OptiFiber 光纖設計軟件的案例
光通信設計軟件——OptiFiber 光纖設計軟件
使用光纖作為傳輸介質的電信現在是一個主要的行業。選擇合適的光纖參數是光學系統的重要問題。橫截面尺寸，材料成分和折射率分布都會影響光纖的損耗，色散和非線性，必須仔細選擇，以便在給定的應用中實現令人滿意的結果。
對于一個光通信系統，它的最佳狀態的設計直接取決于對光纖參數的選擇。光纖的橫截面尺寸, 材料成分和折射率分布都會影響到光通信里極其重要的線性和非線性現象。OptiFiber 使用數值模式求解程序和其它專門用于光纖的解析法來計算光纖通訊時的色散、損耗、雙折射現象和偏振模色散。
OptiFiber 是一種功能強大的工具，它將光纖模式的數值模式求解器與群延遲，群速度色散，有效模面積，損耗，偏振模色散，有效非線性等計算模型相結合.OptiFiber 最強大的功能之一是它能夠預測如何優化給定的光纖，而不是設計目標，例如很小但非零色散和最大模面積。此外，OptiFiber 可以通過導入和分析實際光纖樣品的折射率分布來補充和擴展真實實驗室設備（如EXFO的NR-9200 Optical Fiber Analyzer）的光纖表征能力。OptiFiber 是設計光纖，光纖元件和光通信系統的工程師，科學家和學生不可或缺的工具。
特點和功能
· 評估參數、敏感度和容差
· 利用有限差分法或傳遞矩陣法來求解光纖的LP模或者矢量模
· 可以導入如EXFO NR-9200等儀器測量的光纖剖面的折射率分布進行解析
· 單模光纖設計，如康寧SMF-28的，色散平坦光纖設計，色散位移光纖設計等
· 多模光纖的設計，如50/125 m 和 62.5/125 m 石英光纖等
· 傳播過程中多模干涉的光場分布圖的觀察
· 自動參數掃描
· 光纖傳感設計
· 內外擾動導致的雙折射和PMD的計算
通過以下任一方法設計具有任意二維折射率分布的多層光纖：
1.
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件——菜單
Change location of fiber data folder：光譜數據（也可能是光纖結構的數據）存儲在某個文件夾中的.inc文件中。在這里，您可以打開該文件夾或為該文件夾選擇其他位置。（如果您對原始文件夾沒有足夠的訪問權限，則可能需要后者。）如果創建新文件夾，系統將詢問您是否要將舊文件夾內容復制到新位置。另見第3節。
所有選項設置都存儲在Windows注冊表中。
幫助菜單
Contents：顯示幫助文件的內容部分
Index：顯示幫助索引
User interface：顯示用戶界面幫助
Arithmetics：顯示軟件算術功能的幫助，與使用腳本語言有關
Word at cursor：顯示與光標位置的關鍵詞相關的幫助
Display the PDF manual：打開 PDF 手冊，您可以打印出來。
Visit the RP Photonics website：使用默認瀏覽器顯示該網站。
Check for updates：檢查 RP Photonics 網絡服務器上是否有可用的更新或升級。您可以確定軟件是否定期出現該窗口，以提醒您檢查更新。
Check for license expiry（僅限臨時許可證）：顯示當前軟件許可證的到期時間。
Technical support：提供有關技術支持的信息。
About：打開 About 窗口，顯示有關軟件版本和用戶許可證的信息。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件——調試器
lFibers：這顯示了腳本定義的所有光纖模型，包括它們的詳細信息，如相應的光纖信道。
lBeam propagation：顯示所有光束傳播設備及其光信道。
在下面部分，您可以看到“expression to evaluate”欄。在這里，您可以輸入任何表達式（或用逗號分隔的表達式列表），以獲得變量或陣列分量值或從中計算出的值、光纖中的光功率或計算出的光脈沖的屬性。
