本文選題：空分復用 + 模分復用�。� 參考：《北京郵電大學》2015年碩士論文

【摘要】：高速光纖通信系統(tǒng)中的空分復用(Space division multiplexing, SDM)是一種全新的光纖信道復用方式。研究空分復用是為了解決日益緊缺的單模光纖的信道容量,它采用的復用方法是在多芯或少模／多模光纖中利用光纖在空間上的自由度來復用信道容量。其中,模分復用(Mode division multiplexing, MDM)是空分復用的一種實現(xiàn)方法,指的是在少模/多模中,采用互相正交的空間模式為信道,從而實現(xiàn)空間復用的方法。 模式轉換方法是實現(xiàn)模分復用方法的核心技術,實現(xiàn)任意模式間高效、快速的精確轉換,對光模式的精確控制和選擇方法的研究是模分復用技術進一步推廣的基礎。近幾年,從光纖通信系統(tǒng)中模分復用關鍵技術研究成果我們可以得出,目前對于模分復用中模式轉換方法的設計可以歸為兩類,即光波導類和空間光路類。模式轉換是光纖通信系統(tǒng)中模分復用技術的關鍵研究點,本論文提出的基于空間光調(diào)制器的模式控制與選擇方案屬于空間光路型模式轉換方法,該方法對器件要求低,不需要針對每一種方案特殊定制專一的光路元件,更易于實現(xiàn)。 論文首先分析了國內(nèi)外對于模分復用這一課題的研究進展,分析選題背景和選題依據(jù)。然后介紹了課題中涉及到的基本理論知識,包括二維傅里葉變換相關理論、空間頻譜、傳遞函數(shù)及透鏡的傅里葉變換性質(zhì)、空間光調(diào)制器相關概念等。論文結合了光學傅里葉系統(tǒng)的結構與光場分布模式特征,提出了利用空間光調(diào)制器和模擬退火優(yōu)化技術實現(xiàn)對模式間進行精確控制和選擇的方法,并給出了其仿真結果。最后對研究方案的模式轉換效果和方案模型的執(zhí)行效率做橫向分析,并提出了局部退火、圖形處理器(Graphic Processing Unit, GPU)等進一步優(yōu)化方案,完善仿真方案模型。結果表明,本文提出的“空分復用中利用空間光調(diào)制器實現(xiàn)對光模式的精確控制和選擇方法”能夠?qū)崿F(xiàn)任意模式間高效、快速的精確轉換。 本論文的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點： 1、本論文提出基于光學傅里葉系統(tǒng)和空間光調(diào)制器的任意模式間自由轉換的仿真方案,并詳細記錄該方案的MATLAB仿真實現(xiàn)過程。 首先利用拉蓋爾-高斯函數(shù)可以推導出待轉換模式和目標模式場分布的理論表達式。在此基礎上,基于透鏡的傅里葉變換性質(zhì)能夠推導出本仿真平臺中待轉換模式經(jīng)透鏡1到達空間光調(diào)制器左側的場分布和目標模式經(jīng)透鏡2到達空間光調(diào)制器右側的場分布,方便下一步計算加載到空間光調(diào)制器上的模式間傳遞函數(shù)原型。理想的模式間傳遞函數(shù)的表達式是將空間光調(diào)制器右側和左側的光場分布做除法運算,由此可以知道理想的模式間傳遞函數(shù)是因待轉換模式和目標模式的不同而不同的,但是其計算方法都是一樣的,至此理論上的模式間自由轉換方案能夠被驗證是可行的。 2、提出基于計算機模擬優(yōu)化算法的精確模式轉換控制和選擇方法 由于本仿真模型所對應的實驗方案選用的是僅能改變加載相位的反射型空間光調(diào)制器,而理想的模式間傳遞函數(shù)的表達式是攜帶幅度和相位信息的復數(shù)矩陣,如果簡單地去除幅度信息,剩下的相位部分作為模式間傳遞函數(shù)加載到空間光調(diào)制器上,會造成信息的大量缺失,模式間轉換的精確程度很低。所以如何調(diào)整相位信息以實現(xiàn)較為精確的任意模式轉換是本論文的一項關鍵問題。本論文提出了基于計算機模擬優(yōu)化算法-模擬退火算法對僅有相位信息的模式間傳遞函數(shù)進行隨機逐點的相位變更,每一次變更后都依模擬退火算法選擇概率接受或放棄變更動作,這樣能夠?qū)虞d到空間光調(diào)制器的模式間傳遞函數(shù)實現(xiàn)實時控制,光束通過這種實時變化的模式轉換方案模型后,利用模擬退火算法的全局優(yōu)化性能,能夠獲得最接近理想目標模式的退火后目標模式,最終實現(xiàn)模式間的精確轉換。 3、本論文對精確模式轉換方案的實現(xiàn)效果做了多方面分析,通過局部退火、改變終止條件、加入GPU等方式提高轉換方案效率和精度。 1)以局部退火代替全局退火：根據(jù)理想光斑尺寸,將計算范圍縮小為以光斑中心出發(fā)的小區(qū)域,避免無實際意義區(qū)域的運算消耗,傳遞函數(shù)相位圖更改范圍也做相應修正,可以有效縮短運算時間。 2)退火終止條件自適應化：退火終止條件根據(jù)模式和退火效果做自適應化處理,當多次迭代而相關程度沒有提升,即使沒有達到終止溫度也應結束迭代,避免無意義的重復計算。 3)引入GPU：利用專用圖像處理核心處理器,實現(xiàn)并行處理。 通過上述算法優(yōu)化處理,算法的精確度和運算效率都有大幅提高,進一步優(yōu)化了模式精確控制和選擇方案。
[Abstract]:Space division multiplexing ( SDM ) in high speed optical fiber communication system is a new mode of optical fiber channel multiplexing .

