定义
光纤器件数值模拟软件。
无源和有源光纤设备操作的许多方面都相对复杂。 因此，需要数值工具来分析各种物理细节。 由此产生的理解可用于优化纤维组件的设计及其使用。 下面概述了通常与有源和无源光纤器件开发相关的不同方面。
光纤模式的计算
在光纤的众多模式中，引导模式特别令人感兴趣，因为它们很重要，例如对于将光耦合到光纤和输出的光束质量。 模态特性由光纤的折射率分布决定。 感兴趣的属性可以是，例如，
- 模态的振幅或强度分布的形状
- 模态半径和有效模态区域
- 与稀土掺杂光纤中掺杂芯的重叠
- 有效折射率
- 色散，例如群速度色散与波长的关系（通过频率相关相位延迟的微分计算）
- 折弯损失与折弯半径
模式求解器的复杂性和计算时间在很大程度上取决于索引配置文件的类型。
大多数全玻璃纤维具有径向对称的折射率分布，并且仅表现出弱折射率对比度，因此可以使用弱导波导的近似值。 在这种情况下，可以使用基于相对简单的数值方法的模式求解器计算光纤的LP模态。 这也意味着计算可以相当快——在普通PC上可以在一秒钟内计算出完整的引导模式属性，即使有很多这样的模式。
图1显示了波长变化的少模光纤示例。 对于最短波长（750 nm），光纤具有6种不同强度分布的模式，而对于较长的波长，越来越多的模式消失，直到光纤为单模。
图1：可变波长的所有引导光纤模式的振幅曲线。 该图是使用RP 光纤功率软件制作的。
对于其他情况，例如缺乏径向对称性的保偏光纤，特别是光子晶体光纤，需要基于更复杂的算法的模式求解器。 后者也表现出非常强烈的指数对比，即不能应用弱指导近似。 有各种数值技术，通常计算时间比通常用于全玻璃纤维的简单方法长得多。
数值光束传播
并非在所有情况下，光纤模式的计算既可行又有用。 例如，对于一些具有不规则轮廓的双包层光纤的泵包层，模式计算非常困难且相当耗时。 它还提供了比所需更详细的信息（数百或数千个详细的模态强度曲线），但仍然没有完全考虑不规则纤维弯曲的影响。 另一个例子是熔融光纤耦合器的行为，其中模式在很大程度上取决于当地条件。 在这种情况下，数值模拟光束传播通常更合适。
作为第一个示例，图2显示了泵浦光如何被具有简单几何形状的双包层光纤吸收：圆形泵浦包层中间的圆形芯。 在这里，泵浦吸收非常不完整，因为某些模式与掺杂磁芯的重叠非常差。 这种光束传播模型可以很容易地应用于其他几何形状，例如具有偏心芯、D 形或八角形芯，或具有强弯曲，甚至可以沿光纤长度变化。
图2：泵浦光沿具有圆形泵浦包层的双包层光纤的振幅分布。 使用RP光纤功率软件完成的数值模拟表明，泵浦强度分布在核心区域形成了一个“孔”。 剩余的泵浦灯表现出相当不完全的吸收。
另一个例子是熔融光纤耦合器，其中两个芯在一定距离内靠拢在一起。 然后，它们转瞬即逝的场相互接触，以便光线可以耦合过来。 详细行为在很大程度上取决于间隙大小、耦合距离和波长。 图 3 显示了一个典型的模拟。
图3：光纤耦合器中的幅度分布，使用软件 RP 光纤功率进行仿真。
光纤中的光放大
光放大发生在光纤激光器和放大器中，它们通常基于稀土掺杂的光纤。 掺杂剂通常仅限于纤芯，但也有一些针对特殊应用的修改设计，例如在纤芯周围掺杂环形。
激光活性离子的行为
对于许多情况，简单的增益模型就足够了，但在其他情况下则需要更复杂的模型。
激光活性离子与光场的相互作用通常可以用速率方程建模来描述。 微分方程描述了给定光学强度下不同水平激发的时间演变，也可用于计算稳态水平群体。 在许多情况下（例如，掺镱激光器和放大器），仅考虑单个介稳态和基态的简化增益模型就足以准确描述。 然而，在其他情况下，需要建立一个更复杂的增益模型，该模型可以考虑多个亚稳能级和可以在不同能级之间洗牌离子的各种过程。 例如，可以存在激发态吸收，通过上转换过程或能量转移进行淬灭，甚至可能在不同类型的离子之间（例如在Er/Yb掺杂纤维中）。 理想情况下，软件允许用户定义任意电平方案和所有相关过程。
这种建模需要各种光谱数据：有效转变截面（基态吸收、激发态吸收、发射）、上态寿命、淬灭或上转换参数等。 另一方面，计算机模型可以成为从测量结果中提取此类数据的重要工具。
激光或放大器增益
光纤中的激光增益还取决于模态特性。
