换光波数为18个，转化效率较高。
12.固定目标函数参数β为0.5，将温度分别设置为30℃、60℃、90℃和120℃时，稀疏波分复用系统的可倍频转换光波数均为18个。
附图说明
13.图1为稀疏波分复用系统宽带倍频方法流程图
14.图2为当温度为30℃，β为1，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
15.图3为当温度为30℃，β为0，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
16.图4为当温度为30℃，β为0.5，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
17.图5为当温度为30℃，β为1.5，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
18.图6为当温度为30℃，β为2，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
19.图7为当温度为30℃，β为2.5，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
20.图8为当温度为30℃，β为3，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
21.图9为当温度为30℃，β为3.5，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
22.图10为当温度为30℃，β为4，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
23.图11为当温度为30℃，β为4.5，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
24.图12为当温度为60℃，β为0.5，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
25.图13为当温度为90℃，β为0.5，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
26.图14为当温度为120℃，β为0.5，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，倍频转换效率图
具体实施方式
27.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
28.非周期结构晶体其原理为：沿着光波在非线性晶体中的传播方向，以δl为单元畴，对晶体进行分解，即l＝n
·
δl。每个单元畴的极化方向受特定的非线性光学效应控制，可能向上或向下。多个符号相同的连续单元畴可形成一个正畴或负畴，由此组成了不均匀的周期结构晶体，可以对非线性系数进行非周期调制。
29.利用基于二进制编码的量子行为粒子群优化算法设计非周期极化铌酸锂晶体。首先将总长度为10mm的晶体沿着光传播方向分隔为3333个等长的单元畴，每个单元畴的长度约为3μm。每个畴的极化方向可以取或，共计23333种晶体结构，需要在如此多的晶体结构中寻找到最优的一种结构.
30.利用基于二进制编码的量子行为粒子群优化算法，寻找目标函数的最优解。最优化问题的数学表达式一般为：min[f(x)]x∈ω约束方程为：hi(x)＝0,i＝1,2,l,m，si(x)≥0,j＝1,2,l,n。其中，f(x)为需要求解的目标函数，整个寻求最优值的过程就是选出一个最好的变量值使得目标函数f(x)达到最优。本文设定基于二进制编码的量子行为粒子群优化算法目标函数为要想得到高效宽带倍频转换，且带顶平缓度较高，就得找到目标函数的最小值。其中，n代表目标函数包含光波的个数，β是用于调节宽带倍频带顶平缓度和倍频转换效率占比的参数，d
reff
表示目标函数包含光波的相对有效非线性系数，δ
fit
是标准差，在稀疏波分波分复用系统的应用中n取18，即目标函数只包含稀疏波分复用系统的所有光波数。
[0031]
当温度为30℃，目标函数参数β为1，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波时，稀疏波分复用系统的可倍频转换光波数为18个，如图2所示。
[0032]
通过改变目标函数参数β的值，改变实现倍频转换的稀疏波分复用光波数。目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波，温度为30℃，目标函数参数β为0时，可倍频转换光波数为4个，如图3所示。目标函数参数β为0.5时，可倍频转换光波数为18个，如图4所示。目标函数参数β为1.5时，可倍频转换光波数为18个，如图5所示。目标函数参数β为2时，可倍频转换光波数为18个，如图6所示。目标函数参数β为2.5时，可倍频转换光波数为18个，如图7所示。目标函数参数β为3时，可倍频转换光波数为18个，如图8所示。目标函数参数β为3.5时，可倍频转换光波数为0个，如图9所示。目标函数参数β为4时，可倍频转换光波数为0个，如图10所示。目标函数参数β为4.5时，可倍频转换光波数为0个，如图11所示。
[0033]
当温度为30℃，β＝0.5时，稀疏波分复用系统的所有光波均可实现倍频转换且效率较高。
[0034]
可以通过改变温度，改变实现倍频转换的稀疏波分复用光波数。目标函数参数β为
0.5，目标函数包含稀疏波分复用系统所有光波，当温度为30℃时，可倍频转换光波数为18个，如图4所示。当温度为60℃时，可倍频转换光波数为18个，如图12所示。当温度为90℃时，β为0.5，可倍频转换光波数为18个，如图13所示。当温度为120℃时，可倍频转换光波数为18个，如图14所示。
[0035]
当β为0.5，温度分别为30℃、60℃、90℃和120℃时，稀疏波分复用系统的所有光波均可实现倍频转换。