摻鉺光纖放大器的案例
RP Fiber Power 多信號摻鉺光纖放大器
多信號摻鉺光纖放大器
文件：Er amplifier for multiple signals .fpw
多個等間隔信號入射至摻鉺光纖放大器。各信號具有不同的增益值及輸出功率。同時，圖2為噪聲指數。對于長波長，重吸收效應較弱，噪聲指數較低。
免費參會領福利 |《使用 RP Fiber Power 進行光纖模式分析及摻鉺放大器的自發放大輻射演示》線上研討會
RP Fiber Power 是一款用于設計和優化光纖設備的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等。
摻鉺光纖放大器以其獨有的優勢確立了其在光通信領域的地位，對于全光通信技術的發展有著重要的意義。摻鉺光纖中的自發輻射噪聲是影響摻鉺光纖放大器工作性能的重要因素；同時作為摻鉺光纖激光器的起振源，也是影響其工作特性的重要因素。所以人們對于摻鉺光纖自發輻射噪聲的研究從未停止。
考慮更多用戶在光學設計應用中的需求，武漢墨光將在1月18日開展《使用 RP Fiber Power 進行光纖模式分析及摻鉺放大器的自發放大輻射演示》線上研討會。將通過介紹軟件相關的應用概述及實操案例演示，讓大家熟悉了解如何使用 RP Fiber Power 進行相關設計分析（文末還有免費福利領?。?。以下是本次研討會的具體介紹：
? 會議主題 ?
使用 RP Fiber Power 進行光纖模式分析
及摻鉺放大器的自發放大輻射演示
01 會議大綱
RP Fiber Power 軟件應用概述
RP Fiber Power 用戶界面(新模式 Power Forms）
RP Fiber Power 案例演示：
1.光纖模式分析
2.摻鉺放大器的自發放大輻射
02會議詳情
1.主辦單位：武漢墨光科技有限公司
2.會議講師：武漢墨光科技資深光學工程師
3.
展開 RP Fiber Power 摻鉺光纖放大器的放大自發輻射
摻鉺光纖放大器的放大自發輻射
文件：Er amplifier with ASE .fpw
該范例與自發輻射放大摻釔放大器的腳本程序相似，僅采用鉺離子取代釔元素。采用鋁硅酸鹽光纖的數據。因為在980nm處不存在泵浦吸收，故采用泵浦光1470nm的模型。
在此腳本程序中，設定鉺離子具有理想的特性。這意味著不存在猝滅及能量轉移過程。若考慮此效應則會使模型非常復雜。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—多信號摻鉺光纖放大器
多個等間隔信號入射至摻鉺光纖放大器。各信號具有不同的增益值及輸出功率。同時,圖2為噪聲指數。對于長波長,重吸收效應較弱,噪聲指數較低。
RP Fiber Power 摻鉺光纖放大器的淬滅效應
摻鉺光纖放大器的淬滅效應
文件：Er amplifier with quenching .fpw
該范例與自發輻射放大的摻鉺放大器的腳本程序相似，對于鉺離子采用了更復雜的模型，并包括上轉換效應。激光上能級離子躍變相互作用，其中一個離子躍遷至基態，而另外一個離子躍遷至高能態，瞬間返回至初始能級。實際上，破壞一個激發躍遷，整個光放大也會稍微減少。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—摻鉺光纖放大器的放大自發輻射
該范例與自發輻射放大摻釔放大器的腳本程序相似,僅采用鉺離子取代釔元素。采用鋁硅酸鹽光纖的數據。因為在980nm處不存在泵浦吸收,故采用泵浦光1470nm的模型。
在此腳本程序中,設定鉺離子具有理想的特性。這意味著不存在猝滅及能量轉移過程。若考慮此效應則會使模型非常復雜。
RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器設計第九部分
在任何情況下，我們都看到衰減和放大會導致噪聲，如果我們想最大限度地減少整體過量噪聲，我們應該避免衰減，特別是在信號最弱的地方——例如，在放大器的輸入端。
準三電平放大器的噪聲增加
在第 2 部分中，已經提到大多數光纖放大器，例如那些使用鉺或鐿離子的光纖放大器，使用準三電平放大器躍遷。在那里，我們有一些信號重吸收，這明顯增加了多余的噪聲：吸收本身會引入量子噪聲，所需的額外受激發射會導致更多的自發發射，這進一步增加了噪聲。對于激光活性離子的低激發水平，這種影響變得更加嚴重，因為這樣重吸收就更相關了。此外，這種影響是否發生在放大器的輸入端附近最為重要，但對于輸出端（如果增益很高）影響不大，因為輸出端附近的過量噪聲已經很強。