您可以在調試腳本時保持該檢查窗口處于打開狀態。每次遇到斷點或腳本執行完成時，都會自動更新檢查表單。您可以通過按表單右上角附近的“Update”按鈕在其他時間更新內容。
調試表達式
該軟件具有強大的表達式引擎。這樣，即使在數學表達式的層次上，也可以做相當復雜的事情，例如，在執行單個命令（例如，將表達式值賦給變量）的過程中。因此，即使在表達式中也常常需要進行調試。
您可以在表達式中設置斷點，而不是使用“@”字符，例如命令級別上的斷點，而是通過插入對函數debug()的調用來設置斷點。該函數只有一個字符串參數。如果它不是空字符串，則表示此時要進入表達式調試模式；傳遞的字符串將在調試窗口中顯示為消息，幫助您了解當前正在查看的代碼。如果使用空字符串參數調用函數，則表達式調試模式將結束，即通常在調用后恢復表達式的計算。一旦到達包含debug()調用的塊的末尾，調試模式也將結束。
使用debug()函數而不是簡單的斷點符號（例如“@”）的概念為您提供了更多的靈活性。特別是，只有滿足某個條件時才可以調用函數，這樣實際上就有了一個條件斷點。您還可以使用計算的消息字符串，更好地通知您當前的狀態。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件---特征
該軟件可以以驚人的速度和極高的可靠性計算所有光功率和激發密度的分布。 即使在復雜的情況下，復雜的算法也能實現。 （對于其他軟件，在復雜情況下，您可能很容易有更長的計算時間和收斂問題。）
動態模擬
該軟件還可以模擬光功率和激發密度的時間演變。 例如，它可以通過光纖放大器放大期間的增益飽和來模擬光脈沖的失真（見圖）。 它還可以模擬Q開關光纖激光器甚至固體激光器中的脈沖生成。 動態模擬既可以僅傳播光功率，也可以傳播全光束分布。
所有這一切都可以通過極大的靈活性來完成。 例如，您可以自由定義泵浦功率和輸入信號波的時間依賴性，并根據需要說明結果：顯示值在脈沖內如何演變，顯示脈沖參數如何針對多個脈沖演變等。
超短脈沖傳播
該軟件可以模擬無源和有源光纖器件中超短脈沖的傳播，也可以模擬其他組件，如光譜濾波器、手動或自動優化的色散壓縮器、棱鏡對和光柵對、調制器和可飽和吸收器。因此，不僅可以模擬光纖放大器中的單通放大或電信光纖電纜中的數據傳輸，還可以模擬鎖模光纖激光器、啁啾脈沖放大器系統、再生放大器和光纖干涉儀中的脈沖演變。交互式脈沖顯示窗口允許人們方便地檢查脈沖的所有細節。
在任意色散（可以從模式求解器獲得）、克爾非線性、受激拉曼散射（SRS）和放大器增益（包括增益飽和）的影響下，時間和頻譜脈沖特性可以在光纖中演化。可以包括自陡峭；甚至可以模擬超連續譜的產生。具有自動步長控制的精確數值算法確保了高精度和高速度。
光纖數據
RP Fiber Power附帶大量光纖數據集，包含摻雜有釔、鉺、銩等的各種激光活性玻璃的光譜數據，以及部分波導參數。 一些數據集包含來自科學文獻的數據，其他數據集來自與RP Photonics合作的光纖制造商。 此外，您可以輕松地將任何自己的光纖數據集成到軟件中。
展開 
RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件---簡介
無源和有源光纖器件的終極工具
RP Fiber Power是一款功能強大的建模軟件，用于設計和優化光纖器件 - 特別是光纖放大器和激光器以及其他類型的波導激光器，還有光纖耦合器，多芯光纖，螺旋芯光纖和錐形光纖。
該軟件提供有效的傳播和數值光束傳播。還可以研究超短脈沖傳播，例如在光纖放大器系統，鎖模光纖激光器，電信電纜和自動優化的脈沖壓縮器中。
RP Fiber Power是為高級用戶提供的多功能工具，但同時（特別是自定義表格的V6以來）也非常適合那些沒有（或尚未）進入該領域專家的用戶。
對于任何認真對待光纖器件的人來說，這都是必須的 - 無論是在工業發展，科學研究還是教育方面。 其用戶界面結合了極大的靈活性和簡單的啟動。 因此，它同樣適用于高效的例行檢查和大多數復雜的模擬工作。