由此产生的激光增益取决于激光活性离子的激发密度，但也取决于光纤模式与掺杂剂的重叠。 因此，增益不仅取决于波长，而且对于不同的模式也可能不同。 可以优化光纤设计，使高阶模式的增益低于青睐的基波模式。
请注意，增益不仅可能被放大信号饱和，还会被放大的自发发射（ASE）饱和。 因此，至少在增益相对较高的情况下，还必须计算ASE。 （在光纤激光器的模型中，它通常可以忽略不计。
光纤激光器和放大器的自洽性
自洽稳态解决方案有时很难有效地找到。可靠高效的算法并不容易开发。
为了计算光纤激光器的稳态，以及具有反向传播泵浦和信号的光纤放大器的稳态，需要找到激发密度和光功率的自洽解决方案。 这些数量相互依赖，最初都不知道。 虽然在简单的情况下可以使用相对简单的方法，例如射击方法，但在更复杂的情况下，例如当还有强放大自发发射（ASE）时，任务在数值上变得非常苛刻。 非优化算法在应用于困难情况时可能会在收敛和计算时间方面存在严重问题。
例如，图4显示了掺镱光纤放大器中的光功率和激励密度。 虽然这个例子相对简单，但如果没有数值模拟，就很难预测器件的行为，因为ASE会产生大量的饱和效应，并且ASE功率的分布以复杂的方式取决于镱激发曲线。
图4：沿掺镱光纤放大器光纤的光功率和激发密度，泵浦波长为 940 nm。 仿真已使用软件RP光纤功率完成。
动态模拟
在各种情况下，感兴趣的不是稳态，而是随时间变化的功率输入的时间演变。 例如，可以考虑一个光纤放大器，它首先泵浦一段时间，以便将一些能量存储在光纤中，然后用于放大注入的纳秒脉冲。 在泵送阶段，增益增加，而泵吸收减少；传输的剩余泵功率可能会随着时间的推移而增加。 当注入信号脉冲时，它将使增益饱和，因此输出脉冲的时间形状可能会变得非常失真。
图5显示了一个示例，其中具有超高斯时间形状的信号输入脉冲提取了存储在掺镱放大器中的大部分能量。 点虚线显示了输出在增益饱和的情况下如何演变。 然而，由于增益饱和，放大期间增益下降，输出功率降低。
图5：脉冲光纤放大器中的输出功率和镱激励随时间的变化。 该图是使用RP 光纤功率软件制作的。
脉冲的传播时间在某些情况下是相关的，例如，在调Q光纤激光器中。
另一个例子是调Q光纤激光器。 在这里，必须考虑传播时间（在放大器模型中通常可以忽略）。 激光从ASE开始，由于光纤设备通常具有高增益，ASE在空间上可能变化很大。 因此，生成的输出可能表现出复杂的峰结构，而Q开关体激光器则无法观察到这些结构。 图6显示了一个假设Q开关非常快的示例案例。 对于较慢的开关，可以获得完全不同的脉冲形状。
图6：主动调Q光纤激光器中的输出功率和镱激发随时间的变化，使用RP光纤功率软件进行仿真。
请注意，模拟中可能涉及相当不同的时间尺度。 泵浦通常可以用相当过程的数字时间步长来模拟，而Q开关脉冲的产生需要更精细的步骤。 一个只能以固定步长工作的软件将非常耗时。
超短脉冲传播
单通脉冲传播对于许多应用来说是不够的——还需要多次往返、其他组件的影响、灵活的检测选项、脉冲细节的导出等。
超短脉冲可以在光纤放大器中放大，也可以在锁模光纤激光器中产生。 此外，人们可能想要研究无源光纤中的脉冲传播，例如用于输送到应用。 对于光纤中的脉冲传播，需要考虑其他影响，特别是色散和光纤的非线性（可能包括受激拉曼散射）。 此外，可能需要处理模型中具有不同特性的多根光纤，以及其他组件的影响，例如用于模式锁定的可饱和吸收器、光学滤波器或输出耦合器。 （有了这些功能，光纤仿真软件也可用于许多大容量光学设备。
例如，图7显示了相似型锁模光纤激光器的输出脉冲的光谱如何在100次谐振器往返内收敛成近乎矩形的形状。 还得到相关区域接近抛物线的谱相，这样色散脉冲压缩就不难做到了。
图7：来自类似型锁模光纤激光器在频域前 100 次往返的脉冲。
通常，与连续波情况下的简单功率传播相比，超短脉冲传播的仿真要耗时得多。 为了找到稳态，例如用于放大高重复率脉冲序列，因此首先进行稳态计算，然后根据需要通过超短脉冲传播来完善解决方案要高效得多。
由于由此产生的过程可能相当复杂，因此非常希望拥有灵活的工具来安排不同的模型情况和检查结果。 例如，在时域和频域中任意次数的往返后，检查任何位置的脉冲以及将脉冲存储在指定位置以供以后分析非常有用。
