红外与激光工程
2024, 53(1): 20230504
1 北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044
2 北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京 100044
掺铋光纤放大器有助于将光纤通信系统拓展至新的传输波段。然而，其增益和噪声性能存在相互制约的关系，提升增益往往会导致噪声性能的恶化，反之亦然。因此，提出一种结合反向传播神经网络（BPNN）和带精英保留策略的快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）的多目标优化方法，通过对两级掺铋光纤放大器结构进行设计，实现了增益和噪声性能的同时优化。使用经过训练的BPNN对增益和噪声系数预测的均方根误差分别为0.191和0.084，具有较高预测精度。以高增益和低噪声系数为目标，使用NSGA-Ⅱ算法进行优化，得到包含500个解的Pareto最优解集。优化后，放大器所能实现的平均增益范围为15~37 dB，相应的平均噪声系数范围为4.95~5.31 dB。利用BPNN代替求解耦合微分方程来评价个体适应度，使得优化时间较传统方法由106 s左右降低为80 s左右，大幅提升了优化效率。所提方法也为其他掺杂光纤放大器的高效率、多目标结构优化设计提供了一种新的思路。
光纤通信 掺铋光纤放大器 反向传播神经网络 多目标优化 带精英保留策略的快速非支配排序遗传算法
1 北京交通大学 全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京 100044
2 北京交通大学 光波技术研究所，北京 100044
3 光子算数（北京）科技有限责任公司，北京 100080
为了适应滤波、波分复用等不同的应用场景，光子滤波器需要具备可调谐以及滤波形状可变的功能。提出一种集成光子储备池结构的新型可调谐光滤波器。该结构由输入层、储层、读出层三部分组成，输入层由2×1多模干涉仪组成，储层由定向耦合器以及波导组成，按螺旋拓扑规律相互连接组成梅花型网格，匹配粒子群寻优算法进行全光域训练，利用读出层的热光调制器和相移器对光信号的幅度和相位进行调整，实现无限冲激响应型与有限冲激响应型可调谐光滤波器。以无限冲激响应型光滤波器仿真结果为例，分析其自由光谱范围与储层中波导长度的关系，以及定向耦合器分光比对透射端透过率的影响。通过设置储层中波导的相位在0~3/2π范围内变化，实现了光滤波器中心波长在一个自由光谱范围（1.18 nm）内的连续可调。该滤波器采用集成光子储备池与粒子群算法结合方案设计，无需考虑储层光网络传输路径的权重配置，仅对读出层权重进行训练，大大简化了网络训练过程。同时，该滤波器具有尺寸小、功耗低、灵活性高、算法可控滤波参数的优势，广泛应用于集成微波光子学和光通信领域中。
集成光学 可调谐光滤波器 光子储备池 粒子群算法 integrated optics tunable optical filter photonic reservoir computing particle swarm optimization algorithm 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220915
北京交通大学全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京 100044
提出一种基于双偏振正交相移键控（DP-QPSK）调制器的可变对称三角脉冲信号生成方案。通过调节DP-QPSK调制器两个子调制器的调制系数和三个电移相器的相移，可生成对称系数可调谐的三角脉冲信号，对称系数可调谐的范围为0%~100%，生成的三角脉冲信号的重复率等于输入驱动信号频率的两倍，即用较低频率的驱动信号即可生成高重复率的可变对称三角脉冲信号。通过仿真验证了提出方案的可行性，利用均方根误差（RMSE）评估了该方案生成脉冲波形与理想波形的相似度。除三角脉冲信号外，同时验证了该方案还可生成方形脉冲信号。
光通信 三角脉冲信号 可变对称 傅里叶级数 电移相器 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1506004
1 北京交通大学全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京 100044
2 光纤光缆制备技术国家重点实验室，湖北 武汉 430073
3 长飞光纤光缆股份有限公司，湖北 武汉 430073
4 湖北光谷实验室，湖北 武汉 430073
