CN116865849A - 一种高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法及装置 - Google Patents
一种高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，包括基于光纤扭转速率、入射光纤与被干扰光纤的纤芯距离，构建扭转矫正系数后，基于等效传播常数，获取矫正传播常数；基于耦合模理论，引入光纤弯曲半径、光纤扭转速率及随机结构性波动影响，构建更新耦合模方程；将弱耦合多芯光纤分成N个等长的不相关均匀段，计算入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化，来获取芯间串扰功率表达式后，与矫正传播常数差，获取芯间串扰表达式；将相应的功率谱密度函数代入芯间串扰表达式，获取芯间串扰计算模型；将N、模式耦合系数、纵向传播距离、每一光纤段的长度、预设相关长度、矫正传播常数差，代入芯间串扰计算模型，获取串扰值。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其是指一种高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
二十一世纪以来，随着社会移动网络的普及与互联网热潮的发展，社会生产生活与智能化深深绑定，由此十年内的数据流量增长了约100倍。近几年由于5G时代到来，为万物互联、虚拟现实、无人驾驶等业务领域赋能，预计全球平均宽带使用速率将从2018年的46Mbps猛增至2023年的110Mbps，这必然对通信系统提出了更高的要求。随着时分复用、波分复用、偏振复用等技术的应用，以单模单芯光纤(SM-SCF)为基础的现代通信传输速率从以往的几十Mb/s快速接近至非线性香农的极限值100Tb/s。因此，如何突破下一阶段通信系统的流量需求瓶颈，预计在不久的将来将会出现容量紧缩问题，从而对光纤通信容量提出了新的要求。
提高光纤中传输容量的主要途径是提高单个信道的传输容量和增加信道数量，可以从时间、频率、偏振、复振幅和空间等五个物理维度对信号进行调制和复用，但前面几种技术已被深度挖掘探究，对信号容量大幅提升的突破已十分困难。因此，最后一个维度空间复用被提出并且吸引了大量科研人员，作为解决传统SM-SCF容量饱和问题的一种方案，基于空分复用(SDM)的传输系统最直接的方法就是在一根光纤内增加纤芯或模式的数量。目前，主流的有三种增加SDM空间路径的实现方式:多芯光纤(MCF)、多模光纤(MMF)、少模多芯光纤(FM-MCF)。MCF具有良好的应用前景，但在有限的包层空间内放入多根纤芯，导致各纤芯之间距离会很小，使得传输在纤芯的光信号会对相邻其他纤芯造成影响，影响光纤通信的质量，也就是纤芯之间的串扰现象。因此，研究MCF过程中，如何抑制相邻纤芯的串扰是一个值得关注的问题。
现如今对串扰的研究大多数都是基于耦合模理论和耦合功率理论，大部分研究中的MCF串扰估计需要提供确定性的影响串扰的参数值，如弯曲半径和扭转速率，并且大多数并不适用于高扭转速率光纤的估计。然而实际铺设的光纤的弯曲半径和扭转速率并不是一个定值，并且可能会存在一些随机结构性波动的影响，如温度、环境等的影响，如果使用之前的方法进行串扰估计会造成较大的误差。因此，我们需要在原有的耦合模方程加入扭转速率以及随机结构性波动的影响，从而推导出适用于实际情况下的串扰的耦合功率方程，用于分析串扰对多芯光纤的影响。
综上所述，现有的串扰估计需要输入固定的弯曲半径与扭转速率，但实际铺设的光纤的弯曲半径与扭转速率，会受到随机结构性波动的影响，并不是一个固定值，导致对实际情况下串扰的计算结果误差较大。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中不考虑随机结构性波动对光纤弯曲半径与扭转速率的影响，导致计算出的串扰误差大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，包括：
基于光纤扭转速率、入射光纤与被干扰光纤的纤芯距离，构建表征扭转速率对折射率影响的扭转矫正系数；
根据所述扭转矫正系数，基于等效传播常数，获取矫正传播常数；
基于耦合模理论，引入表征光纤弯曲半径与光纤扭转速率的矫正传播常数差，以及表征随机结构性波动影响的相位函数，构建弱耦合多芯光纤的入射光纤与被干扰光纤之间的更新耦合模方程；
将弱耦合多芯光纤分成N个等长的不相关均匀段，基于所述更新耦合模方程，计算入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化；
根据入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化，获取该光纤段的芯间串扰功率表达式；
基于入射光纤与被干扰光纤之间的矫正传播常数差，与芯间串扰功率表达式，获取入射光纤及被干扰光纤的芯间串扰表达式；
将随机结构性波动的随机过程相对应的功率谱密度函数，代入所述芯间串扰表达式中，获取芯间串扰计算模型；
