12 輸入信道和ASE信道

在光纖中傳播的每一個(gè)光波都由一個(gè)所謂的信道來描述，該信道可以是一個(gè)輸入信道或ASE信道，其特征在于波長、耦合強(qiáng)度、傳播方向等參數(shù)。有兩種不同的信道：.輸入信道允許注入光功率，例如泵浦功率或信號(hào)輸入功率。它們有一定的波長，而且（名義上）沒有帶寬。.ASE信道不能有輸入。相反，它們由激發(fā)的增益介質(zhì)提供熒光，當(dāng)然，這也會(huì)受到激光增益和任何損耗的影響。在任何情況下，每個(gè)信道都有一個(gè)特定的傳播方向，可以是forward（值為1的預(yù)定義變量）或backward（-1）。對(duì)于以后引用某個(gè)信道（例如檢索其輸出功率），每個(gè)信道在定義時(shí)都會(huì)獲得一個(gè)參考號(hào)。例如，第三個(gè)定義的信道獲得參考號(hào)3。在所有信道定義之后，必須調(diào)用函數(shù)finish_fiber()。在此之前，不可能調(diào)用函數(shù)來計(jì)算光功率等。通常，所有信道都是在腳本的開頭定義的，并且在計(jì)算過程中不進(jìn)行修改，除了可以修改輸入功率。但是，稍后可以通過使用函數(shù)clearchannels()刪除所有定義的信道，并再次使用函數(shù)定義所有信道來重新定義信道。這可能是可取的，例如，在最初使用較少的ASE信道進(jìn)行更近似（但更快）的計(jì)算后，最終繪圖需要增加ASE信道的數(shù)量。特別是在激光中，前向和后向傳播信道相互耦合。通常，光信道中的所有光功率在連續(xù)波計(jì)算中限制為1 mW，在動(dòng)態(tài)計(jì)算中限制為5 mW。在模擬體設(shè)備時(shí)，這些限制可能是不需要的。在這種情況下，可以將變量NoPowerLimit設(shè)置為非零值以抑制這些限制。以下兩個(gè)部分提供了進(jìn)一步的詳細(xì)信息。 

12.1 輸入信道輸入信道用函數(shù)addinputchannel()定義。例子：

pump := addinputchannel(P_p_in, l_p, 'I_p',loss_p, backward)

signal := addinputchannel(P_s_in, l_s, 'I_s',loss_s, forward)

變量pump和signal存儲(chǔ)兩個(gè)信道對(duì)應(yīng)的參考號(hào)。我們得到一個(gè)參考號(hào)為1的反向傳播泵浦信道和一個(gè)參考號(hào)為2的正向傳播信號(hào)信道。這些值存儲(chǔ)在變量中，以便以后訪問信道（例如，用于檢索功率或修改輸入功率）。

函數(shù)addinputchannel()的參數(shù)為：

.輸入功率，如正向傳播信號(hào)的左光纖端面功率和反向傳播泵的右光纖端面功率。

.波長（單位：米）

.指定模式強(qiáng)度橫向依賴性的函數(shù)

.背景損耗（單位：dB/m）（不包括摻雜劑吸收）

.傳播方向，可以是forward或backward

模式分布函數(shù)（第三個(gè)參數(shù)）可以用不同的方式定義：

.可以指定用戶定義函數(shù)的名稱（例如’I_s’），在大多數(shù)情況下，該函數(shù)只有一個(gè)參數(shù)r，即徑向坐標(biāo)，但如果存在方位角依賴關(guān)系，它也可能依賴于r和phi。如果使用函數(shù)set_xy_steps()定義了矩形網(wǎng)格，則強(qiáng)度函數(shù)的參數(shù)必須是x和y。

.如果折射率分布已用set_n_profile()定義，則還可以引用計(jì)算模式函數(shù)。例如，對(duì)于LP01模式，第三個(gè)參數(shù)可以是’I_lm(0,1)’，對(duì)于cos(phi)依賴的LP11模式，可以是’I_lm(1,1,cos)’。

.另一種可能是在圓括號(hào)中指定參數(shù)，后面跟著一個(gè)任意的數(shù)學(xué)表達(dá)式。示例：’(r) exp(-2 * (r / w)^2)’