In recent years , we can conclude that the design of mode conversion method based on spatial light modulator can be classified into two categories , namely optical waveguide type and spatial light path .

This paper first analyzes the research progress of this subject , analyzes the background of selection and the basis for choosing the topic . Then the paper introduces the basic theory knowledge involved in the subject , including two - dimensional Fourier transform correlation theory , spatial frequency spectrum , transfer function , Fourier transform property of lens , spatial light modulator correlation concept , etc . The paper combines the structure of optical Fourier transform and simulated annealing optimization technology to realize precise control and selection between modes . Finally , the paper puts forward some further optimization schemes , such as local annealing , graphic processor ( GPU ) and so on . The results show that the precise control and selection method of optical mode by using spatial light modulator in space division multiplexing is able to realize efficient and fast accurate conversion between arbitrary modes .

The research content and innovation points of this thesis are as follows :

1 . The simulation scheme of free transition between arbitrary modes based on optical Fourier system and spatial light modulator is proposed in this paper , and the realization process of MATLAB simulation of the scheme is recorded in detail .

On the basis of the Fourier transform property of the lens , the field distribution and the target pattern on the left side of the spatial light modulator via the lens 1 can be deduced . The expression of the ideal inter - mode transfer function is to divide the light field distribution on the right side and the left side of the spatial light modulator .

2 . The precise mode switching control and selection method based on computer simulation optimization algorithm are proposed .

In this paper , we propose a computer simulation optimization algorithm - simulated annealing algorithm to carry out random point - by - point phase change of the transfer function between modes . So how to adjust the phase information to achieve more accurate arbitrary mode conversion is a key problem in this paper .

3 . In this paper , the realization effect of the precise mode conversion scheme is analyzed , and the efficiency and accuracy of the conversion scheme are improved by means of local annealing , changing the termination condition , adding the GPU and the like .

1 ) local annealing is used instead of global annealing : according to the ideal spot size , the calculation range is reduced to a small area starting from the center of the light spot , the operation consumption of the non - practical significance area is avoided , the change range of the phase map of the transfer function is also modified accordingly , and the operation time can be effectively shortened .

2 ) self - adaptive annealing termination condition : the annealing termination condition is self - adaptive processing according to the mode and the annealing effect , and when the correlation degree is not improved after multiple iterations , the iteration can be finished even if the termination temperature is not reached , and the meaningless repeat calculation is avoided .

and 3 ) introducing a GPU : utilizing a special image processing core processor to realize parallel processing .

Through the optimization of the algorithm , the accuracy and the operation efficiency of the algorithm are greatly improved , and the mode precise control and selection scheme is further optimized .

【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.11

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 李清宇;簡水生;;偏振復用光纖通信的研究[J];北方交通大學學報;1986年03期

2 王永強;劉太剛;;空間光調(diào)制器簡介及其應用[J];焦作大學學報;2007年03期

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本文編號：1758905