雙向泵浦喇曼光纖放大器仿真方法技術

雙向泵浦喇曼光纖放大器仿真方法，涉及光纖通信技術。本發(fā)明專利技術包括下述步驟：1）確定臨時反向泵浦起始功率P’It：2）在初始值P’I的條件下從光纖的端口I到端口II進行積分；3）計算第k次迭代的誤差向量D和其Euclidean范數(shù)‖D‖；4）將‖D‖與預先制定的小數(shù)ε比較，將k與最大允許打靶值Nsmax比較。如果||D‖Nsmax，停止設計過程，輸出數(shù)值結(jié)果，否則轉(zhuǎn)到步驟5)；5）產(chǎn)生新的P’I并轉(zhuǎn)到步驟2)。本發(fā)明專利技術使雙向泵浦喇曼光纖放大器的仿真過程更加穩(wěn)定和高效，有效避免了現(xiàn)有方法在雙向泵浦喇曼光纖放大器仿真過程中出現(xiàn)的仿真失敗情況的發(fā)生。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及光纖通信技術，尤其是喇曼光纖放大技術。
技術介紹
喇曼光纖放大器是波分復用光纖通信系統(tǒng)中的關鍵器件之一，其光路原理如圖I所示。在喇曼光纖放大器中，泵浦光可以與信號光同方向傳輸(只有泵浦單元I)，也可以與信號光反方向傳輸(只有泵浦單元2)，還可以兩個方向都傳輸泵浦光(既有泵浦單元1，又有泵浦單元2)，這樣就分別形成了同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦結(jié)構(gòu)的喇曼光纖放大器。泵浦光和信號光在喇曼增益光纖內(nèi)通過受激喇曼散射(SRS)效應相互作用，從而實現(xiàn)信號光的放大。喇曼光纖放大器的泵浦單元一般由不同波長和不同功率的多個半導體激光器組 件構(gòu)成，其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，WDM為泵浦合波器，ISOl、IS02和ISOn為光隔離器，F(xiàn)BGUFBG2和FBGn為光纖布拉格光柵，LD1、LD2和LDn為激光二極管。該多波長結(jié)構(gòu)的泵浦單元可以實現(xiàn)喇曼光纖放大器的寬帶放大。在同向泵浦、反向泵浦合雙向泵浦喇曼光纖放大器中，雙向泵浦喇曼光纖放大器比同向泵浦喇曼光纖放大器和反向泵浦喇曼光纖放大器具有更加平坦的增益譜和噪聲指數(shù)譜。在確定這些喇曼光纖放大器的增益譜時，同向泵浦喇曼光纖放大器的增益譜是最容易確定的。因為在光纖的輸入I端，所有信號光和泵浦光的功率都是已知的，這是一個初值問題。采用直接積分的方法便可確定同向泵浦喇曼光纖放大器的增益譜。但在反向泵浦喇曼光纖放大器和雙向泵浦喇曼光纖放大器中，一部分泵浦光和信號光從光纖的I端注入，而另一部分泵浦從光纖的II端注入，這是一個邊值問題，該問題理論上可以采用打靶法進行求解，打靶法的原理如下。打靶法的基本思路是將邊值問題轉(zhuǎn)化為初值問題進行求解，為簡單起見，下面以一維打靶法為例來說明打靶法的基本原理。設含有N個一階微分方程的方程組及其邊界條件為 f = _^dvi，3V"，J,.v) i = WN at^ J1(Z1)= V13(Z1)i = l(I) 3^0) = 7,0I = I7X-",N其中，A為映射關系，yi為因變量，t為自變量，yi(l是因變量yi(i=2，3，…，N)在自變量起點h處的值。Y13U1)是因變量71在自變量終點h處的函數(shù)值。上述問題就構(gòu)成了微分方程組求解的邊界值問題。顯然，若想利用直接積分法對上述微分方程組進行求解，就必須要知道因變量Y1在自變量起點h處的值。此時，如圖3所示，可以首先假設因變量yi在自變量起點h處的值為yn Uci)，假設了此值過后，所有因變量在自變量起點h處的值均為已知了，接下來就可以利用直接積分法沿著自變量方向h — &進行迭代求解。當求解到自變量終點ti時會得到一個因變量yi在自變量終點ti處的值yn U1)，一般來說，yn U1)與已知的邊界條件y13(ti)不會相等，所以此次積分過程，也就是第一次打靶過程沒有得到原微分方程組的解。為了得到原微分方程組的解就需要根據(jù)某種機制重新猜測因變量Y1在自變量起點h處的值，然后重復打靶過程，直到求解到因變量yi在自變量終點h處的值和已知的邊界條件y13(ti)相等為止。圖3表明，當yi在自變量起點h處的值為Y13Utl)時方程組得到正確的解。由上述打靶過程的介紹可知，如何猜測第一次打靶時的初始值非常重要，如果第一次猜測的初始值太差則以后的打靶過程有可能不能進行，因為第一次猜測的初始值太差可能會導致積分過程(也就是打靶過程)出現(xiàn)數(shù)值發(fā)散。為了敘述的方便，后文將把第一次猜測的初始值稱為“起始值”。另外，根據(jù)某次的打靶結(jié)果調(diào)整進行下一次打靶過程的初始值的機制也非常關鍵，好的初始值調(diào)整機制將提高打靶過程的效率，反之打靶效率降低，或根本不能讓打靶過程收斂。本文把上述的起始值猜測方法、初始值調(diào)整機制和打靶過程所用的數(shù)值計分方法統(tǒng)稱為打靶法的3要素。 文獻采用線性插值的方法作為積分迭代過程的初始值調(diào)整機制對喇曼耦合方程進行了求解。該方法的優(yōu)點是簡單易行，缺點是當增益光纖變長、信號光或泵浦光的路數(shù)和/或功率變大時經(jīng)常導致非常多的調(diào)整次數(shù)甚至求解失敗。