(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202110861181.7 (22)申请日 2021.07.2 9 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 113552719 A (43)申请公布日 2021.10.26 (73)专利权人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 唐明　张峰铭　杜灏泽　刘祝艺晓　 邵元慧　 (74)专利代理 机构 深圳市六加知识产权代理有 限公司 4 4372 专利代理师 向彬 (51)Int.Cl. G02B 27/00(2006.01)G06F 30/27(2020.01) G06N 3/12(2006.01) 审查员 刘洋成 (54)发明名称 一种基于遗传算法的多 包层光纤设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于遗传算法的多包层 光纤设计方法。 本发明提出的多包层光纤其主要 应用场景为熔融拉锥制备多芯光纤耦合器， 多包 层光纤拉锥前跟少模/单模光纤连接， 拉锥后跟 多芯少模/单模光纤连接， 对于由多包层光纤连 接的空分复用系统中传输的所有模式， 通过适当 的编码、 淘汰、 基因型互换、 变异等一系列遗传算 法的操作， 正向优化多包层光纤的具体特性参 数， 使其传输的各模式在整个空分复用系统中具 有极低的插入损耗。 本发明中提供的多包层光纤 其芯层结构复杂， 调节自由度高， 利用本发明提 供的方法， 理论上可以为其他应用场景提供不同 的多包层光纤定制方案， 且算法计算速度快， 计 算精度高， 具有很好的鲁棒 性。 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 CN 113552719 B 2022.11.22 CN 113552719 B 1.一种基于 遗传算法的多包层光纤设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： (1)确定输入信号和优化目标， 并对输入信号进行处理， 根据输入信号每一个特征的取 值范围和求解精度， 以此对输入信号的每一个特征进 行二进制编码处理， 并形成对应的 “输 入信号特征——编 码”映射关系， 生成编/解码表； 输入信号为多包层光纤的光纤层数， 每层 半径以及所对应相对折射率的取值范围和求解精度； 优化 目标为多包层光纤跟少模/单模 光纤连接以及多芯少模/单模 光纤连接各传输模式的插入损耗， 其计算公式为： Γ＝‑10lg(|Cμ ν|2)， 其中， Eμ是发射光纤中传输的模式场， Eν是接收光纤中传输的模式场， A 是两光纤的重叠面积， ε0和 μ0分别是真空介电常数和真空中的磁导率， Γ为插入损耗， Cμ ν为 模式场Eμ和模式场Eν间的模耦合系数， *为共 轭算符， d为 微分算符， | |为绝对值算符； (2)随机产 生若干个包含输入信号所有特征的个体， 并根据步骤(1)生成的编 /解码表， 对每个个体进行编码处 理， 产生一系列01的基因型 数字序列， 形成种群； (3)根据优化目标计算种群中每个个体对应的适应度； 个体对应的适应度为该个体所 对应的多包层光纤跟少模/单模光纤连接以及多芯少模/单模光纤连接各传输模式的插入 损耗的最大值； (4)对每个个体根据其所对应的适应度分配不同的淘汰概率， 按照一定比率淘汰掉适 应度较低的个体， 保留适应度较高的个体； 所述每个个体淘汰概率跟个体适应度一一对应， 映射关系为 “该个体适应度/所有个体适应度总和 ”； 所述每个个体的权重跟个体适应度一 一对应， 映射关系为 “该个体适应度/所有保留个体适应度总和 ”， 个体的权重对应着 每个个 体被选择进行基因型互换产生 新个体的概率； (5)在保留的个体 中根据权重任意选出两个个体， 两个个体间的基因型发生交叉互换， 产生两个全新的个 体， 重复该 过程直至种群的个 体数目跟步骤(2)产生的个 体数目一 致； (6)根据预设几率对新种群每个个体的基因型进行变异； 重 复步骤(3)—(5)， 直至产 生 适应度满足优化要求的新个 体或者达 到迭代次数； (7)将设计的多包层光纤拉制出来， 并通过熔融拉锥法制备多芯光纤耦合器， 跟少模/ 单模光纤和多芯少模/单模光纤熔接并封装。 2.如权利要求1所述的基于遗传算法的多包层光纤设计方法， 其特征在于， 所述步骤 (1)对输入信号进行编码时， 编码方式采用格雷码、 普通 二进制编码或者真值编码。 3.如权利要求1所述的基于遗传算法的多包层光纤设计方法， 其特征在于， 所述步骤 (5)中基因型互换 方法为单点交叉互换、 多点交叉互换、 均匀交叉互换或者 算术交叉互换。 4.如权利要求1所述的基于遗传算法的多包层光纤设计方法， 其特征在于， 所述步骤 (6)中对个体采用的变异方式为高斯变异、 基本位变异、 有效基因变异、 均匀 变异或者概率 自调整变异。 5.如权利要求4所述的基于遗传算法的多包层光纤设计方法， 其特征在于， 所述变异方 式为基本位变异， 每个个体发生变异的几率小于预设值， 避免优良基因因变异而不能遗传 至下一代。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 113552719 B 2一种基于遗传算法的多包层光纤 设计方法 技术领域 [0001]本发明属于光纤通信领域， 更具体地， 涉及一种基于遗传算法的多包层光纤设计 方法。 背景技术 [0002]互联网技术的迅速普及和发展， 为人们生活工作带来了极大便利与舒适， 与此同 时， 人们对数据流量的要求也越来越高。 随着对数据需求的不断增长， 传统的单模光纤技术 受限于低损耗和光放大器的增益带宽， 已逼近其最大 的数据传输容量极限， 无法满足即将 到来的5G， 物联网等应用的数据传输需求。 而基于多芯光纤的空分 复用技术， 是一种极具发 展潜力的提高通信系统容 量的技术， 因此得到国内外学者的广泛研究。 [0003]在以多芯光纤为基础的空分复用系统中， 其复用器/解复用器是最关键的技术部 分。 基于熔融拉锥(CN201811089100.0)， (CN  201811393656.9)(CN202010231292.5)的复 用/解复用器成本较低， 且工艺也较为简单， 是目前最主流的多芯光纤复用/解复用器件制 备方法。 [0004]但是， 基于熔融拉锥的多芯光纤复用复用/解复用器目前面临的主要问题是， 随着 空分复用通信系统中需要传输的模式数量进一步提高， 现有的多包层光纤结构无法通过简 单的熔融拉锥制备出所有传输模式插入损耗都较低的多芯光纤复用/解复用器件。 为了解 决这个问题， 需要对多包层光纤进行定制化设计， 现有的多包层光纤普遍层数较少， 设计自 由度不高， 且人工调节光纤结构优化各模式插入损耗过于繁琐复杂， 优化时间和成本较高， 且不容易得到满足要求的结果。 而层数较高排列复杂的多包层光纤可以有效降低各模式的 插入损耗， 但需要调整的光纤参数有些时候多达几十个， 简单地人工调节显然无法完成光 纤的定制化设计。 发明内容 [0005]本发明为克服上述背景技术所述的多包层光纤设计对于特定应用场景下的最优 性能光纤设计的寻找， 耗时长、 人工调节困难且复杂度高的缺陷， 提供一种基于遗传算法的 多包层光纤的优化设计方法。 [0006]本发明采用的技 术方案包括以下步骤： [0007](1)确定输入信号和优化目标， 并对输入信号进行处理， 根据输入信号每一个特征 的取值范围和 求解精度， 以此对输入信号的每一个特征进行二进制编码处理， 并形成对应 的“输入信号特 征——编码”映射关系， 生成编/解码表； [0008](2)随机产生若干个包含输入信号所有特征的个体， 并根据步骤一生成的编/解码 表， 对每个个体进行编码处 理， 产生一系列01的基因型 数字序列， 形成种群； [0009](3)根据优化目标计算种群中每 个个体对应的适应度； [0010](4)对每个个体根据其所对应 的适应度分配不同的淘汰概率， 按照一定比率淘汰 掉适应度较低的个 体， 保留适应度较高的个 体；说　明　书 1/6 页 3 CN 113552719 B 3