将弱耦合多芯光纤被分割的总段数N、模式耦合系数、纵向传播距离、每一光纤段的长度、预设相关长度、矫正传播常数差，代入芯间串扰计算模型，获取高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰值。
在本发明的一个实施例中，所述基于光纤扭转速率、入射光纤与被干扰光纤的纤芯距离，构建表征扭转速率对折射率影响的扭转矫正系数，表示为：
其中，D表示入射光纤与被干扰光纤的纤芯距离，γ表示光纤扭转速率。
在本发明的一个实施例中，所述根据所述扭转矫正系数，基于等效传播常数，获取矫正传播常数，包括：
弯曲径向角度
将弯曲径向角度与扭转矫正系数kt，代入等效传播常数的表达式中，获取矫正传播常数表达式，表示为：
其中，是建立在弱耦合多芯光纤横截面上的笛卡尔坐标系上的初始相位，R表示光纤弯曲半径；等效传播常数差Δβeq,mn＝βeq,m-βeq,n，βeq,m和βeq,n分别表示入射光纤m与被干扰光纤n的等效传播常数，其表达式为/>无扰动的纤芯传播常数βc＝neff2π/λ，neff为基模的有效折射率,λ是光波长，(r,θ)是弱耦合多芯光纤横截面上的局部极坐标在弯曲径向上的角度。
在本发明的一个实施例中，所述更新耦合模方程，表示为：
其中，Am(z)与An(z)分别表示入射光纤与被干扰光纤的电场慢变振幅；z表述纵向传播距离，z＝i*d,N＝L/d,L是弱耦合多芯光纤的纤维长度，N表示弱耦合多芯光纤被分割的总段数，d表示每一光纤段的长度；j表示复数，Kmn(z)表示从入射光纤m到被干扰光纤n的模耦合系数；Δβeq,nm'表示入射光纤m和被干扰光纤n芯之间的矫正传播常数差，用于表征光纤弯曲半径与光纤扭转速率的影响，表示为：
令入射光纤m为中心纤芯，被干扰光纤n为周围纤芯，则矫正传播常数差改写为：
fmn(z)表示用于描述随机结构性波动影响的相位函数，为沿传播方向的平稳随机过程。
在本发明的一个实施例中，所述将弱耦合多芯光纤分成N个等长的不相关均匀段，基于所述更新耦合模方程，计算入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化，包括：
将弱耦合多芯光纤分成N个等长的不相关均匀段，忽略光纤传输损耗，入射光纤m的振幅Am(z)表示为Am(z)＝Am(0)＝1；被干扰光纤n的振幅An(z)表示为An(0)＝0，且An(z)＜＜1；
在光纤段[z1,z2]中，被干扰光纤n的功率增加，等效于在光纤段[z1,z2]中的芯间串扰功率增加，根据更新耦合模方程得，在低串扰情况下，光纤段[z1,z2]内的电场慢变振幅变化为：
其中，βeq,m'与βeq,n'分别表示入射光纤m与被干扰光纤n的矫正传播常数。
在本发明的一个实施例中，所述根据入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化，获取该光纤段的芯间串扰功率表达式，表示为：
其中，<>表示取平均，是fnm(z)的自相关函数，Δz＝z2-z1；z'表示与z积分范围一致的积分变量；Δβeq,nm'表示入射光纤m和被干扰光纤n芯之间的矫正传播常数差。
在本发明的一个实施例中，所述基于入射光纤与被干扰光纤之间的矫正传播常数差，与芯间串扰功率表达式，获取入射光纤及被干扰光纤的芯间串扰表达式，表示为：
其中，i＝1,2,3,...,N，βeq,n,i'和βeq,m,i'分别为第i段被干扰光纤n与入射光纤m的等效传播常数；z表述纵向传播距离，z＝i*d,N＝L/d,L是弱耦合多芯光纤的纤维长度，N表示弱耦合多芯光纤被分割的总段数；Knm,i(z)表示第i段中被干扰光纤n与入射光纤m的模式耦合系数。
在本发明的一个实施例中，所述将随机结构性波动的随机过程相对应的功率谱密度函数，代入所述芯间串扰表达式中，获取芯间串扰计算模型，包括：
利用傅里叶变换获取随机结构性波动的随机过程的功率谱密度函数，表示为：
代入入射光纤及被干扰光纤的芯间串扰表达式中，得芯间串扰计算模型，表示为：
其中，预设相关长度lc表示表示随机结构性波动的随机过程经傅里叶变换后的功率谱密度函数的参数，其数值大小表示随机结构性波动的影响大小。
本发明实施例提供了一种高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测装置，包括：
矫正传播常数获取模块，用于基于光纤扭转速率、入射光纤与被干扰光纤的纤芯距离，构建表征扭转速率对折射率影响的扭转矫正系数；根据所述扭转矫正系数，基于等效传播常数，获取矫正传播常数；
更新耦合模方程构建模块，用于基于耦合模理论，引入表征光纤弯曲半径与光纤扭转速率的矫正传播常数差，以及表征随机结构性波动影响的相位函数，构建弱耦合多芯光纤的入射光纤与被干扰光纤之间的更新耦合模方程；
芯间串扰功率计算模块，用于将弱耦合多芯光纤分成N个等长的不相关均匀段，基于所述更新耦合模方程，计算入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化；根据入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化，获取该光纤段的芯间串扰功率表达式；