更好的初始值調(diào)整可以采用基于牛頓-拉斐森(Newton-Raphson)方法的機制,文獻均采用用該方法對喇曼耦合方程的邊值問題進行了求解。盡管由于牛頓-拉斐森方法采用了定量的導數(shù)信息從而可以加快打靶法的收斂速度，該方法對首次迭代的初始值依賴性很強。文獻給出了一個首次迭代初始值的確定方法，該方法的本質(zhì)是把反向的泵浦看成同向的泵浦來對待。(見文獻3相關專利ZL 200710097441. 8寬帶光纖喇曼放大器高效仿真方法，權利要求書第I. (1)“求解相同信號、泵浦配置下的前向泵浦Raman方程，以得到后向泵浦光在輸入端的初始猜測功率.”)。這一方法在同向傳輸?shù)目偣夤β什淮蟮那闆r下有較好的適用性，但是該方法不能應用到雙向泵浦的情況，因為此時同向傳輸?shù)墓夤β首兊暮艽蟆Ｎ墨I的C-打靶法和文獻的C-δ-打靶法可以用來求解反向泵浦喇曼耦合方程。當把它們應用到雙向泵浦喇曼光纖放大器的數(shù)值仿真時，經(jīng)常會出現(xiàn)不能收斂的現(xiàn)象。原因是上述打靶法的泵浦起始值確定方法和初始值調(diào)整方法在對雙向泵浦喇曼光纖放大器數(shù)值仿真時已經(jīng)不能完全適用。造成這種不適用的根源在于雙向泵浦喇曼光纖放大器中的正向泵浦對反向泵浦功率演化的影響比反泵浦喇曼光纖放大器中向前信號對反向泵浦功率演化的影響大得多。而且這種影響是隨著向前泵浦波長的變化而不同。例如，當雙向泵浦喇曼光纖放大器中使用比反向泵浦的波長還短的向前泵浦時，反向泵浦在光纖起始端的功率就會比沒有正向泵浦時大，因為短波長的正向泵浦會通過SRS作用向長波長的反向泵浦傳輸能量，反之亦然。另外，當向前泵浦的波長比一部分反向泵浦的波長長而比另一部分反向泵浦的波長短時，反向泵浦的起始值猜測就更加困難。參考文獻Z. Lalidastjerdi, F. Kro shavi, and M. Rahmani. An efficientshooting method for fiber amplifiers and lasers.Opt.LaserTechnol.，2008，40(8):1041-1046.X. Liu and B. Lee. Effective shooting algorithm and its application tofiber amplifiers. Opt. Express, 2003，11 (12) : 1452-1461.J. Ningj Q. Hanj Z. Chen, e t al. A powerful simple shootingmethod for designing multi-pumped fibre Raman amplifiers. Chin.Phys.Lett.，2004，21 (11) :2184-2187.中國專利ZL200710097441. 8寬帶光纖喇曼放大器高效仿真方法Q. Hanj J. Ningj H. Zhang, et al. Novel shooting algorithm forhighly efficient analysis of fiber Raman amplifiers.J.LightwaveTechnol. 2006，24 (4) : 1946-1952本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
雙向泵浦喇曼光纖放大器仿真方法，其特征在于，包括下述步驟：1）確定臨時反向泵浦起始功率P’It：讓第1個反向泵浦以功率PⅡp1單獨從光纖的II端傳輸?shù)絀端，當它到達I端時獲得的功率記為P’I1t；讓第1個和第2個反向泵浦分別以PⅡp1和PⅡp2的功率從光纖的Ⅱ端傳輸?shù)絀端，第2個泵浦在I端的功率為P’I2t；對其它泵浦重復類似過程可獲得向量其中n1為反向泵浦的個數(shù)。把縮放向量S和P’It相乘來獲得反向泵浦在I端的起始功率值，具體下所示：P,I=(P,I1,P,I2,...,P,In1)=S·P,It=(P,I1t/S1,P,I2t/S2,...,P,In1t/Sn1)2）在初始值P’I的條件下從光纖的端口I到端口II進行積分；3）計算第k次迭代的誤差向量D和其Euclidean范數(shù)‖D‖；4)將||D||與預先制定的小數(shù)ε比較，將k與最大允許打靶值Nsmax比較，如果||D||Nsmax，停止并輸出數(shù)值結(jié)果，否則轉(zhuǎn)到步驟)；5）通過下述3個公式產(chǎn)生新的P’I并轉(zhuǎn)到步驟2)：P’I(k)=P’I(k？1)+αΔP’IΔP’I=？J？1·DJ=J11J12...J1n1J21J22...J2n1............Jn11Jn12...Jn1n1ΔP’I和J分別是下一個打靶過程中P’I的增量和雅可比矩陣。FDA00001858900500011.jpg...

【技術特征摘要】
...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：姜海明，謝康，王文丹，王亞非，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：