示例：摻鉺光纖放大器的噪聲系數
作為一個例子，我們考慮一個摻鉺光纖放大器，因為它可以用于光纖通信，例如提高光纖鏈路中長跨度傳輸光纖之間的信號電平。最初，我們使用前向泵送：
圖 1： 前向泵浦摻鉺光纖放大器的增益、噪聲系數和前向 ASE 頻譜。
通過反向泵浦，我們得到相同的增益譜（因為 ASE 的強度不足以使增益飽和），但前向 ASE 更強，噪聲系數更高：
圖 2： 與圖 1 相同，但采用反向泵送。
就噪聲而言，反向泵浦明顯更差，因為在該配置中，我們在信號輸入端附近的鉺激勵程度較低。在正向泵浦的缺點（例如反向 ASE）過于嚴重的情況下，雙向泵浦可能是一個很好的折衷方案。
我們還看到，在較短的波長下噪聲系數明顯更高，因為基態歧管中鉺離子的重吸收在那里更強。
其他因素是泵和信號輸入功率，因為這些會影響激發密度。通常，較高的泵浦功率和較低的信號輸入功率會降低噪聲系數。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—摻鉺光纖放大器的淬滅效應
該范例與自發輻射放大的摻鉺放大器的腳本程序相似,對于鉺離子采用了更復雜的模型,并包括上轉換效應。激光上能級離子躍變相互作用,其中一個離子躍遷至基態,而另外一個離子躍遷至高能態,瞬間返回至初始能級。實際上,破壞一個激發躍遷,整個光放大也會稍微減少。
RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器與激光器建模第二部分
本教程包含以下部分：
1：簡介
2：光通道
3：功率傳播或場傳播
4：激光活性離子
5：放大器和激光器的連續波操作
6：放大和產生短脈沖
7：超短脈沖
8：使用自制軟件還是商業產品？
以下是Paschotta 博士關于光纖放大器和激光器建模教程的第 2 部分。
第 2 部分：光通道
在光纖放大器或光纖激光器的定量模型中，我們需要以某種方式描述在光纖中傳播的光。具體應該如何做，很大程度上取決于具體情況。
在大多數情況下，我們處理的是不同波長的不同光波——例如，泵浦波和信號波。在更復雜的情況下，我們可能有多個泵浦和信號波，也可能有來自放大自發發射(ASE) 的光（請參閱我們的光纖放大器教程的第 4 節）。
盡管原則上可以將整個光場描述為一個整體，但區分一些我們稱之為光通道的數量通常是非常明智的。在放大器模型中，我們可能有
? 一個或多個泵通道，
? 一個或多個信號通道，
? 通常在 10 到 100 個 ASE 通道之間。
我們將 ASE 光分成具有不同波長的多個通道，通常使用等距的波長值。每個 ASE 通道代表一些窄波長區域，其中光子能量和躍遷橫截面等屬性近似恒定。當然，在某些情況下 ASE 可以完全忽略——例如，當放大器增益太低而 ASE 不重要并且人們對那個低電平 ASE 不感興趣時。
泵和信號通道通常被認為是單色的。對于這些，通常不考慮自發輻射。在寬帶信號的情況下，當然可以再次使用具有不同波長的通道陣列。
圖 1： 摻鉺光纖放大器模型中的光通道。
例如，圖 1 顯示了為一個簡單的摻鉺光纖放大器模型選擇的光通道。ASE 通道的波長范圍為 1520 nm 至 1600 nm，間距為 5 nm。
展開 RP 系列 激光分析設計軟件 | 無源光纖（ 第十部分）
包含微小氣孔的光子晶體光纖可以實現更高程度的色散控制。氣孔的放置為優化提供了很大的空間。在這里，可以例如獲得可見波長范圍內的反常色散。請注意，此類光纖的計算更加困難，具有高折射率對比度，并且部分基于不同的光導原理。
但是請注意，這些方法都沒有在大模面積光纖中控制色散的潛力。如此大的模式總是具有接近相應纖芯材料中波數的相位常數（ β 值），波導色散的影響非常小。這本質上是因為大模式具有類似于平面波的色散行為，具有較弱的衍射和波導效應。
光纖鏈路中的色散
有人可能認為色散總是不利于在光纖鏈路中傳輸電信信號，因為它往往會在時間上傳播和扭曲信號。實際上，色散（以及模間色散）會引入色散功率損失，即需要更多的光功率來實現相同的比特率。因此，一段時間以來，人們似乎應該在接近標準石英光纖的零色散波長( ZDW )的 1.3-μm 波長范圍內操作光纖鏈路，或者使用帶有 ZDW 的色散位移光纖。1.5-μm 波長區域，其中摻鉺光纖放大器可以使用。然而，事實證明，特別是在使用波分復用時，最好有一定量的色散，因為這樣可以減輕非線性效應。有關更多詳細信息，請參見關于光纖非線性的第 11 部分和關于脈沖和信號的第 12 部分。
下一期將介紹第十一部分：光纖的非線性
敬請關注！