芯间串扰计算模型获取模块，用于基于入射光纤与被干扰光纤之间的矫正传播常数差，与芯间串扰功率表达式，获取入射光纤及被干扰光纤的芯间串扰表达式；将随机结构性波动的随机过程相对应的功率谱密度函数，代入所述芯间串扰表达式中，获取芯间串扰计算模型；
芯间串扰值计算模块，用于根据弱耦合多芯光纤被分割的总段数N、模式耦合系数、纵向传播距离、每一光纤段的长度、相关长度、矫正传播常数差，代入芯间串扰计算模型，获取高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰值。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的一种高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法的步骤。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的高速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，引入光纤弯曲半径、光纤扭转速率及随机结构性波动的影响来构造更新耦合模方程，利用相位函数来表征不确定的随机结构性波动的影响，利用传播常数差表征光纤弯曲与扭转的影响，弥补了以往模型对扭转速率影响的错误估计，考虑了光纤实际铺设过程中的弯曲、扭转及环境造成的随机结构性波动的影响，提高了串扰值的计算准确性。基于加入了线性区域所需要考虑的影响的耦合模方程，构造了耦合功率方程，来进行多芯光纤串扰计算，更加贴合实际光纤铺设情况，应用范围更加广泛，不仅适用于相位匹配区，还适用于非相位匹配区，并且对于同质和异质多芯光纤同样适用。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明所提供的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法的步骤流程图；
图2是本发明所提供的双芯光纤模式耦合原理图；
图3是本发明所提供的七芯光纤弯曲和扭转示意图；
图4是本发明所提供的扭转速率γ＝1π/m时，串扰随光纤弯曲半径变化的对比结果示意图；
图5是本发明所提供的扭转速率γ＝50π/m时，串扰随光纤弯曲半径变化的对比结果示意图；
图6是本发明所提供的处于相位匹配区域内的，串扰随光纤扭转速率变化的仿真结果对比图；
图7是本发明所提供的处于非相位匹配区域内的，串扰随光纤扭转速率变化的仿真结果对比图；
图8是本发明所提供的SAM计算结果与数值模拟结果在不同扭转速率下的串扰变化对比示意图；
图9是本发明所提供的扭转速率γ＝0.01π/m时，不同预设相关长度lc下，串扰随光纤弯曲半径变化的对比图；
图10是本发明所提供的扭转速率γ＝100π/m时，不同预设相关长度lc下，串扰随光纤弯曲半径变化的对比图；
图11是本发明所提供的有无扭转影响下的传播常数差对比图；
图12是本发明所提供的相对误差随段长度变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
现如今对串扰的研究大多数都是基于耦合模理论和耦合功率理论：
1、耦合模理论
耦合模方程表示为：
其中，A为缓慢变化的电场复振幅，N为纤芯数，Kmn(z)是芯n到芯m耦合系数；fmn(z)是芯m和芯n之间的随机结构性波动函数，βm和βn分别为芯m和芯n的传播常数，Δβeq,mn＝βeq,m-βeq,n。
通过耦合模方程进行分析，得出串扰表达式有很多研究，应用较广的主要包括离散变化模型(1)与数值模型(2)：
(1)基于纵向扰动的随机特性，2011年Tetsuya Hayashi等人为解决串扰的随机演变问题，采用概率统计方法分析了在恒定弯曲速率的双芯光纤中，耦合串扰的统计特性，并得到了耦合串扰的一般表达式。其假设入射纤芯m和耦合纤芯n的初始电场振幅分别为1.0和0.0；在弱耦合情况下，此时耦合串扰量较低，且假设入射纤芯m的振幅一直保持不变，通过以下离散变换模型来近似得到耦合串扰值；
N个相位匹配点后耦合纤芯n的振幅A：
其中，N＝Lγ/π，L为光纤长度；φrnd代表入射纤芯m和耦合纤芯n之间的随机相位匹配，并且始终假设它是均匀分布在[0,2π]之间。这里，由于假设串扰值非常低(|An,N|＜＜1),所以Am,N可以近似为Am,0＝1；其中，k为耦合系数，β为传播常数，Dnm表示入射纤芯m和耦合纤芯n之间的距离，R和γ分别表示弯曲半径和扭转速率；由中心极限理论，耦合纤芯n电场振幅的实部和虚部服从高斯分布，且当N足够大时，它的方差为
因此，最终得到平均串扰XTu的数学表达式为：
由上式可以看出，在相位匹配区，芯间串扰的平均功率随弯曲半径和传输长度呈线性变化。
(2)2018年Lin Gan等人提出直接利用计算机求解耦合模方程的数值解法，此方法中利用四阶龙格库塔法和辛普森积分法相结合来处理耦合模方程中相位积分的问题，从而实现耦合模方程的数值求解。