作為以第一種方式定義的強(qiáng)度分布函數(shù)的示例，泵浦波如下：

w_p := 5 um

I_p(r) := exp(-2 * (r / w_p)^2)

信道的輸入功率稍后可以通過函數(shù)set_P_in(ch, P)進(jìn)行修改，其中第一個(gè)參數(shù)是信道號(hào)，第二個(gè)參數(shù)是新的輸入功率。例子：

calc set_P_in(pump, P_p)

修改其他參數(shù)也有類似的函數(shù)：set_lambda(ch, l)修改波長，set_dlambda(ch,l)修改ASE信道帶寬，set_loss(ch, lo)修改寄生損耗。

12.2 ASE信道ASE信道用函數(shù)addASEchannel()定義。例子：

ASE_fw := addASEchannel(l_s, 10e-9, 1, ’I_s’,0, forward)

ASE_bw := addASEchannel(l_s, 10e-9, 1, ’I_s’,0, backward)

結(jié)果值是信道參考號(hào)，與函數(shù)addinputchannel()的方法相同。參數(shù)為：

.波長（單位：米）

.帶寬（單位：米）

.空間模式的數(shù)量（例如，對(duì)于具有兩個(gè)偏振方向的單模光纖，為2個(gè)）

.指定模式強(qiáng)度徑向依賴性的函數(shù)（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱函數(shù)addinputchannel()的說明）

.背景損耗（單位：dB/m）

.傳播方向

模式強(qiáng)度的函數(shù)必須有一個(gè)參數(shù)r（僅用于徑向相關(guān)性）或兩個(gè)參數(shù)r和phi。

ASE信道沒有輸入，但由自發(fā)輻射提供。

通常，為了正確地對(duì)整個(gè)ASE譜進(jìn)行采樣，有一個(gè)完整的ASE信道陣列。下面給出了所用代碼的示例：

l1_ASE := 960 nm { minimum ASE wavelength }

l2_ASE := 1080 nm { maximum ASE wavelength }

dl_ASE := 5 nm { ASE bandwidth in m }

defarray c_ASE_fw[l1_ASE, l2_ASE, dl_ASE]

defarray c_ASE_bw[l1_ASE, l2_ASE, dl_ASE]

w_ASE := 5.5 um

l_s := 0

I_ASE(r) := exp(-2 * (r / w_ASE)^2)

calc

  for l := l1_ASE to l2_ASE step dl_ASE do

  begin

    c_ASE_fw[l] :=

      addASEchannel(l, dl_ASE, 1, 'I_ASE', l_s,forward);

    c_ASE_bw[l] :=

      addASEchannel(l, dl_ASE, 1, 'I_ASE', l_s,backward);

  end;

這里，首先定義了ASE波長范圍和各個(gè)ASE信道的寬度。然后定義兩個(gè)數(shù)組來存儲(chǔ)所有ASE信道的參考號(hào)。最后，定義了信道。

12.3光纖端面反射有一個(gè)函數(shù)set_R(channel,R1,R2)，用于定義某個(gè)正向傳播信道在光纖兩端面的反射率。這主要用于激光建模。

例如，光纖激光器可定義為：

pump := addinputchannel(P_p_in, l_p, 'I_p',0, forward)

signal_fw := addinputchannel(P_s_in, l_s,'I_s', 0, forward)

signal_bw := addinputchannel(P_s_in, l_s,'I_s', 0, backward)

calc set_R(signal_fw, 1, 0.90)

在這里，激光波長的反射率在左端（帶泵浦輸入）為100%，在右端（用于激光輸出）為90%。實(shí)際上，set_R()的調(diào)用將兩個(gè)信道耦合在一起。（后向信道signal_bw沒有明確指定，而是自動(dòng)識(shí)別為相應(yīng)的信道，因?yàn)樗哂邢嗤牟ㄩL。）

還可以定義反射鏡內(nèi)部和外部的局部損耗。

注意，在調(diào)用finish_fiber()之前必須調(diào)用函數(shù)set_R()。

對(duì)于超短脈沖模擬（第5.21節(jié)），端部反射率被忽略。

13 局部內(nèi)部和外部損耗通過類似set_loss_int(channel,loss_int1, loss_int2)的函數(shù)調(diào)用，可以定義局部功率損耗，分別應(yīng)用于左側(cè)或右側(cè)光纖端面和對(duì)應(yīng)端面鏡之間的路徑。換言之，這些損耗在端面鏡反射前后（甚至在環(huán)形諧振腔中）均有效。

