一种基于群体智能的空芯反谐振光纤设计方法技术

本发明专利技术属于光纤通信领域，更具体地，涉及一种基于粒子群优化算法的空芯反谐振光纤设计方法

【技术实现步骤摘要】
一种基于群体智能的空芯反谐振光纤设计方法


[0001]本专利技术属于光纤通信领域，更具体地，涉及一种基于群体智能的空芯反谐振光纤设计方法
。

技术介绍

[0002]空芯光纤以空气作为导光介质，摆脱了传统石英光纤材料的固有限制，拥有独特的优势：低时延
、
低色散
、
低非线性
、
低材料吸收以及高损伤阈值
。
这使得空芯光纤在光纤通信
、
光纤传感和高功率激光传输等领域展现出广泛的应用前景，具备替代传统实心光纤
、
突破光纤非线性容量极限的潜力
。
此外，空芯反谐振光纤具备宽带导光和高损伤阈值等独特优势
。
近年来，随着人们对反谐振导光机理的深入研究以及光纤制作技术的迅猛发展，空芯反谐振光纤的传输损耗持续降低，其实用价值更加突显
。
由于限制损耗具有显著的结构依赖性，因此通过设计巧妙的套管结构可以进一步降低反谐振光纤的损耗
。
[0003]目前，空芯反谐振光纤的结构设计有很多，通过增加反谐振光纤的套管层数可以显著降低限制损耗，但是这一方法同样意味着制造难度的提高
。
此外，现有的基于智能算法的设计方法
(Opt.Express 29,35544
‑
35555(2021)
；
Results in Physics,Vol.46,p.106310(2023)
；
Optics Communications,Vol.530,p.129208(2023).)
往往基于形状可进行参数解析的零件进行拼接和优化而得到，因此结构的搜索空间是受限的，没有解决堆叠套管带来的制造难度提高的问题，也难以基于电场特征对结构进行局部调整
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术解决问题：解决传统的人工设计或者算法设计反谐振光纤时使用结构参数表达光纤结构所造成搜索空间受限和设计自由度不足的问题，提出了一种基于群体智能的空芯反谐振光纤设计方法
。
[0005]本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案：
[0006]本专利技术基于一种基于群体智能的空芯反谐振光纤的优化设计方法，包括如下步骤：
[0007](1)
确定所设计的反谐振光纤的基本参数，确定粒子群优化算法的种群参数
。
[0008](2)
基于低密度的随机点构建插值曲线，随机产生的结构是包含反谐振光纤特征的个体，作为种群构成的基础
。
[0009](3)
构建物理模型，计算限制损耗作为个体适应度
。
[0010](4)
对限制损耗最低的
N
个个体对应的插值曲线进行高密度采样，构成初始种群
。
[0011](5)
确定最佳个体以及个体最佳状态，根据惯性系数
、
吸引力系数
、
适应度更新个体
。
[0012](6)
重新构建物理模型，并计算限制损耗作为个体适应度
。
[0013](7)
重复步骤
(5)—(6)
，直至产生适应度满足优化要求的个体或者达到迭代次数
。
[0014](8)
将得到的最佳个体转化为光纤结构并输出
。
[0015]进一步地，所述步骤
(1)
中，所述反谐振光纤的基本参数包括但不限于套管数目
、
内径大小范围
、
外径大小范围
、
玻璃壁厚度
、
参考波长
、
高密度采样点数目
。
[0016]进一步地，所述步骤
(1)
中，所述粒子群优化算法的种群参数包括但不限于种群大小
、
最大迭代次数
、
惯性系数
、
个体认知吸引力系数
、
种群认知吸引力系数
。
[0017]进一步地，所述步骤
(2)
中，所述低密度的随机点至少为三个点
。
[0018]进一步地，所述步骤
(2)
和所述步骤
(6)
中，构建插值曲线的方法采用拉格朗日插值法或牛顿插值法；
[0019]进一步地，所述步骤
(2)
中，所述插值曲线的两个端点与光纤中心点三点共线
。
[0020]进一步地，所述步骤
(3)
和所述步骤
(6)