综上，在大多数实际问题中，往往关心的是模式之间的功率交换，而基于耦合模理论的串扰计算，按照耦合模方程描述此问题会产生更多不必要的信息，例如相位信息，使得问题非常复杂；且均没有考虑实际传输过程中的弯曲和扭转带来的影响。
2、在耦合模理论中，各个光纤中光功率沿z方向不断进行波动性的相互耦合。然而，当光纤实际长度超过几十米后，由于实际铺设及使用过程中弯曲和应力起伏引起的不规则性，使得光纤耦合不再呈现这种波动性。在这种情况下，耦合功率理论则更加有效和精确；目前较为认可的主要为平均功率耦合系数法(1)和平均串扰功率法(2)：
(1)平均功率耦合系数法：
考虑到实际使用过程中，光纤弯曲和应力起伏的不规则性，由耦合模方程可知，耦合模方程组可以写为：
其中，f(z)是描述实际弯曲(弯曲半径为Rb)和扭转效应(扭转率为γ)的相位函数；
经过一系列的推导得到耦合功率方程为：
令入射纤芯m和耦合纤芯n之间的平均功率耦合系数为：
则耦合功率方程改写为：
求解可得，距离为L的入射光纤m与耦合光纤n之间的串扰，表示为：
XT＝tanh(hmnL)。
(2)平均串扰功率法：
在耦合功率理论的推导中，可以使用贝塞尔函数来求解积分，贝塞尔展开式如下：
利用贝塞尔展开式，求解N个相位匹配后耦合光纤n的振幅An,N，获取电场慢变振幅函数：
对电场慢变振幅函数取模平方，即可得到平均串扰功率表达式：
其中，<>表示取平均，功率谱密度函数表示为：/>
综上，基于耦合功率理论的串扰计算，虽然考虑了实际光纤铺设过程中带来的弯曲和应力起伏变化，以及温度和环境变化；但并没有考虑光纤弯曲、扭转及结构性波动对光纤传播常数的影响。耦合功率理论中的传播常数，并未添加弯曲、扭转及随机结构性波动影响因素。且其需要提供一个确定性的影响参数，但实际铺设的光纤影响参数并不是一个固定值，因此上述模型不能正确描述扭转的影响，导致其不适用于高扭转速率的光纤，不符合实际光纤传输情况。因此，本发明重新推导加入了弯曲、扭转和随机结构性波动影响的耦合功率方程，并基于该耦合功率方程得出一个新的串扰估计模型。
参照图1所示，为本发明的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法的步骤流程图，具体包括：
S1：基于光纤扭转速率、入射光纤与被干扰光纤的纤芯距离，构建表征扭转速率对折射率影响的扭转矫正系数，表示为：
其中，D表示入射光纤与被干扰光纤的纤芯距离，γ表示光纤扭转速率。
S2：根据所述扭转矫正系数，基于等效传播常数，获取矫正传播常数：
弯曲径向角度
将弯曲径向角度与扭转矫正系数kt，代入等效传播常数的表达式中，获取矫正传播常数表达式，表示为：
其中，是建立在弱耦合多芯光纤横截面上的笛卡尔坐标系上的初始相位，R表示光纤弯曲半径；等效传播常数差Δβeq,mn＝βeq,m-βeq,n，βeq,m和βeq,n分别表示入射光纤m与被干扰光纤n的等效传播常数，其表达式为/>无扰动的纤芯传播常数βc＝neff2π/λ，neff为基模的有效折射率,λ是光波长，(r,θ)是弱耦合多芯光纤横截面上的局部极坐标在弯曲径向上的角度。
S3：基于耦合模理论，引入表征光纤弯曲半径与光纤扭转速率的矫正传播常数差，以及表征随机结构性波动影响的相位函数，构建弱耦合多芯光纤的入射光纤与被干扰光纤之间的更新耦合模方程，表示为：
其中，Am(z)与An(z)分别表示入射光纤与被干扰光纤的电场慢变振幅；z表述纵向传播距离，z＝i*d,N＝L/d,L是弱耦合多芯光纤的纤维长度，N表示弱耦合多芯光纤被分割的总段数，d表示每一光纤段的长度；j表示复数，Kmn(z)表示从入射光纤m到被干扰光纤n的模耦合系数；Δβeq,nm'表示入射光纤m和被干扰光纤n芯之间的矫正传播常数差，用于表征光纤弯曲半径与光纤扭转速率的影响，表示为：
令入射光纤m为中心纤芯，被干扰光纤n为周围纤芯，则矫正传播常数差改写为：
fmn(z)表示用于描述随机结构性波动影响的相位函数，为沿传播方向的平稳随机过程。
S4：将弱耦合多芯光纤分成N个等长的不相关均匀段，基于所述更新耦合模方程，计算入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化；
将弱耦合多芯光纤分成N个等长的不相关均匀段，并且认为光纤弯曲与扭转导致某些光纤段的相位不相关；忽略光纤传输损耗，入射光纤m的振幅Am(z)表示为Am(z)＝Am(0)＝1；被干扰光纤n的振幅An(z)表示为An(0)＝0，且An(z)＜＜1；
在光纤段[z1,z2]中，被干扰光纤n的功率增加，等效于在光纤段[z1,z2]中的芯间串扰功率增加，根据更新耦合模方程得，在低串扰情况下，光纤段[z1,z2]内的电场慢变振幅变化为：
其中，βeq,m'与βeq,n'分别表示入射光纤m与被干扰光纤n的矫正传播常数。
S5：根据入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化，获取该光纤段的芯间串扰功率表达式；
其中，<>表示取平均，是fnm(z)的自相关函数，Δz＝z2-z1；z'表示与z积分范围一致的积分变量；Δβeq,nm'表示入射光纤m和被干扰光纤n芯之间的矫正传播常数差。