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—鉺釔共摻光纖激光器
該模型為短腔鉺釔共摻光纖激光器,975nm泵浦光束激發鉺離子與釔離子。鉺離子的激活能量轉移至鉺離子。
此類激光器也可在無釔離子情況下運行,可通過設置釔離子的濃度為0即可。然而,此時泵浦吸收非常有限,導致輸出功率較低。(由于光纖長度短,摻雜濃度有限所致)隨著鉺離子的摻雜,能量吸收更充分,激光轉換效率極大增加。然而,在高泵浦功率下,能量轉移效率達到極限,限制了輸出功率。
RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器設計教程
光纖放大器
本教程既可以作為光纖放大器的介紹，也可以用于了解有關它們的更多詳細信息。我們相信，即使是已經對光纖放大器有豐富經驗的人，也會發現它有助于加深理解。重點是基礎物理和由此產生的技術后果；我們不會簡單地將光纖放大器視為“黑匣子”，而是深入了解內部。
圖：簡單的摻鉺光纖放大器的示意圖。
我們不會深入到數學細節，而是嘗試創建對操作原理的直觀理解——通常通過用數值模擬的示例案例展示某些效果。RP Photonics的仿真和設計軟件RP Fiber Power是用于此類目的的出色工具，并已廣泛用于本教程。
在這里，我們專注于包含一些激光活性摻雜劑的活性光纖。有關光纖的基礎知識，我們將在后續的教程中講解。
光纖放大器最重要的應用可能是光纖通信，即通過光纖傳輸數據。在長距離傳輸系統中，需要周期性地恢復信號的光功率，例如每 50 公里的光纖。此外，還有一些放大器用于提高產生信號的低功率激光二極管的輸出，尤其是在將信號分成許多光纖之前（例如，在有線電視 = CATV 中）。有時，在接收器之前使用放大器以獲得更好的光電檢測信噪比。完全不同的應用是在高功率激光系統中，其中光纖放大器將激光輻射提升到巨大的功率水平——通常用于連續波源，但也用于短波和超短脈沖源。本教程涵蓋了所有此類應用程序的基礎。
01
第一部分：纖維中的稀土離子
光纖中的鉺或鐿離子如何放大光？我們如何描述具有復雜 Stark 能級流形和有效躍遷截面的此類離子的行為？為什么有效過渡截面與溫度有關？帶內抽水如何工作？為什么纖維中的飽和效應通常非常強？
02
第二部分：如何描述光
如何從激發密度計算增益和泵吸收？
展開 RP Fiber Power 鉺釔共摻光纖激光器
文件：Er-Yb fiber laser .fpw
該模型為短腔鉺釔共摻光纖激光器，975nm泵浦光束激發鉺離子與釔離子。鉺離子的激活能量轉移至鉺離子。
此類激光器也可在無釔離子情況下運行，可通過設置釔離子的濃度為0即可。然而，此時泵浦吸收非常有限，導致輸出功率較低。（由于光纖長度短，摻雜濃度有限所致）隨著鉺離子的摻雜，能量吸收更充分，激光轉換效率極大增加。然而，在高泵浦功率下，能量轉移效率達到極限，限制了輸出功率。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—摻釔光纖放大器
（備注：若采用無源光纖，則該文件及以下案例文件將無法運行。）
該程序有助于學習軟件基礎操作。設計了一種簡單的摻釔光纖放大器。
泵浦光與信號光均在單模光纖內傳輸。每列波象征一個光通道。腳本程序定義了高斯分布及給定半徑下的模式分布。
在此模型中，未考慮放大的自發輻射。因此，若降低輸入光功率，單通道增益較高，模式失效。
腳本程序可繪制以下圖形：
光功率與光纖位置的關系曲線。
信號輸出功率與泵浦功率，或信號輸入功率，或光纖長度的函數關系。
橫向與徑向分布取決于摻雜與強度分布。
RP Fiber Power 摻釔光纖放大器
文件：Yb amplifier, simple model .fpw
(對應表格操作文件Yb amplifier, simple model .fpi)
(備注：若采用無源光纖，則該文件及以下案例文件將無法運行。)
該程序有助于學習軟件基礎操作。設計了一種簡單的摻釔光纖放大器。
泵浦光與信號光均在單模光纖內傳輸。每列波象征一個光通道。腳本程序定義了高斯分布及給定半徑下的模式分布。
在此模型中，未考慮放大的自發輻射。因此，若降低輸入光功率，單通道增益較高，模式失效。
腳本程序可繪制以下圖形：
光功率與光纖位置的關系曲線。
信號輸出功率與泵浦功率，或信號輸入功率，或光纖長度的函數關系。
橫向與徑向分布取決于摻雜與強度分布。
微信公眾號：武漢墨光
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