光纤模拟软件

2021-02-23 09:55:28 浏览:928

定义

对光纤装置进行数值模拟的软件。

无源和有源光纤器件的工作原理在很多方面相对比较复杂。因此,需要采用数值模拟工具来分析物理上的细节问题。分析结果可以用来优化光纤器件的设计,同时也可以更有利于其应用。下面,我们介绍与有源无源器件发展有关的问题。

计算光纤模式

光纤可以传播多个模式,通常只对导模感兴趣,因为它们在研究光耦合进入光纤或从光纤中耦合出来的光束质量时非常重要。模式性质由光纤的折射率分布决定。通常感兴趣的性质包括以下:

1、模式的振幅形状或者能量分布
2、模式半径和有效模式面积
3、在稀土掺杂光纤中模式与掺杂离子的交叠程度
4、有效折射率
5、色散,例如群速度色散与波长的关系(通过计算相位延迟对频率的微分)
6、弯曲损耗与弯曲半径的关系

大多数全玻璃光纤的折射率分布通常是径向对称的,并且折射率差比较小,也就是采用的弱导模波导。在这种情况下,可以采用相对简单的数据模拟方法中的模式计算来计算LP模式。这也意味着计算过程会很快,通常在普通电脑上计算全部的模式性质只需要1s中,即使是许多模式的情况。

图1就是一个具有少量模式的光纤,它们的波长是不同的。最短的波长为750nm时,光纤中存在6个能量分布不同的模式,随着波长的增大,越来越多的模式小时,直到光纤传输单个模式。

图 1 变化波长的情况下所有光纤导模的强度分布。这是采用RP光纤功率软件制作的。

在一些其它情况下需要采用更加复杂的算法,如计算非径向对称的保偏光纤时,光子晶体光纤更是如此。后者通常具有很大的折射率差,也就是弱导近似在这里不适用。当然也存在许多数据模拟技术,通常计算时间会比用于全玻璃光纤的简单方法要长。

数值的光束传播

并不是在所有的情况下,光纤模式的计算都很灵活和有用。例如,计算一些不规则双包层光纤时,模式计算非常困难和耗时间。它可以给出远超于我们需要的一些细节信息(成百上千的模式强度分布细节),但是并没有将非规律弯折的全部效应考虑在内。另一个例子就是熔融光纤耦合器,模式强烈依赖于当时的环境因素。在这些状况下,数值模拟光束传播情况更加合适。

图2给出第一个例子,泵浦光被双包层光纤吸收,光纤结构很简单:在环形的泵浦包层中间存在环形的纤芯。这里泵浦吸收并不完全,因为一些模式与掺杂纤芯的交叠非常少。这一光束传输模型适用于其他结构,例如偏离圆心的纤芯,D形状或者八角形的纤芯,或者强弯折的情况,甚至适用于沿光纤而改变的情况。

图 2 采用圆偏振光泵浦双包层光纤的包层时泵浦光振幅在光纤中分布。这一数值模拟是采用RP光纤功率软件做的,结果显示泵浦强度的分布在纤芯区域存在一个洞。其它的泵浦光则没有被完全吸收。

另一个例子就是熔融光纤耦合器,i昂个光纤纤芯在一段距离内互相靠近。于是两光纤内部的衰逝场交叠,实现两束光的耦合。更多的细节依赖于间隙大小,耦合长度和光波波长。图3是一种典型情况的模拟。

图 3 光纤耦合器的振幅分布,采用RP光纤功率软件进行模拟。

光纤中的放大过程

在光纤激光器和放大器中都存在光学放大过程,一般是基于稀土掺杂光纤。这些掺杂物都限制在纤芯,对于一些特殊应用需要特殊设计,如在纤芯周围进行环形掺杂。

激光活性离子的行为

光程与激光活性离子的相互作用通常用速率方程模型来描述。微分方程描述在给定光能量的情况下,激发态的不同能级的时间演化,也可以用来计算稳态时各能级的粒子数。在一些情况下(例如掺镱激光器和放大器),值考虑一个亚稳态和基态的简化增益模型可以很准确的描述。另外一些情况,则需要更复杂的增益模型,需要考虑多个亚稳态和许多可以驱动离子在各能级间运动。例如,激发态吸收,上转换过程或能量转移引发的淬灭,有时甚至发生在不同类型的离子之间(例如Er/Yb掺杂光纤)。理想状况下,计算软件允许使用者设置任意能级和所有相关过程。

在这些模型中需要许多光谱数据:有效跃迁截面(对于基态吸收,激发态吸收,辐射),上能级寿命,淬灭或上转换参数等。另外,要从测量结果中提取这些信息,一个计算机模型是非常必要的。