S6：基于入射光纤与被干扰光纤之间的矫正传播常数差，与芯间串扰功率表达式，获取入射光纤及被干扰光纤的芯间串扰表达式；
将不连贯的几个光纤段的串扰放在一起，计算入射光纤m与被干扰光纤n的纤芯之间的光纤串扰XT：
其中，i＝1,2,3,...,N，βeq,n,i'和βeq,m,i'分别为第i段被干扰光纤n与入射光纤m的等效传播常数；z表述纵向传播距离，z＝i*d,N＝L/d,L是弱耦合多芯光纤的纤维长度，N表示弱耦合多芯光纤被分割的总段数；Knm,i(z)表示第i段中被干扰光纤n与入射光纤m的模式耦合系数。
S7：将随机结构性波动的随机过程相对应的功率谱密度函数，代入所述芯间串扰表达式中，获取芯间串扰计算模型；
随机结构性波动是不确定的，假定其是一个沿着传播方向上的平稳随机过程，利用系综平均的方法，经过傅里叶变换求得它的功率谱密度函数；
S71：研究分析了当fmn(z)仅包括结构波动的随机结构性效应，而不包括弯曲和扭曲的影响时，研究了fmn(z)的不同类型的自相关函数，发现指数自相关函数最适用，因此利用傅里叶变换获取随机结构性波动的随机过程的功率谱密度函数，表示为：
S72：代入入射光纤及被干扰光纤的芯间串扰表达式中，得芯间串扰计算模型，表示为：
其中，预设相关长度lc表示表示随机结构性波动的随机过程经傅里叶变换后的功率谱密度函数的参数，其数值大小表示随机结构性波动的影响大小。
S8：根据弱耦合多芯光纤被分割的总段数N、模式耦合系数、纵向传播距离、每一光纤段的长度、预设相关长度、矫正传播常数差，代入芯间串扰计算模型，获取高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰值。
参照图2所示，为本发明的一个实施例所提供的纤芯数为2的多芯光纤系统的双芯光纤模式耦合原理图；在这种情况下，在弱耦合多芯光纤中，在不考虑光纤损耗的情况下，芯间串扰(ICXT)的主要内部因素是纤芯间距、折射率差和随机结构性波动。
本发明所述的高速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，引入光纤弯曲半径、光纤扭转速率及随机结构性波动的影响来构造更新耦合模方程，弥补了以往模型对扭转速率影响的错误估计，考虑了光纤实际铺设过程中的弯曲、扭转及环境造成的随机结构性波动的影响，提高了串扰值的计算准确性。且其应用范围更加广泛，不仅适用于相位匹配区，还适用于非相位匹配区；并且对于同质和异质多芯光纤同样适用。
基于上述实施例，利用本发明所提供的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法中的串扰计算模型，与现有模型进行对比，验证本发明所提供的串扰计算模型的准确性；本实施例利用如图3所示的七芯光纤，进行验证，该七芯光纤的参数，参照表1所示：
表1：七芯光纤参数
基于以上七芯光纤参数设置仿真参数，将本发明所提供的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法(RAM)与现有的Koshiba表达式和Adolfo表达式的计算估计值与数值模拟结果(Sim)进行比对：参照图4所示，为扭转速率γ＝1π/m时，串扰随光纤弯曲半径变化的对比结果示意图；参照图5所示，为扭转速率γ＝50π/m时，串扰随光纤弯曲半径变化的对比结果示意图。
根据图4与图5可知，在低扭转速率下，SAM与数值模拟结果吻合较好，而Koshiba表达式的估计结果与SAM几乎一致；但是Adolfo表达式给了一个很小的估计，这是因为Adolfo表达式对扭转率非常敏感，不适用于低转曲率；SAM和Adolfo的表达式预测值在高扭曲率下小于Koshiba表达式。扭曲率降低了串扰，并且这种降低是在高扭曲率下实现的。这是由于干扰纤芯和被干扰纤芯之间传播常数的差异，这种差异因高扭曲率而增加。这些模拟结果也与以往的模拟和实验结果吻合较好。
为了进一步研究扭转速率对芯间串扰功率的影响，分析扭转速率在相位匹配区域和非相位匹配区域的影响，可以看到，数值模拟结果与SAM的估计值吻合较好。参照图6所示，为处于相位匹配区域内的，串扰随光纤扭转速率变化的仿真结果对比图；参照图7所示，为处于非相位匹配区域内的，串扰随光纤扭转速率变化的仿真结果对比图。
参照图6和图7可知，SAM与Koshiba表达式在一定范围内扭转速率下的表达式仿真结果一致，但在此扭转速率以上，SAM仿真结果随扭转速率的增加呈现先增加后降低的趋势，且在非常高的扭转速率下，芯间串扰的抑制效果非常显著。同样，在低扭转速率下Adolfo表达的仿真结果相对较小，在高扭转速率下Adolfo表达的仿真结果是振荡的，即Adolfo表达的仿真结果仅在一定的扭速区间内对芯间串扰功率的影响减小。
在高扭曲率的情况下，SAM在相位匹配和非PMR中表现出不同的现象，是由于高扭转率改变了纤芯的固有有效折射率，从而增加了传播常数差异核心之间。参照图8所示，为本发明所提供的SAM与数值模拟结果在不同扭转速率下的串扰变化对比示意图；由图8可知，临界弯曲半径随着扭曲速率的增加而变小，符合现有的临界弯曲半径变小的现象，其根源是本征有效折射率差异的增加，符合矫正传播常数的预测，其中扭曲校正系数kt对固有有效折射率和由于弯曲引起的折射率变化都有贡献。
