[发明专利]一种基于模拟退火算法的任意模式精确转换方法

说明书

技术领域

本发明涉及模分复用光纤通信领域，更具体的说，涉及一种适用于模分复用光纤通信系统和网络的任意模式精确转换方法。

背景技术

随着云计算、大数据以及移动互联网等新型技术的广泛应用，网络流量呈现每4年增加10倍的飞速增长。在单模光纤中，根据光纤非线性效应引起的香农容量极限，即将达到容量极限的单模光纤数越来越多。为了解决单模光纤系统的容量危机，基于多芯光纤(Multi-Core Fiber，MCF)或者多模/少模光纤(Multi-Mode/Few-Mode Fiber，MMF/FMF)的空分复用技术应运而生，成为当前光纤通信领域的热点。

基于MMF/FMF的模分复用技术，是将MMF/FMF的空间模式作为独立的信道承载数据信息，目前包含两种模式复用方法。一种是混合复用方法，发送端将待复用的单模光纤信道数据同时混合复用到一组正交的模式集上，传输过程中由于模式之间的交叉串扰等效应导致复用数据串扰在一起，在接收端解复用的过程中需要联合相干检测和多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术才能将数据解复用输出。另一种是独立复用方法，发送端将不同的输入信道数据独立地加载到光纤的不同空间模式上，在弱耦合或者无耦合的光纤中，除了简并模式外，不同的空间模式在传输过程中相互独立，在接收端解复用过程中只需要较为简单的信号处理就能将复用的信道数据恢复出来。

在光纤通信中，光波的时隙、频率、波长等物理维度已经被用来复用和交换信息，只剩下空间维度未被有效利用。模分复用技术增加了空间模式这一物理维度，不仅增加一种数据的复用方法，更在网络交换中增加了一种交换的颗粒度。在混合复用方法中，数据在各个空间模式信道中相互混叠，一路输入的数据可能存在于任意一个空间模式中，而且一个空间模式也可能包含不同的输入的数据，因此无法实现以模式为颗粒度的交换。在独立复用方法中，一路输入的信道数据只存在于光纤的某一个模式上，而且一个模式也只包含特定的一路输入信道数据。因此，如果将一个模式转换成另一个模式，就能将原模式信道的数据换到另一个模式上，从而能够实现以模式为颗粒度的数据交换，更好地发挥模分复用技术的优势。

目前在独立复用的模分复用中，模式转换的方法主要集中在发送端和接收端的选择性模式激励上，即基模与高阶模的相互转换。而网络核心节点中迫切所需的实现以模式为颗粒度交换的精确任意模式转换方法尚处在研究中。

发明内容

本发明的目的在于针对独立复用的模分复用光纤通信系统和网络，利用傅里叶光学空间域和空间频域分析法，结合空间频谱滤波原理，提出一种基于模拟退火算法的精确任意模式转换的方法。本发明采用双透镜共焦结构构成4f空间滤波系统，在傅里叶变换平面上利用二进制相位型空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)实现空间频谱滤波功能，在不改变任何物理器件的条件下实现任意模式转换。利用模拟退火算法能够逼近最优值的特点，计算变换平面的最优二进制相位函数，有效补偿相位型SLM只能调制相位而造成幅度损伤的问题，从而建立待转换模式与目标模式间的精确相位型传递函数，实现任意模式的精确转换。

本发明通过傅里叶光学分析法在理论上分析空间频率上纯相位调制与空间域的位移变换关系，在4f系统的变换平面上基于模拟退火算法计算SLM的相位型传递函数，实现精确的任意模式转换。

本发明在实现过程中，具体包括：

根据本发明，关键是基于模拟退火算法求解待转换模式转换成目标模式的精确相位型模式传递函数。相位型SLM只有相位调制，利用普通方法由于只考虑了相位调制、忽略幅度的影响而造成滤波损伤。根据傅里叶光学分析法可知，在空间频域乘以一个纯相位，等效于原函数在空间域的位移。那么，本发明通过模拟退火算法寻找一个最优的二进制相位函数，补偿相位型SLM的幅度损伤，使得待转换模式在空间频率域经过适当的相位调制后，在输出端位移成目标的模式分布，从而实现精确的任意模式转换。本发明的步骤如下：

1、根据傅里叶光学分析法分析空间频率域相位调制与空间域位移的关系；

2、分析待转换模式与目标模式的空间频谱特征；

3、利用双透镜共焦结构以及相位型SLM构建4f系统；

4、分析4f系统实现模式转换的空间频谱滤波函数，结合模拟退火算法求解精确的相位型模式传递函数；

5、将步骤4中求得的相位型模式传递函数设置为位于4f系统变换平面的SLM的传递函数；