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用遗传算法设计掺铒光纤及掺铒光纤放大器制造技术

技术编号:3470882 阅读:211 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
根据上述方法,在泵浦功率为P↓[p]=25,50,75,100,125,150,175,200mW八种情况下,同时确定了最佳掺铒光纤参数和最佳放大器参数共7个参数。在这7个参数中,其中有4个为常量,特征在于:最佳纤芯半径a≡0.548μm,最佳掺铒半径b≡0.548μm,最佳折射率差Δn≡0.460(即空气包层光纤)和最佳输入信号功率P↓[s]≡0.001mW。另外3个参量(掺铒浓度n↓[t]、光纤长度L、泵浦波长λ↓[p])的特征值以及对应的中心信号增益、-3dB带宽和中心信号噪声系数如下表所示:    ***    上述参数的误差为±1%,参数适用于开环、稳态运行、单模光传播的EDFAs器件或系统。(*该技术在2023年保护过期,可自由使用*)

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】引言掺铒光纤放大器(EDFAs)由于其具有高增益、宽带宽、低噪声、高效率等突出优点而受到人们的极大关注。目前,单光纤EDFA的增益已达到25~30dB,-3dB带宽达到了~20nm,噪声系数可达3~4dB。EDFAs是密集波分复用光通讯系统的关键部件,在激光、光开关、非线性光器件等方面也有重要的应用。在EDFAs的设计中,一般通过建立EDFAs中的铒离子粒子数速率方程以及光功率传播方程,在光斑模式为高斯分布近似或贝塞尔分布近似下,数值求解速率方程和光功率传播方程,从而对给定的光纤、给定的泵浦波长和给定的泵浦功率情况下,确定EDFAs中的最佳光纤长度等。有时,作为一种估计,也采用一些近似方法,例如通过解析计算输出泵浦功率等于泵浦阈值功率时的光传播功率,结合“光时域反射法”等,可大致确定最佳光纤长度等。这样确定的最佳光纤长度等是局域的,它只适用于给定的光纤或一个局部区域,并没有将掺铒光纤本身和放大器一起来进行设计,并有可能存在局部最大(小)的问题。近年来,一些全局优化方法已应用于许多领域。与传统的梯度算法优化不同,全局优化法没有局部最大(小)问题,其中一种全局优化方法是遗传算法。遗传算法来自于自然界的基因组合和自然选择的原理。由于遗传算法具有思想新颖、全局搜索、算法简单等优点,因此,近年来得到了比较快的发展和应用,例如应用于电磁天线的设计、光子晶体以及激光器的设计,等等。对给定的光纤来设计掺铒光纤放大器,近一些年来,已经有了许多理论和实验报道。Giles et al.提出了一个典型的EDFA理论模型。在该模型中,详细给出了开环系统中沿光纤传播的功率方程和均匀介质中二能级铒离子密度速率方程,在稳态条件下讨论了数值解。Roudas et al.讨论了一个应用于密集波分复用的EDF模型。Pan et al.综述了近年来对下一代低成本、微型、智能EDFAs研究的进展。一些最佳设计和新的泵浦技术也有报道(如文献)。然而,迄今为止,还没有报道无论是用遗传算法或是用其它全局优化的方法,来同时设计掺铒光纤和掺铒光纤放大器(EDFAs),大部分的工作都仅限于利用已有的光纤来设计光放大器。在本专利技术专利中,我们公开了一种将掺铒光纤和掺铒光纤放大器(EDFAs)一起进行设计的新方法。该方法应用全局优化的遗传算法,以信号增益以及带宽为目标函数,在不同的泵浦功率下数值计算EDFAs中铒离子密度速率方程和单模条件下的光传播方程,应用反演法,通过输出的信号增益和带宽值来反向确定掺铒光纤及其放大器所需的7个最佳参数值,包括掺铒浓度、纤芯半径、掺铒半径、折射率差、光纤长度、泵浦波长和信号功率。