同樣，通過set_loss_ext(channel,loss_ext1, loss_ext2)可以定義適用于端面鏡之外的局部功率損耗。

在任何情況下，損耗值必須介于0和1之間。例如，0.1意味著10%的功率損耗。

前向傳播光信道對(duì)光纖的有效輸入功率為P_in* (1 – loss_ext1) * (1 – R1) * (1 – l_int1)，其中P_in為輸入功率，R1為左側(cè)的反射率。正向傳播光信道的有效輸出功率將為P_fiber * (1 – l_int2) * (1 – R2)* (1 – loss_ext2)，其中P_fiber是光纖端面的功率，R2是右側(cè)的反射率。

對(duì)于相應(yīng)的反向傳播光信道，這些損耗不必單獨(dú)設(shè)置。

通過函數(shù)sp_gain()、sp_gain_dyn()和NF()考慮設(shè)置的局部損耗。

對(duì)于超短脈沖模擬，忽略局部損耗。

14 檢索計(jì)算結(jié)果許多函數(shù)可用于從計(jì)算中檢索所有結(jié)果：

.P(ch, z)通過線性插值計(jì)算z位置處參考號(hào)為ch的信道的內(nèi)功率。

.P_out(ch)是信道的輸出功率。對(duì)于反射光纖端面，它是在端面之前的功率乘以反射面的透射率。

. I(channel, z, r, phi)計(jì)算光纖在縱向位置z、半徑r和方位角phi處的強(qiáng)度。對(duì)于矩形網(wǎng)格，r和phi替換為x和y。如果給定負(fù)z值，則計(jì)算功率為1W的光強(qiáng)。

.sp_gain(ch)是信道的內(nèi)部單通功率增益（以分貝為單位）。考慮到光纖的寄生損耗，也包括通過函數(shù)set_loss_int()和set_loss_ext()定義的額外損耗，但不包括端面反射率。

.gs_abs(ch)是信道的基態(tài)吸收（單位：分貝/米）（即非激發(fā)狀態(tài)下光纖的吸收）。

.NF(ch)是信號(hào)或ASE信道的噪聲指數(shù)。

. n(z, l)是位置z處激光活性離子能級(jí)l的分?jǐn)?shù)激發(fā)，在橫向尺寸中平均，在z方向上進(jìn)行線性插值。

. n_tr(z, r, phi, l)是給定位置z、半徑r（無插值）和方位角phi下激光活性離子能級(jí)l的分?jǐn)?shù)激發(fā)。對(duì)于矩形網(wǎng)格，r和phi替換為x和y。

. n_av(l)是l能級(jí)的分?jǐn)?shù)激發(fā)，在整個(gè)光纖上平均。

.E_sat(ch)是某些光信道的飽和能量。（它是針對(duì)強(qiáng)度最高的環(huán)計(jì)算的，因此顯示出最強(qiáng)的飽和效應(yīng)。）

這種函數(shù)的調(diào)用會(huì)根據(jù)需要自動(dòng)開始計(jì)算所需數(shù)據(jù)。例如，函數(shù)P()的第一次調(diào)用計(jì)算光纖上所有信道的功率，因此需要一些時(shí)間；隨后的調(diào)用可以使用已經(jīng)計(jì)算的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)重新計(jì)算，例如，當(dāng)輸入功率的變化使以前的結(jié)果無效時(shí)。

使用set_P_in(ch, P)，可以修改信道ch的輸入功率。如果此后調(diào)用上述函數(shù)之一，這些數(shù)據(jù)將自動(dòng)重新計(jì)算。

15 修改模型參數(shù)如果某些模型參數(shù)需要修改，則可以通過修改相應(yīng)的變量并再次執(zhí)行整個(gè)模型定義來完成。如果已經(jīng)定義了一個(gè)函數(shù)來執(zhí)行整個(gè)模型定義，那么這并不太麻煩。作為一個(gè)例子，假設(shè)需要修改激光活性離子的淬火參數(shù)q。我們可以簡單地修改相應(yīng)的變量，然后再次調(diào)用def_model()。