RP Fiber Power V7新功能
這個版本有幾個重大改進：
現在有一個功能強大的腳本調試器，可以更容易地找到并修復復雜腳本中的錯誤。 有了它，您可以通過命令執行腳本命令。 在數學表達式中甚至可以進行調試！ 因此，在腳本中查找和修復錯誤變得更加容易。
新腳本編輯器支持有用的功能，如行號顯示，語法突出顯示和多級撤消/重做功能。
有一個方便的語法檢查器：在執行可能耗時的腳本之前找到語法錯誤。
您還可以自動重新格式化代碼以獲得一致的格式。
特別是那些開發復雜模擬的用戶，這是個好消息！
RP Fiber Power V6已經引入了進一步改進的用戶界面：可以在腳本中定義自定義表單。 這可能非常有用：
此類表格可用于軟件適用的模擬 - 根據您的需求量身定制。
它們非常易于使用。 只需填寫輸入字段并執行即可查看輸出值以及創建的圖形圖表。
您可以自己制作此類表格，也可以在技術支持范圍內制作。 （自定義表單在腳本中以文本形式非常簡單地定義。）
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件——光譜數據
軟件需要一些有關光纖的數據。在本文中，僅描述了這些數據存儲在何處以及隨軟件提供哪些數據。
建議始終將定義光譜數據的命令和數據存儲在include文件中，因為這樣可以方便地在其他腳本中使用它們，也可以方便地在不同光纖類型的數據之間切換。但是，原則上，您可以在任何腳本中進行這樣的定義。
通常，此類include文件的名稱以“Yb－”開頭，例如（指示鐿為激光活性離子）擴展名．in c，并存儲在名為“Spectroscopic data”的文件夾中，該文件夾是包含RP Fiber Power程序文件的文件夾的子文件夾（例如，“C：Program FilesRP SoftwareRP Fiber PowerSpectroscopic data”）。但是，您可能希望在其他位置（例如，某些用戶文件夾）使用該文件夾的副本。原因可能是Windows 7只允許管理員對“Program Files”的子文件夾進行寫訪問，因此添加數據文件時可能會遇到困難。
軟件提供以下通用材料數據文件：
·Yb－germanosilicate．inc：摻鐿鍺硅酸鹽光纖的數據，由Paschotta博士記錄，發表在 R． Paschotta et al．， “Ytterbium－doped fiber amplifiers”， IEEE J． Quantum Electron． 33 （7）， 1049 （1997）
·ErYb－phosphate．inc：摻鉺和摻鐿磷酸鹽玻璃的數據，取自G． C． Valley， “Modeling cladding－pumped Er／Yb fiber amplifiers”， Optical Fiber Technol． 7， 21 （2001）； the data were partly taken from S．
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件——自定義表單
這些表單不是在軟件本身中定義的，而是在腳本中定義的。這意味著這樣的表單可以根據任何特定的應用而定制。
一旦開發了自定義表單，就很容易使用。制作這樣的表單（作為腳本的一部分）有點困難；可以由用戶自己完成，也可以由技術支持中提供。
使用自定義表單
如果您有定義自定義表單的腳本，只需打開該文件，軟件就會自動進入自定義表單模式，即顯示自定義表單。還可以使用工具欄中的按鈕“Show editors”和“Show custom form”在腳本編輯器模式和自定義窗體模式之間切換。
還有一些包含自定義表單的演示文；例如，請參見文件“Yb amplifier.cf.fpw”。（在文件擴展名之前，我們已經表明了包含帶有.cf的自定義表單的腳本。）
以下屏幕截圖顯示了自定義表單模式下的RP Fiber Power。輸入了一些輸入，并執行了腳本，因此可以顯示計算結果。