中，所述构建物理模型包括将插值曲线转化为光纤结构
、
设置材料折射率
、
设置边界条件
、
划分网格；其中，所述光纤结构由包层圆环与插值曲线经过加厚
、
镜像
、
旋转所得到的套管结构构成；所述加厚步骤，构成所有与所述插值曲线距离为玻璃套管厚度的一半的点的集合；所述镜像步骤，构成所述加厚步骤所构建形状与其以沿插值曲线端点连线为对称轴所构成的镜像之并集；所述旋转步骤，旋转中心为光纤中心，旋转单元为所述镜像步骤所构建形状，旋转周期为2π
/nrad
，其中
n
为套管数
。
[0021]进一步地，所述步骤
(3)
和步骤
(6)
中个体对应的适应度为该个体所对应的空芯反谐振光纤结构的限制损耗，其计算公式为：
[0022][0023]其中，
CL
是限制损耗，单位是
dB/m
，
n
imag
是模式有效折射率的虚部，
λ
是自由空间波长，单位是
m。
[0024]进一步地，所述步骤
(4)
中，高密度采样必须包括所述插值曲线的两个端点，且采样点总数为步骤
(1)
中所设置的高密度采样点数目
。
[0025]进一步地，所述步骤
(5)
中，更新个体采用粒子群优化算法，各代定位点集合
x
i
和更新点修正量
v
i
是
N
×
p
×2的张量，
i
为世代数，以
x
i
的第一维展开的
N
个
p
×2矩阵对应每一代中
N
个代表个体的点集合中各点的二维坐标，这些点有序的，顺序与插值曲线的连接顺序相同
。
除了
x0由随机结构经筛选而获得以外，其余各代由公式
x
i+1
＝
x
i
+v
i
确定
。
更新点修正量
v
i
由公式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于群体智能的空芯反谐振光纤设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
确定所设计的反谐振光纤的基本结构特征，基本参数；反谐振光纤的基本参数包括但不限于反谐振光纤套管个数
n、
玻璃壁厚度
t、
内径大小区间
、
外径大小区间
、
适用的波长
λ
、
种群规模
N、
采样点数目
p
；
(2)
基于低密度的随机点构建插值曲线，随机产生的结构是包含反谐振光纤特征的个体，作为种群构成的基础；
(3)
完善几何形状，构建物理模型，计算限制损耗作为个体适应度；将插值曲线通过旋转
、
对称
、
加厚等几何操作转化为个体对应的反谐振光纤的基本结构；个体对应的适应度为该个体所对应的空芯反谐振光纤结构的限制损耗；
(4)
对限制损耗最低的
N
个个体对应的插值曲线进行高密度采样，构成初始种群；
(5)
确定最佳个体以及个体最佳状态，根据惯性系数
、
吸引力系数
、
适应度使用粒子群优化算法更新个体；确定最佳个体和个体最佳状态的方法是依据限制损耗大小对每个个体进行比较；
(6)
重新构建物理模型，并计算限制损耗作为个体适应度；
(7)
重复步骤
(5)—(6)
，直至产生适应度满足优化要求的个体或者达到迭代次数；
(8)
将得到的最佳个体转化为物理模型，并输出最佳结构
。2.
根据权利要求1所述的基于群体智能的空芯反谐振光纤设计方法，其特征在于，所述步骤
(2)—(6)
中所述插值曲线为沿着反谐振光纤套管对称轴分割所得到的半个套管的厚度中线，即由该半个套管表面上的点沿表面上该点处的法线方向向玻璃壁内部平移
t/2
所得到的所有点的集合
。3.
根据权利要求1所述的基于群体智能的空芯反谐振光纤设计方法，其特征在于，所述步骤
(2)
和步骤
(4)
中所述随机点
/
采样点均以套管对称轴与套管的交点为端点，将位于套管包层连接处的端点与光纤中心之间的距离定义为外径大小
R
，将另一个端点与光纤中心之间的距离定义为内径大小
r。4.
根据权利要求1所述的基于群体智...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁提纲，顾珍煜，宋婧旖，郭浩，叶萧，马长正，王勇，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：