一些修改可以在不重新定義整個(gè)模型的情況下完成：

. 可以使用函數(shù)set_N_dop()更改摻雜濃度值。

. 通過使用新的長度值L調(diào)用函數(shù)set_L(L)，可以修改光纖長度。請(qǐng)注意，數(shù)值步長不會(huì)改變。因此，如果在set_fiber()中定義的步長數(shù)不足，使用大參數(shù)調(diào)用函數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)拇蟛介L，從而導(dǎo)致低精度。

.通過調(diào)用函數(shù)recalc_spectro()，可以從相應(yīng)的函數(shù)和變量中再次讀取光譜數(shù)據(jù)。例如，有依賴于全局變量T_fiber的躍遷截面的函數(shù)，表明光纖的溫度。更改該變量后，必須調(diào)用函數(shù)recalc_spectro()，否則修改后的值將被忽略。

.所有信道定義都可以用clear_channels()刪除。

.可以使用set_P_in()修改信道的輸入功率。

16 在不同設(shè)備之間切換通過類似set_device(j)的函數(shù)調(diào)用，可以在不同的放大器或激光設(shè)備之間切換，其中j是介于1和10之間的數(shù)字。默認(rèn)情況下，軟件始終使用設(shè)備1。如果一個(gè)切換到另一個(gè)，可以再次定義光纖屬性、信道、輸入功率等，并計(jì)算輸出。可以隨時(shí)在不同設(shè)備之間切換，以修改某些參數(shù)或計(jì)算某些輸出。

例如，在分析多級(jí)放大器時(shí)，此功能非常有用。將每一級(jí)放大器視為一個(gè)設(shè)備。例如，在圖表中，可以將第二級(jí)的輸出功率繪制為第一級(jí)輸入功率的函數(shù)。這在演示文件中進(jìn)行了演示。

另一種可能的用途是在不同版本的放大器或激光設(shè)計(jì)之間切換。這可能比為這些設(shè)備使用單獨(dú)的腳本更方便。

17 噪聲指數(shù)的計(jì)算對(duì)于光放大器，計(jì)算所謂的噪聲指數(shù)通常是有意義的。這被定義為一個(gè)系數(shù)，該系數(shù)表示放大輸出的噪聲功率譜密度與輸入噪聲功率譜密度乘以放大系數(shù)的比值，假設(shè)輸入噪聲處于散粒噪聲水平。（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱https://www.rp-photonics.com/noise_figure.html）通常以分貝表示。

RP Fiber Power允許使用函數(shù)NF(ch)計(jì)算某個(gè)ASE信道的噪聲指數(shù)，其中ch是信號(hào)的信道數(shù)。這個(gè)噪聲指數(shù)是一個(gè)系數(shù)（噪聲功率比）；要將其轉(zhuǎn)換為分貝，取10 * lg(NF(ch)）。

如果指定了信號(hào)信道而不是ASE信道，軟件將搜索ASE信道，其波長區(qū)間包含信號(hào)波長且具有相同傳播方向的。噪聲指數(shù)是針對(duì)一個(gè)在端面沒有反射的單通道計(jì)算的。這意味著使用的ASE信道必須沒有端面反射，也沒有輸入功率。

如果已為具有set_loss_int()或set_loss_ext()的信號(hào)信道設(shè)置了一些集中損耗，則相應(yīng)的ASE信道也必須設(shè)置相同的損耗；否則，獲得的噪聲指數(shù)將不正確。

為了熟悉這個(gè)概念，您可以測(cè)試以下情況：

.對(duì)于沒有背景損耗的高增益四級(jí)放大器，噪聲指數(shù)必須為≈3 dB。

.對(duì)于準(zhǔn)三級(jí)放大器，噪聲指數(shù)更高。對(duì)于反向泵浦，噪聲指數(shù)優(yōu)于正向泵浦。

.如果只有10dB的背景損耗，但沒有放大，則噪聲指數(shù)為10dB。在這種情況下，信號(hào)被衰減，而噪聲保持在散粒噪聲水平。