自定義表單可以包含輸入和輸出欄：
l輸入欄包含用戶輸入的數據。可以有不同類型的輸入欄：
通常輸入欄用于輸入數值數據或在某些情況下輸入字符串值。數值格式正確，通常使用測量單位。例如，用戶可以將“.5”輸入某個輸入功率的輸入欄，軟件會在離開該欄后立即將其轉換為“500 mW”（例如，當單擊另一欄或按Tab鍵時）。
可以在括號中輸入數學表達式，而不是數值。該表達式的值將作為輸入。
您可以通過按功能鍵F5到F12和Alt鍵來修改文本欄中的數值。使用Alt-F11 / F12，您可以獲得相當粗略的步驟，使用Alt-F9/F10更精細的步驟，等（注意：Alt-F4關閉軟件）。
可以創建輸入欄，以便在修改輸入值后立即更新所有輸出。（否則，只有在執行腳本后才會發生這種情況。）然后，可以通過將光標移動到其他欄或使用返回鍵來觸發這樣的更新。
有兩種選擇欄。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件——建模原理8
使用的折射率分布可以通過光纖在x和y方向的曲率半徑進行修改，這可能取決于z。例如，x方向的曲率被視為對所有與x坐標成比例的折射率分布的校正：
注意，這種處理曲率的方法忽略了應力對玻璃的影響。對于二氧化硅光纖，已經證明了 (A. B. Sharma et al., Appl. Opt. 23, 3297 (1984))有效彎曲半徑約是幾何彎曲半徑的1.28倍：應力效應部分補償幾何效應。因此，應在軟件中使用相應增加的彎曲半徑。
對于每個光通道，還定義了二維復振幅分布作為初始場，然后沿光纖傳播。數值傳播只在通過某些函數請求振幅的z坐標下自動進行。（因此，在進一步計算振幅之前，可以快速獲得小z值的結果。）計算的振幅會被存儲，以便稍后快速調用。此外，它們也可以在x-y平面內插值。我們可以生成各種各樣的圖，這些圖可以依賴于數值網格中任何位置的振幅。
同一光束傳播裝置的不同光通道中的光場只有在存在激光放大或克爾非線性時才會相互作用（見下文）。
激光放大
光束傳播裝置的光纖可以含有激光活性離子。使用簡化的增益模型，其中激光活性離子（例如Er或Yb）只能有一個亞穩態能級（較高的激光能級）。（允許準三能級行為，并且可以有多種類型的離子）。相關的光譜數據為
上態壽命
l吸收和發射截面作為波長的函數
可以定義摻雜濃度的任意二維分布。目前還不允許摻雜濃度對z依賴性。
局部激光增益或吸收通常是根據穩態的局部光強度來計算的。或者，可以進行動態仿真，其中某個時間間隔由用戶定義。在這種情況下，傳播模擬了向穩態移動的上態粒子數的時間演變。
光通道相互作用是因為它們可以影響激光活性離子的上態粒子數，進而影響所有通道的增益或吸收。
在某些情況下，人們只想對信號波進行光束傳播，而不想對泵浦波進行光束傳播。泵浦的強度分布可以定義為用戶定義的函數。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—光纖耦合器
原則上，可研究任意折射率分布光纖內多光束的傳輸特性。研究基于倏逝波的光纖定向耦合器。傳輸一段距離后，兩光纖纖芯相對較近，光線可由一根光纖遂穿到另外一根光纖纖芯內。光線由其中一個端口入射，可分析不同波導距離，耦合長度，波長下的傳輸特性。
圖1為折射率分布，用于說明是否為所設定的耦合結構。
圖2為yz平面內的場分布，可分析光功率如何耦合至相鄰波導的過程。
圖3為其中一個輸出端口下光束的分布。
圖4為耦合強度與耦合區兩纖芯距離的關系；
圖5為耦合強度與波長的關系。短波長表現弱耦合，隱逝場較弱。由于光耦合返回至初始波導中，彎曲損耗逐漸增加，在再次減弱前，長波長表現強耦合特性。
需指出，該程序分別定義了不同的波長通道，用戶可在后期詳細研究各通道光束的分布，以及耦合區光束的分布特性。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—拉錐光纖
研究導波模式光纖內光線的傳輸特性。拉錐光纖中，纖芯的直徑沿光纖軸向逐漸變細。該設計模擬了纖芯直徑緩慢變化對光場模式的影響。