本专利技术涉及的掺铒光纤以及由该种光纤构成的掺铒光纤放大器的参数配置,适用于开环、稳态运行条件,具有单模光传播的特点。特征是将掺铒光纤和掺铒光纤放大器(EDFAs)一起进行设计,并具有单光纤增益高(35dB以上)、宽带宽(大于25nm)、噪声低(~3dB,几乎接近量子噪声极限)、效率高等。可直接用于波分复用或密集波分复用系统,也可应用于由EDFAs构成的其它光电子器件或系统。●设计方法采用二能级系统的EDFAs,铒离子浓度保持恒定,即nt≡n1+n2(其中1、2分别表示激光下、上能态),且径向分布均匀。稳态时在EDFAs中沿z方向传播的光功率Pk可由如下方程描述dPkdz=ak+gkΓkPk∫0bn2(r,z)ntik(r)2πrdr-(ak+lk)Pk+gkΓkmhvkΔvk∫0bn2(r,z)ntik(r)2πrdr,(1)]]>式中k为频率。如果铒离子沿径向均匀分布在半径b中,则Pk满足Pk(z)=∫0bIk(r,z)2πrdr,---(2)]]>其中Ik是第k频率的光强。归一化光强可写为ik(r)=Ik(r,z)/Pk(z). (3)在方程(1)中,ak和gk是光纤吸收系数和增益系数,它们的定义如下αk=σak∫0bik(r)nt(r,z)2πrdr,]]>(4)gk=σek∫0bik(r)nt(r,z)2πrdr,]]>其中σak,σek是吸收截面和辐射截面。掺铒离子和光学模之间的重叠积分定义为Γk=∫0bik(r)2πrdr,---(5)]]>方程(4)可以重新写为ak=σakΓknt,(6)gk=σekΓknt,式中nt是铒离子总密度。对于纤芯折射率ncore、包层折射率nclad、纤芯半径为a的阶跃型的光纤,基模LP01的归一化光强为ik(r)=1π2,r<a---(7)]]>式中J0,1是0,1阶贝塞尔函数,变量υk=1.1428Vk-0.9960,uk=Vk2-υk2.]]>光纤常数Vk=2πaNA/λk(1≤Vk≤3),数值孔径NA=ncore2-nclad2.]]>通过解稳态Er3+密度方程,可以得到方程(1)中的铒离子密度为n2(r,z)=ntΣkτσakhvkPk(z)ik(r)1+Σk(σak+σek)hvkPk(z)ik(r),---(8)]]>式中τ是铒离子亚稳态寿命。方程(1)中,lk是光纤中的其它损失,包括高折射率纤芯的散射损失、衍射损失以及其它损失。 mhvkΔvk是粒子数,n2(r,z)所产生的自发辐射噪声的贡献,其中模数m=2,对应于最低阶光学模有两个极化态,Δvk是有效噪声带宽,定义为Δvk=Δv=∫0∞(σe(v)/σe,peak)dv.]]>注意到方程(1)中包含有3个独立的方程分别是关于信号和泵浦,此时m=0;关于噪声,此时m=2。辐射和吸收截面可采用Al/P-Si光纤的数据。此外,也可采用一些其它截面,例如Ge:Si、Al/Ge-Si;GeO2-SiO2。由方程(1)可见,在EDFAs中传播的光功率与4个光纤参数(掺铒浓度nt、纤芯半径a、掺铒半径b和折射率差Δn)和4个放大器的运行参数(光纤长度L、泵浦波长λp、初始输入信号功率Ps和泵浦功率Pp)有关。但由于信号增益或带宽随泵浦功率Pp单调增大或减小,因此泵浦功率可不在优化之列。分别对Pp=25,50,75...200mW的泵浦情况进行优化。遗传算法中的目标函数定义为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).本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员:程成
申请(专利权)人:程成
类型:发明
国别省市:

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