在长预设相关长度和高扭转速率都降低串扰的情况下，需要探索两者的适用性。参照图9所示，为扭转速率γ＝0.01π/m时，不同预设相关长度lc下，串扰随光纤弯曲半径变化的对比图；参照图10所示，为扭转速率γ＝100π/m时，不同预设相关长度lc下，串扰随光纤弯曲半径变化的对比图。
根据图9和图10可知，高扭转速率的串扰降低效果对相位匹配区域和非相位匹配区域均适用，但在相位匹配区域中更为明显，而长相关长度的串扰降低效果仅适用于非相位匹配区域。这是因为在相位匹配区域，弯曲引起的扰动远大于结构波动引起的扰动。然而，高扭曲率扰动对相位匹配区域和非相位匹配区域都有很强的影响。
参照图11所示，为有无扭转影响下的传播常数差对比图；上图为基于矫正传播常数构造的矫正传播常数差变化图，下图为基于等效传播常数构造的等效传播常数差变化图。高扭转速率之所以能影响相位而且改变传播常数差的大小，原因在于高扭转改变了纤芯的折射率。以往的模型大多采用N个相位匹配点后纤芯的振幅计算传播常数差，而扭转只影响相位，不影响振幅，因此无法观察到因传播常数差增大而导致的串扰降低，上面推导中使用分段的方法也是基于这样的考虑。
综上，本发明所提供的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法SAM是一种非常有效的估计芯间串扰ICXT功率的方法，但是SAM的段长度会影响操作时间以及SAM的精度。为此，需要探索合适的段长度，使SAM操作相对更快，同时保持准确性。理论上，采用分段的思想，分段长度越短，结果越准确，但相应的计算时间会更长。首先，在段长d＝0.1mm处计算出串扰值XT，并将其作为比较的参考值，然后将针对其他不同的段长d值计算出的XT与参考值进行比较，从而为段长d选择合适的取值区间。参照图12所示，为相对误差随段长度变化的曲线图，表示段长度d取0.1mm-100mm时的相对误差|ΔXT|。相对误差|ΔXT|由下式给出：
由图12可知，当线段长度小于10mm时，相对误差小于0.001％，当线段长度变大时，误差将呈指数式上升趋势。因此，本发明所提供的SAM在段长度值低于10mm时，提供估计结果非常准确。本发明在进行仿真时，段长取值为1mm，在这个段长度下，SAM显然提供了一种非常准确的芯间串扰功率估计方法。
基于上述实施例，本发明实施例还提供了一种高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测装置，包括：
矫正传播常数获取模块100，用于基于光纤扭转速率、入射光纤与被干扰光纤的纤芯距离，构建表征扭转速率对折射率影响的扭转矫正系数；根据所述扭转矫正系数，基于传播常数，获取矫正传播常数；
更新耦合模方程构建模块200，用于基于耦合模理论，引入表征光纤弯曲半径与光纤扭转速率的矫正传播常数差，以及表征随机结构性波动影响的相位函数，构建弱耦合多芯光纤的入射光纤与被干扰光纤之间的更新耦合模方程；
芯间串扰功率计算模块300，用于将弱耦合多芯光纤分成N个等长的不相关均匀段，基于所述更新耦合模方程，计算入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化；根据入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化，获取该光纤段的芯间串扰功率表达式；
芯间串扰计算模型获取模块400，用于基于入射光纤与被干扰光纤之间的矫正传播常数差，与芯间串扰功率表达式，获取入射光纤及被干扰光纤的芯间串扰表达式；将随机结构性波动的随机过程相对应的功率谱密度函数，代入所述芯间串扰表达式中，获取芯间串扰计算模型；
芯间串扰值计算模块500，用于根据弱耦合多芯光纤被分割的总段数N、模式耦合系数、纵向传播距离、每一光纤段的长度、相关长度、矫正传播常数差，代入芯间串扰计算模型，获取高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰值。
本实施例的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测装置用于实现前述的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，因此高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测装置中的具体实施方式可见前文中的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法的实施例部分，例如，矫正传播常数获取模块100，用于实现上述高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法中步骤S1与S2；更新耦合模方程构建模块200，用于实现上述高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法中步骤S3；芯间串扰功率计算模块300，用于实现上述高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法中步骤S4与S5；芯间串扰计算模型模块400，用于实现上述高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法中步骤S6与S7；芯间串扰值计算模块500，用于实现上述高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法中步骤S8，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