圖1為yz平面內的場振幅分布。
圖2為沿著光纖方向，光功率、光束半徑、模場面積等光束參數的變化。
Tapered fiber ． cf ．fpw文件包括自定義窗體，用戶可靈活輸入相應參數。
RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件——建模原理10
這些假設基本上適用于所有摻雜玻璃光纖，光子晶體光纖除外。對于增益或吸收很強的光纖，折射率實際上變得很復雜，軟件無法處理。然而，在幾乎所有的實際情況下，光纖的增益或損耗都太弱，以至于無法與這相關。
在超短脈沖仿真中，只考慮單一光纖模式。涉及高階模式或反向傳播波的非線性耦合效應（如布里淵散射和拉曼散射）無法建模。
RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件——建模原理2
比如，對于鉺鐿共摻光纖，我們考慮3個能級的鉺和2能級的鐿。能級1到3是鉺，能級4到5是鐿：
上圖中還顯示了各種躍遷。受激躍遷（由光引起）用粗箭頭表示，而自發躍遷用細箭頭表示。更詳細地說，躍遷如下
一些泵浦波如980nm波長可以激發鉺離子從1能級到3能級。忽略相反方向的受激輻射。
從3級到2級有一個快速的非輻射躍遷。這與光學影響或光的發射無關，而是與多聲子發射有關。
激光（或放大器）從2能級躍遷到1能級，發射在1．5μm的光譜區域。而且，光可以被重新吸收，從1能級到2能級激發離子。
鐿離子也可以從4能級泵到5能級或向下通過受激或自發輻射。
最后，這里可能有一個能量轉移，鐿離子從5能級到4能級的能量使餌離子從1能級泵到3能級。
除了基態外，模型中只考慮了亞穩態。例如，如果假設從3能級到2能級的非輻射傳輸速度是無限快的，3能級將被消除。980nm左右的鉺泵送將直接進入2能級，同樣的情況也適用于能量傳遞過程。
能級粒子數表示為n1到n5，取決于在光纖中的位置。一定離子類型的所有能級粒子數總和為1。上述例子中，基態對應n1＝n4＝1，n2＝n3＝n5＝0。
為了計算光吸收或光放大的電子能級的粒子數，使用如下用戶定義的參數：
l 對于自發躍遷（輻射躍遷或非輻射躍遷），當躍遷速率與起始能級的粒子數成比例時，用戶指定起始能級中每個離子的躍遷速率。
l 對于光致躍遷（吸收或受激發射），使用波長相關的有效躍遷。軟件自動決定哪個光信道與某些躍遷相關。
可以有淬火過程，其中從某一起始能級到某個結束能級的躍遷率與開始能級的粒子數的平方或立方成比例。用戶定義比例常數。
對于能量傳輸，用戶指定兩個起始能級（可能相同）和兩個結束能級，以及比例系數。
在許多情況下，用具有以下特性的簡化的增益模型：
除了基態外，只有一個亞穩態激發能級，具有一定的上能級壽命。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件——脈沖顯示窗口
例如，如果這是最后一個應用的光學元件，則可能是光纖輸出端的脈沖。
·“Stored pulse”：在此模式下，您可以顯示先前用函數store_pulse()存儲的脈沖。
·“Position in the fiber”：在這種模式下，光纖中某個位置的脈沖，從最后一個脈沖通過光纖傳播獲得，顯示出來。然后，控制欄允許您選擇光纖中的任何網格位置。您可以使用按鈕跳到某些位置：I<<=光纖左側，<<=光纖左端的一個位置，I=光纖中間，等等。
上部分圖顯示了脈沖在時域中的一個特性，下部分圖顯示在頻域或波長域中的特性。（可以使用“wavelength axis”復選框在頻率軸和波長軸之間切換。）
對于每個域，可以選擇應顯示哪個屬性。在時域中，有以下可用屬性：
·光功率
·場振幅（復振幅模量）
·電場（除非磁場振蕩太快以至于無法顯示；在這種情況下，顯示振幅）
·相位（在–π到+π范圍內）（與功率一起顯示）
·連續相位
·delta f：瞬時頻率與中心頻率的偏差（與功率一起顯示）
·delta l：類似于delta f，但是波長方面
·AC_I：強度自相關
