[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

摘要

本发明提出一种在独立复用的模分复用光纤通信系统和网络中实现任意模式转换的方法。本发明提出的方法能够实现精确、灵活的任意模式转换器，是实现以模式为颗粒度的交换的关键。针对不同模式之间数据交换的需求，提出一种基于模拟退火算法的精确任意模式转换的方法。本发明采用二进制相位型空间光调制器作为模式转换的关键部件，利用空间光调制器可重构编程的特点，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相位函数，有效补偿相位型空间光调制器造成幅度损伤的问题，从而建立待转换模式转换成目标模式的精确相位型传递函数，实现任意模式的精确转换。

主权项

一种基于模拟退火算法的任意模式精确转换方法，其特征在于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二进制相位型模式传递函数；本方法将模拟退火算法应用到任意模式转换上，通过4f系统的空间频谱滤波功能，结合模拟退火算法能够求解最优值的特点，求解任意模式转换的精确二进制相位型模式传递函数；本方法利用模拟退火算法求解任意模式转换的精确相位型传递函数流程为：首先初始化控制参数T、迭代次数k＝0、初始二进制相位型空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)相位值φ等算法参数，计算初始相关函数R；SLM的相位值φ为二值函数，每个像素的取值为0或者π；随机选取SLM的一个像素点，在0和π之间翻转，即原值为0时，更新为π，原值为π时，更新为0；变更一个像素点后的SLM的相位值更新为φ′，计算新的相关函数R′；如果R′＞R，即变更一个像素点后，相关函数的性能提高，那么接受这个变更后的新解，令φ＝φ′、R＝R′，否则按照Metropo1is准则，以一定概率判断是否接受新解；不断重复上述步骤，直到迭代的相关函数的值满足要求或者迭代次数达到设置总次数后结束迭代，此时的SLM相位值φ即为最优的相位解；在傅立叶变换平面上，待转换模式的频谱ufi(xf,yf)乘以SLM的传递函数H(xf,yf)得到了变换后的目标模式的频谱u′fo(xf,yf)，再经过透镜Len2的傅立叶变换得到输出平面的变换后的目标模式将待转换模式、SLM传递函数以及目标模式离散成N×N的矩阵，在输出平面上，变换后的目标模式矩阵的第(p,q)个值为如式(1)；Up,qT=1N2Σm=0N-1Σn=0N-1ufi(m,n)·exp[jφ′(m,n)]·exp[-2πjN(mp+nq)]---(1)]]>模拟退火算法在每次迭代的时候，只改变了随机的一个像素点，因此在运用模拟退火算法时，不需要每次迭代都用式(1)将所有的SLM的像素点计算一遍，而只需要在初始化时利用式(1)计算一个初始值，每次迭代时计算一个随机的像素点(m,n)点的翻转引起的差值即可，如式(2)；ΔUp,qT=1N2ufi(m,n)·[exp(jφ′(m,n))-exp(jφ(m,n))]exp[-2πjN(mp+nq)]---(2)]]>其中，是变换后目标模式矩阵的第(p,q)个值在退火算法过程里相邻两次迭代的差值；表征模式转换性能的相关函数R的定义如式(3)；式中，为变换后的目标模式函数，uo(x,y)为理想目标模式表达式，S为4f输出平面的MMF的有效面积；将理想的目标模式归一化，并将式(3)离散化后，得到式(4)。R=|Σp=0N-1Σq=0N-1uoT(p,q)·uo*(p,q)|2Σp=0N-1Σq=0N-1|uoT(p,q)|2---(4)]]>