基于上述实施例，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述一种高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法的步骤。
本发明所述的高速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，引入光纤弯曲半径、光纤扭转速率及随机结构性波动的影响来构造更新耦合模方程，弥补了以往模型对扭转速率影响的错误估计，考虑了光纤实际铺设过程中的弯曲、扭转及环境造成的随机结构性波动的影响，提高了串扰值的计算准确性。基于加入了线性区域所需要考虑的影响的耦合模方程，构造了耦合功率方程，来进行多芯光纤串扰计算，更加贴合实际光纤铺设情况，应用范围更加广泛，不仅适用于相位匹配区，还适用于非相位匹配区，并且对于同质和异质多芯光纤同样适用。本发明所提供的串扰计算模型相比于未加入扭转和随机结构波动影响的模型，该模型可为现代通信系统提供一个快速准确的串扰估计，更加贴合实际光纤铺设情况，并且其应用范围更广。在此理论模型的基础上，更便捷的研究不同通信系统中串扰的特性；根据串扰在不同工作区间的特性和串扰与光纤参数的关系，进而研究降低芯间串扰的理论方法。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，其特征在于，包括：
基于光纤扭转速率、入射光纤与被干扰光纤的纤芯距离，构建表征扭转速率对折射率影响的扭转矫正系数；
根据所述扭转矫正系数，基于等效传播常数，获取矫正传播常数；
基于耦合模理论，引入表征光纤弯曲半径与光纤扭转速率的矫正传播常数差，以及表征随机结构性波动影响的相位函数，构建弱耦合多芯光纤的入射光纤与被干扰光纤之间的更新耦合模方程；
将弱耦合多芯光纤分成N个等长的不相关均匀段，基于所述更新耦合模方程，计算入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化；
根据入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化，获取该光纤段的芯间串扰功率表达式；
基于入射光纤与被干扰光纤之间的矫正传播常数差，与芯间串扰功率表达式，获取入射光纤及被干扰光纤的芯间串扰表达式；
将随机结构性波动的随机过程相对应的功率谱密度函数，代入所述芯间串扰表达式中，获取芯间串扰计算模型；
将弱耦合多芯光纤被分割的总段数N、模式耦合系数、纵向传播距离、每一光纤段的长度、预设相关长度、矫正传播常数差，代入芯间串扰计算模型，获取高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰值。
2.根据权利要求1所述的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，其特征在于，所述基于光纤扭转速率、入射光纤与被干扰光纤的纤芯距离，构建表征扭转速率对折射率影响的扭转矫正系数，表示为：
其中，D表示入射光纤与被干扰光纤的纤芯距离，γ表示光纤扭转速率。
3.根据权利要求2所述的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，其特征在于，所述根据所述扭转矫正系数，基于等效传播常数，获取矫正传播常数，包括：
弯曲径向角度
将弯曲径向角度与扭转矫正系数kt，代入等效传播常数的表达式中，获取矫正传播常数表达式，表示为：
其中，是建立在弱耦合多芯光纤横截面上的笛卡尔坐标系上的初始相位，R表示光纤弯曲半径；等效传播常数差Δβeq,mn＝βeq,m-βeq,n，βeq,m和βeq,n分别表示入射光纤m与被干扰光纤n的等效传播常数，其表达式为/>无扰动的纤芯传播常数βc＝neff2π/λ，neff为基模的有效折射率,λ是光波长，(r,θ)是弱耦合多芯光纤横截面上的局部极坐标在弯曲径向上的角度。
4.根据权利要求3所述的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，其特征在于，所述更新耦合模方程，表示为：