·AC_I_dB：強度自相關以分貝為單位
·AC_E：干涉自相關
在頻域中，以下屬性可用：
·能量（更準確地說，能量密度，單位為pJ/THz或pJ/nm）
·1 THz或1 nm的能量（單位：dBm）
·光譜振幅
·光譜相位（在–π到+π范圍內）（與能量一起顯示）
·連續相位
·群延遲（與能量一起顯示）
其他可能的設置包括：
·“centered”復選框：將脈沖軌跡置于時域的中心。
·Auto scale：自動設置時域或頻域圖表的水平和垂直比例尺。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件——用戶界面4
交互式表單構成了一種非常簡單的開始使用軟件的方法。您可以將所需的信息輸入到各個表單欄，最后“執行”軟件。這意味著從輸入中生成腳本文件，然后執行。腳本的一些輸出也顯示在表單欄中。
如果軟件處于腳本編輯器模式，則可以使用工具欄中的“Show forms”按鈕獲取交互式表單。
（請注意，也有“自定義表單”。）
輸入組織在以下選項卡中：
lFiber modes(光纖模式)：用于根據折射率分布計算光纖模式。（如果您知道強度分布，則不需要這用于功率計算。）
lActive fiber(有源光纖)：在這里，您可以定義有源光纖的詳細信息。
lOptical channels(光信道)：光纖中的所有光都用“光信道”來描述，您可以在這里定義。例如，放大器模型可能有幾個泵浦信道、幾個信號信道和ASE 信道。
lDefinitions(定義)：在這里，您可以輸入一些腳本命令，這些命令集成到生成的腳本中。您可以使用它，例如，為某些光信道定義用戶定義的強度形狀，或定義其他輸出。
lGraphics(圖形)：在這里，您可以定義生成哪些類型的圖形輸出。（請注意，光纖模式上的圖形可以在“
Fiber mode”選項卡中定義。）
Ultrashort pulses(超短脈沖)：此選項卡用于模擬超短脈沖的傳播。
這些選項卡將在以下部分中詳細解釋。
在工具欄中，您可以找到藍色的“Play”按鈕。按下此按鈕時，將從表單輸入中生成腳本文件名FormScript.fpw并執行。菜單項Execute | Calculate (no graphics)執行相同操作，但圖形輸出被抑制。您可以轉到腳本編輯器模式，以檢查生成的腳本并可能保存其副本，您可以進一步編輯該副本。（無法編輯生成的腳本，因為下次執行表單時可能會覆蓋該腳本。）
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件——用戶界面1
這樣的腳本文件包含某些命令，例如用于定義有源光纖的物理屬性和圖形輸出的詳細信息。
在任何輸入模式下，可通過按F8鍵“執行”計算，這將導致菜單項 Execute | Graphics。具體來說，執行意味著：
讀取整個腳本文件。大多數包含的命令都是直接執行的，但是那些用于生成圖形的命令目前只存儲相應的細節。
一旦整個腳本被成功讀取，腳本中定義的任何圖形都將在一個或多個單獨的圖形窗口中生成，除非它們被腳本中的某些命令或執行F9抑制了（在菜單中：Execute | Calculate (no graphics)）。
如果出現任何錯誤，它們將顯示在日志區域。
也可以使用主表單頂部附近的任務欄中的“執行”按鈕；它包括圖表的生成，除非在按下按鈕時按下了 SHIFT 鍵。
在某些情況下，腳本執行需要大量時間。然后可以在執行期間進行干預：
您可以通過按 Ctrl-Q 或工具欄中的停止按鈕中止執行（僅在執行期間發生，否則會找到執行按鈕）這樣，您將返回到編輯模式；此后將無法恢復執行。
或者，可以使用 Ctrl-B 中斷執行以進入調試模式。然后您可以繼續執行。由于程序首先需要完成當前命令的執行，因此它對該鍵組合的反應可能會更慢。
還有組合鍵 Ctrl-Alt-B 用于在表達式中中斷，但這僅在代碼中使用某個函數調用時有效。
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