激光或放大器增益

激光器的增益依赖于活性离子激发态密度,还与光纤模式与掺杂物的交叠有关。因此增益不仅依赖于波长,不同模式增益也不同。可以通过优化光纤设计使高阶模产生的增益低于想要的基模的增益。

增益不仅可以由放大的信号导致饱和,还会由ASE引起饱和。因此,需要计算ASE,至少当增益很大的时候需要计算。(在光纤激光器中,它通常被忽略掉。)

光纤激光器和放大器的自洽性

在计算光纤激光器的问题解或者光纤放大器中信号光与泵浦光反向的情况时,需要同时寻找激发态密度和光功率的自洽解。这两个解互相影响,而且两者的初值都不知道。一些相对简单的方法可以应用于简单的情形,更复杂的情形则需要很大的计算量,例如存在强的放大的自发辐射。未被优化的算法应用到复杂情况可能会产生严重的不收敛和计算时间问题。

图 4 在掺镱光纤放大器中,光功率和激发态密度在光纤中的分布,泵浦光为940nm。这一结果是采用软件RP光纤功率软件得到的。

图4是一个例子,它给出了掺镱光纤放大器中的光功率和激发态密度。尽管这个例子比较简单,装置中的各个过程如果不采用数值模拟很难预测,例如ASE引起了强烈的饱和效应,ASE功率分布对镱的激发情况的依赖情况很复杂。

动力学模拟

在一些情况下,不仅对稳态结果感兴趣,有时在输入功率随时间变化的情况下,需得到随时间演化的情况。现在考虑一个光纤放大器作为例子,它首先被泵浦一段时间,于是在光纤中储存了一些能量,这些能量后来用于放大注入的纳米脉冲。在泵浦过程中,增益增大然而泵浦光吸收变少,透射出去的泵浦光功率随时间增加。当信号脉冲注入时,增益达到饱和,于是输出脉冲的形状畸变严重。

图 5 脉冲光纤放大器中输出功率和镱离子的激发随时间变化的曲线。这一图表是采用RP光纤功率软件制作的。

图5给出的一个例子是超高斯形状的信号光脉冲从掺镱放大器中提取了大部分储存的能量。点划线曲线是无增益饱和情况下的输出。由于增益饱和,增益在放大过程中降低,因此输出功率变低。

图 6 有源调Q光纤激光器中输出功率和镱离子的激发随时间变化的曲线,采用RP光纤功率软件制作。 

另一个例子是调Q光纤激光器。这里,至关重要的是要考虑到传输时间(在放大器模型中通常被忽略)。激光由ASE产生开始,它在不同位置差别很大,由于光纤装置增益很大。因此,产生的输出具有很复杂的峰值结构,这在调Q体激光器中不会出现。图6给出了一个示例,假定具有很快开关。如果开关比较慢,那么会得到非常不同的脉冲形状。

在一次模拟中可以得到不同时间跨度的结果。泵浦光可以采用非常大的时间步长,而调Q开关脉冲的产生则需要非常精细的步长。采用某一确定步长的软件有时会非常耗时。

超短脉冲传输

超短脉冲可以通过光纤放大器来放大或者由锁模光纤激光器来产生。有时需要研究无源光纤中脉冲的传输,可以应用到某领域中。在考虑光纤中脉冲传输时,需要考虑一下额外的效应,例如色散和光纤非线性(包括受激拉曼散射)。另外,也可能处理不同种类的光纤,这时需要考虑诸如锁模时的饱和吸收,光学滤波器或输出耦合器等。(在这种情况下,光纤模拟软件业可以应用到许多体光学元件中)

例如,在图7中给出了在锁模光纤激光器的输出脉冲的光谱在谐振腔中经历大约100圈后演变成一个长方形状。同样可以得到相位,它在相关区域呈近似的抛物线形,于是易于进行脉冲压缩。

图 7 频域中锁模激光器中脉冲循环100圈的演化情况。 

通常来讲,与简单的连续波传输相比,模拟超短脉冲传输过程会耗时很多。为了得到高重复率的脉冲列放大过程的稳态解,高效的方法是先得到一个稳态解,然后在这个解的基础之上根据超短脉冲传输的情况进行修改。

因为产生的过程会比较复杂,所以非常需要灵活的计算工具来设置不同的模型和检验所得结果。例如,在脉冲经历在时间和频率域经历了几个环路后,在任意位置检测脉冲非常重要,然后储存这些特定位置脉冲数据进行后续分析。

参阅:光纤、模式、光纤光学、光纤放大器、光纤激光器、掺铒光纤放大器、增益、超短脉冲、激光器模型

放大器

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