其中，Am(z)与An(z)分别表示入射光纤与被干扰光纤的电场慢变振幅；z表述纵向传播距离，z＝i*d,N＝L/d,L是弱耦合多芯光纤的纤维长度，N表示弱耦合多芯光纤被分割的总段数，d表示每一光纤段的长度；j表示复数，Kmn(z)表示从入射光纤m到被干扰光纤n的模耦合系数；Δβeq,nm'表示入射光纤m和被干扰光纤n芯之间的矫正传播常数差，用于表征光纤弯曲半径与光纤扭转速率的影响，表示为：
令入射光纤m为中心纤芯，被干扰光纤n为周围纤芯，则矫正传播常数差改写为：
fmn(z)表示用于描述随机结构性波动影响的相位函数，为沿传播方向的平稳随机过程。
5.根据权利要求4所述的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，其特征在于，所述将弱耦合多芯光纤分成N个等长的不相关均匀段，基于所述更新耦合模方程，计算入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化，包括：
将弱耦合多芯光纤分成N个等长的不相关均匀段，忽略光纤传输损耗，入射光纤m的振幅Am(z)表示为Am(z)＝Am(0)＝1；被干扰光纤n的振幅An(z)表示为An(0)＝0，且An(z)＜＜1；
在光纤段[z1,z2]中，被干扰光纤n的功率增加，等效于在光纤段[z1,z2]中的芯间串扰功率增加，根据更新耦合模方程得，在低串扰情况下，光纤段[z1,z2]内的电场慢变振幅变化为：
其中，βeq,m'与βeq,n'分别表示入射光纤m与被干扰光纤n的矫正传播常数。
6.根据权利要求5所述的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，其特征在于，所述根据入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化，获取该光纤段的芯间串扰功率表达式，表示为：
其中，<>表示取平均，是fnm(z)的自相关函数，Δz＝z2-z1；z'表示与z积分范围一致的积分变量；Δβeq,nm'表示入射光纤m和被干扰光纤n芯之间的矫正传播常数差。
7.根据权利要求6所述的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，其特征在于，所述基于入射光纤与被干扰光纤之间的矫正传播常数差，与芯间串扰功率表达式，获取入射光纤及被干扰光纤的芯间串扰表达式，表示为：
其中，i＝1,2,3,...,N，βeq,n,i'和βeq,m,i'分别为第i段被干扰光纤n与入射光纤m的矫正传播常数；z表述纵向传播距离，z＝i*d,N＝L/d,L是弱耦合多芯光纤的纤维长度，N表示弱耦合多芯光纤被分割的总段数；Knm,i(z)表示第i段中被干扰光纤n与入射光纤m的模式耦合系数。
8.根据权利要求7所述的高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法，其特征在于，所述将随机结构性波动的随机过程相对应的功率谱密度函数，代入所述芯间串扰表达式中，获取芯间串扰计算模型，包括：
利用傅里叶变换获取随机结构性波动的随机过程的功率谱密度函数，表示为：
代入入射光纤及被干扰光纤的芯间串扰表达式中，得芯间串扰计算模型，表示为：
其中，预设相关长度lc表示表示随机结构性波动的随机过程经傅里叶变换后的功率谱密度函数的参数，其数值大小表示随机结构性波动的影响大小。
9.一种高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测装置，其特征在于，包括：
矫正传播常数获取模块，用于基于光纤扭转速率、入射光纤与被干扰光纤的纤芯距离，构建表征扭转速率对折射率影响的扭转矫正系数；根据所述扭转矫正系数，基于等效传播常数，获取矫正传播常数；
更新耦合模方程构建模块，用于基于耦合模理论，引入表征光纤弯曲半径与光纤扭转速率的矫正传播常数差，以及表征随机结构性波动影响的相位函数，构建弱耦合多芯光纤的入射光纤与被干扰光纤之间的更新耦合模方程；
芯间串扰功率计算模块，用于将弱耦合多芯光纤分成N个等长的不相关均匀段，基于所述更新耦合模方程，计算入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化；根据入射光纤及被干扰光纤的同一光纤段内的电场慢变振幅变化，获取该光纤段的芯间串扰功率表达式；
芯间串扰计算模型获取模块，用于基于入射光纤与被干扰光纤之间的矫正传播常数差，与芯间串扰功率表达式，获取入射光纤及被干扰光纤的芯间串扰表达式；将随机结构性波动的随机过程相对应的功率谱密度函数，代入所述芯间串扰表达式中，获取芯间串扰计算模型；
芯间串扰值计算模块，用于根据弱耦合多芯光纤被分割的总段数N、模式耦合系数、纵向传播距离、每一光纤段的长度、相关长度、矫正传播常数差，代入芯间串扰计算模型，获取高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰值。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的一种高扭转速率弱耦合多芯光纤串扰检测方法的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |