A Study On The Raman Amplifier Model

Year 2024, , 1399 - 1407, 25.09.2024

Vehbi Yolcu , Murat Yücel

https://doi.org/10.2339/politeknik.1294773

Abstract

Optical infrastructure needs are increasing in parallel with the development of communication technologies. Wavelength division multiplexing (WDM) systems have been developed and widely used to meet the increasing bus need. Optical amplifier systems play an important role in the transmission of optical signals over long distances in the use of WDM systems. For this reason, multi-pump distributed fiber Raman amplifiers are a good alternative. When designing distributed Raman amplifier systems, the power of the pump must be optimized along with a certain number of optical signals to be included in the optical fiber to flatten the gain of the signals in the transmission of optical signals over long distances. In this context, it was aimed to flatten the gain of 80 optical signals with an initial power value of 1mW as a result of 80 km transmission. For this, Raman gain coefficient and optical attenuation coefficient were first processed into the system as polynomials and made ready. Then, the constant terms were entered into the equation, and then all the equations were successfully adapted to the PSO algorithm. Afterwards, the PSO algorithm was operated for 4,5 and 6 pumps and optimum values were obtained. When the net gain differences are examined: ± 3dB for 4 pumps, ± 2dB for 5 pumps and ± 1dB for 6 pumps are obtained. It is expected that better results will be obtained in parallel with the increase in the solution power of the optimization algorithms.

Keywords

WDM, FRA, Particle swarm optimization, PSO

Raman Yükselteç Modeli Üzerine Bir Çalışma

Abstract

İletişim teknolojilerinin gelişmesi paralelinde optik altyapı ihtiyaçları giderek artmaktadır. Artan veri yolu ihtiyacını karşılamak için dalga boyu bölmeli çoğullama (WDM) sistemleri geliştirilmiş ve kullanımı yaygınlaşmıştır. WDM sistemleri kullanımında optik sinyallerin uzak mesafelere iletiminde optik yükselteç sistemleri önemli rol üstlenmektedir. Bu sebeple çok pompalı dağıtık fiber Raman yükselteçler iyi bir alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. Dağıtık Raman yükselteç sistemleri tasarlarken optik sinyallerin uzak mesafelere iletiminde sinyallerin kazancının düzleştirmek için, optik fibere dahil edilecek belirli sayıda optik sinyalle beraber pompanın güçleri optimize edilmelidir. Bu bağlamda, yapılan araştırmada başlangıç güç değeri 1mW olan 80 adet optik sinyalin 80 km ilerlemesi sonucu kazancını düzleştirmek amaçlanmıştır. Bunun için öncelikle Raman kazanç katsayısı ve optik zayıflama katsayısı sisteme polinom olarak işlenerek hazır hale getirilmiştir. Bununla beraber sabit terimler denkleme işlenmiş, sonrasında tüm denklemler PSO algoritmasına başarılı şekilde uyarlanmıştır. Sonrasında PSO algoritması 4,5 ve 6 pompa için işletilerek optimum değerler elde edilmiştir. Elde edilen net kazanç farkları incelendiğinde: 4 pompa için ± 3dB, 5 pompa için ± 2dB ve 6 pompa için ± 1dB değerleri elde edilmiştir. Optimizasyon algoritmalarının çözüm gücünün artması paralelinde daha iyi sonuçların elde edilmesi beklenmektedir.

Keywords

WDM, FRY, Parçacık Sürü Optimizasyonu, PSO

References

• [1] Yolcu V., Yücel M. and Aydın D., Solution of fiber Raman amplifier model using binary search equation-based adaptive artificial bee colony algorithm. Optical Engineering, 62(2), 026105, (2023).
• [2] Agrawal, G. P., Nonlinear fiber optics., In Nonlinear Science at the Dawn of the 21st Century. Berlin, Heidelberg. (2000).
• [3] Yıldız, E., GaSe Yarıiletken Kristallerine Bor Katkılamanın Optik Sınırlama ve İki Foton Soğurma Özellikleri Üzerine Etkileri. Politeknik Dergisi, 26 (1), 161-168, (2023).
• [4] Moura, U. C., Da Ros, F., Brusin, A. M. R., Carena, A., and Zibar, D., Experimental characterization of Raman amplifier optimization through inverse system design. Journal of Lightwave Technology, 39(4), 1162-1170, (2020).
• [5] Yücel, M., Göktaş, H. H., "Fiber Raman Yükselteçlerde Pompalama Yönünün Kazanç Spektrumuna Etkisi Üzerine Bir Simülasyon". Politeknik Dergisi, 9, 161-164, (2006).
• [6] Jiang, H. M., Xie, K. and Wang, Y. F., Novel design of flat gain spectrum Raman fiber amplifiers based on ant colony optimization. IEEE Photonics Technology Letters, 23(23), 1823-1825, (2011).
• [7] Jiang, H. M., Xie, K. and Wang, Y. F., Shooting algorithm and particle swarm optimization-based Raman fiber amplifiers gain spectra design. Optics Communications, 283(17), 3348-3352, (2010).
• [8] Tekerek, A. and Dörterler, M., The Adaptation of Gray Wolf Optimizer to Data Clustering. Politeknik Dergisi, 25 (4), 1761-1767, (2022).
• [9] Marini, F., and Walczak, B. Particle swarm optimization (PSO). A tutorial. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 149, 153-165, (2015).
• [10] Garcia-Gonzalo, E., and Fernandez-Martinez, J. L., A brief historical review of particle swarm optimization (PSO). Journal of Bioinformatics and Intelligent Control, 1(1), 3-16, (2012).
• [11] Akyol, K. & Feneaker, S. O. F., Kaynaklı Kiriş Tasarımı Mühendislik Problemi İçin Kaotik Çoklu-sürü Parçacık Sürü Optimizasyonu. Politeknik Dergisi, 25 (4), 1645-1660, (2022).
• [12] Solihin, M. I., Tack, L. F., & Kean, M. L. Tuning of PID controller using particle swarm optimization (PSO). In Proceeding of The International Conference on Advanced Science, Engineering and Information Technology, Vol. 1, No. 11, pp. 458-461, (2011).
• [13] Miranda, L. J. PySwarms: a research toolkit for Particle Swarm Optimization in Python. Journal of Open Source Software, 3(21), 433, (2018).
• [14] Akhlaghi, M., & Emami, F. Fuzzy adaptive modified PSO-algorithm assisted to design of photonic crystal fiber Raman amplifier. Journal of the Optical Society of Korea, 17(3), 237-241, (2013).
• [15] Manickam, C., Raman, G. R., Raman, G. P., Ganesan, S. I., & Nagamani, C. A hybrid algorithm for tracking of GMPP based on P&O and PSO with reduced power oscillation in string inverters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 63(10), 6097-6106, (2016).
• [16] Perlin, V. E., Winful H. G., Optimal Design of Flat-Gain Wide-Band Fiber Raman Amplifiers, Journal of Lightwave Technology, 20, 250–254, (2002).
• [17] Perlin, V. E., Winful H. G., On Distributed Raman Amplification For Ultrabroad-Band Long-Haul WDM Systems, Journal of Lightwave Technology, 20, 409–416, (2002).
• [18] Hu, J., Marks B. S., Menyuk C. R., Flat-Gain Fiber Raman Amplifiers Using Equally Spaced Pumps, Journal of Lightwave Technology, 22, 1519–1522, (2004).
• [19] Jiang, H. M., Xie K. and Wang Y. F., Shooting Algorithm and Particle Swarm Optimization Based Raman Fiber Amplifiers Gain Spectra Design, Optics Communications, 283, 3348–3352, (2010).
• [20] Yolcu, V., Yücel, M. and Aydın, D., Kazancı düzleştirilmiş fiber Raman yükselteç modelinin ikili arama denklemli adaptif yapay arı kolonisi (İADAYAK) algoritması ile optimizasyonu. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 39 (1), 29-38. (2023).
• [21] Yolcu, V. Yücel, M., “RAMAN Yükselteç Modeli Üzerine Bir Çalışma- YAK Algoritması”, 5. Uluslararası Palandöken Kongresi, (Erzurum), 4 (5), 930-939, (2023).