提出了一种无需预训练的卷积神经网络（CNN）模式分解（MD）算法，该算法利用具有不同感受野的分支结构提升神经网络的学习能力，用于对环芯少模光纤（FM-RCF）复杂耦合进行高精度表征。在仿真测试中，所提方法的模态相对相位和模态权重误差分别减小为传统CNN-MD的1/8与1/5。实验中利用CCD采集RCF输出端实际光斑图像作为算法输入，对3个模式叠加状态下的光斑进行模态权重和相对相位分析，得到重建光斑与实际光斑之间的相似度高于90%。所提算法不易陷入局部最优且无需迭代，处理时间为ms量级，可为RCF的模式表征及性能预测提供理论与技术支持。
光通信 少模光纤 模式分解 深度学习 环芯光纤
提出并研究了一种基于保偏光纤双折射特性的函数波形信号发生器。发生器采用正弦微波信号调制连续光波，光波经45°偏振控制后耦合进入保偏光纤，利用光纤双折射特性在快慢轴两个正交光场分量间引入可控时延差，经光电检测后的光电流表达式可由傅里叶级数余弦谐波项构成，结合宽带90°电桥亦可获得傅里叶级数正弦谐波项构成，因此模型具备可调谐函数波形输出特性。分析结果表明，通过控制发生器三个变量，即偏压相移φ、调制系数β和时延差τ，可对傅里叶级数各谐波系数进行灵活调控。分析并讨论了各变量之间的关系，利用光学仿真验证了方案的可行性。当限定均方根误差（RMSE）≤5%，可获得0~30%可调顶边梯形波和20%~80%可调对称三角波。
光纤光学 保偏光纤 双折射特性 傅里叶级数 可调顶边梯形波 可调对称三角波
1 北京交通大学全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京 100044
2 北京交通大学光波技术研究所，北京 100044
3 长飞光纤光缆股份有限公司光纤光缆制备技术国家重点实验室，湖北 武汉 430073
中心折射率凹陷型少模掺铒光纤（FM-EDF）可以改变传输模式的数量和截止顺序，在模场调控和增益均衡方面具有良好的性能。利用等效折射率理论描述光纤模式截止特性，研究了由传统阶跃折射率光纤向环芯光纤转变过程中的模式变化。结果表明，当中心凹陷大于0.012时，光纤仅支持LPn1模式传输，且使得LP01模场能量向远离中心区域方向偏移。此外，当光纤用于信号放大领域中，且折射率凹陷数值大小与掺杂区域半径之间符合相应的线性关系时，模式增益差可保持在2 dB以下。采用自制的中心凹陷型FM-EDF对LPn1模式的增益特性进行了实验测试。实验结果表明，各信号模式增益均大于18 dB，模式增益差为1.3 dB。
光通信 光纤通信 少模掺铒光纤 中心凹陷 模式增益均衡 环芯光纤 光学学报
2022, 42(21): 2106002
北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京 100044
提出了一种用于空分复用的少模光纤，通过采用类似古币图案的矩形辅助环形纤芯折射率剖面结构，该光纤能够消除常规少模光纤中模式组LPmn，a（m=0，1，2，…；n=1，2，3，…）和LPmn，b之间的空间简并性，同时仍保持低水平的双折射特性，进而显著降低该类模式组在空分复用中的应用难度。在所提出的优化结构中，1550 nm处分离后LPmn，a和LPmn，b的有效折射率差处于（2.2~6.5）×10-4范围，与相邻模式有效折射率差相当，且各模式偏振分离水平均处于10-6量级及以下，较好实现了空间简并显著分离、偏振简并基本不分离的设计目标。仿真分析结果表明，该结构对加工过程具有较大的形变容限。
光纤光学 少模光纤 空分复用 简并模 光学学报
2022, 42(16): 1606006
红外与激光工程
2022, 51(1): 20210758
1 北京交通大学全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京 100044
2 北京交通大学光波技术研究所, 北京 100044
少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA)是长距离模分复用(MDM)光纤通信系统中必不可少的中继器件,其模间增益差(DMG)直接影响系统的通信质量。为实现FM-EDFA中不同模式的增益均衡,在包层泵浦条件下,提出了一种支持4模式组的铒离子分层掺杂环芯光纤,且无需考虑泵浦模式。对环芯光纤进行了设计,通过控制纤芯中心凹陷和外部凹槽折射率引起的模式分布变化,结合合理设计的铒离子掺杂半径及浓度来减小DMG。结果表明,当铒离子在环芯内分双层掺杂时,最大 DMG从0.8 dB(单层均匀掺杂)降低至0.44 dB(环芯双层)。在全C波段(1530~1565 nm)中,4模式组增益超过22 dB,最大DMG低于0.45 dB,噪声系数小于5.3 dB。包层泵浦结构有利于实现FM-EDFA的全光纤连接,易于与MDM通信系统集成,并发挥掺铒光纤放大器的全光补偿优势。
光通信 光纤通信 少模掺铒光纤放大器 环芯光纤 增益均衡 包层泵浦
