雙包層光纖的泵浦吸收的案例
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—雙包層光纖的泵浦吸收
研究了雙包層光纖內泵浦光的吸收效應。采用圓包層纖芯摻雜的簡單結構，也可選擇D形包層結構，橫截面存在小部分斷層。圓包層結構簡單，但缺陷在于許多模式的泵浦吸收效率較弱。
圖1為yz平面的場振幅。對于簡單圓包層結構，纖芯區域內光束分布存在明顯的孔洞。
圖2為吸收后的強度分布。
雙包層光纖的泵浦吸收 RP Fiber Power
文件：Pump absorption in double-clad fiber .fpw
研究了雙包層光纖內泵浦光的吸收效應。采用圓包層纖芯摻雜的簡單結構，也可選擇D形包層結構，橫截面存在小部分斷層。圓包層結構簡單，但缺陷在于許多模式的泵浦吸收效率較弱。
圖1為yz平面的場振幅。對于簡單圓包層結構，纖芯區域內光束分布存在明顯的孔洞。
圖2為吸收后的強度分布。
來自武漢墨光微信公眾號
RP 系列激光分析設計軟件 | 示例案例：雙包層光纖中的泵浦吸收
我們在外包層中引入人工吸附，模擬外包層的損耗，這種損耗通常會發生在外邊界。
由于泵浦包層的高數值孔徑(0.4)，因此數值分辨率需要相對較高。我們使用0.47um 的橫向分辨率和3.3 um 的縱向分辨率。
結果
最初，我們假設泵浦包層 為圓形， 摻雜 核心為居中 。對于纖芯吸收，我們假設為 100 dB/m，這比 有點超出 實際情況，但這樣我們 就 可以使用更短的光纖長度 (500 mm)，從而節省計算時間。
圖1顯示了幅度分布在光纖中的演變過程。我們可以看到，強度分布在纖芯區域形成了一個“洞”。這是眾所周知的效應，即在一定長度的光纖中，功率主要集中在泵浦吸收很弱的模式中。因此使用更長的光纖沒有多大幫助。
圖1: 圓形泵浦包層沿光纖的振幅分布。
圖1中的紅色實心曲線顯示了泵浦功率的衰減情況。這可以與“原始”分析預計的結果(虛線)相比較，其中假設根據纖芯和包層面積之比的恒定吸收系數。傳播一段時間后，由于上述影響，兩條曲線明顯不同。
圖2顯示了光纖末端的強度分布。纖芯和包層邊界用灰色圓圈表示。
圖2:光纖末端的強度分布。
可以通過使用 D 形泵浦包層來提高泵浦的吸收率：本質上，我們在泵浦包層的頂部切掉一部分。這就降低了光纖的對稱性，從而避免了低纖芯重疊的螺旋模式。圖3和圖4顯示了結果。泵浦強度在橫向上的分布更加均勻，而泵浦吸收率現在甚至比根據“原始”的估計值稍好。
圖3:D 形泵浦包層沿光纖的振幅分布。
圖4:光纖末端的強度分布。
當然，我們現在還可以研究一些改進的情況，例如使用八邊形泵浦包層、偏心纖芯、彎曲光纖等。這樣就可以優化不同設計的雙包層光纖。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—包層泵浦光纖放大器
該范例為單模光纖放大器腳本程序的修改版。設定泵浦光在多模雙包層光纖內包層傳輸,信號光在單模纖芯內傳輸。泵浦功率增加至10W。若泵浦吸收急劇減弱,可采用長光纖,選擇975nm為泵浦波長,增加摻雜濃度。
該模型已隱含假設,橫向泵浦強度分布在傳播過程中為常量。這需要光纖中極強的模態混疊,可將光纖呈徑向對稱設計。
此案例中未考慮放大的自發輻射。因此,若降低輸入信號功率,單通道增益較高,模式失效。
RP Fiber Power 包層泵浦光纖放大器
包層泵浦光纖放大器
文件：Yb amplifier, cladding-pumped .fpw
(對應表格操作文件Yb amplifier, cladding-pumped . fpi)
該范例為單模光纖放大器腳本程序的修改版。設定泵浦光在多模雙包層光纖內包層傳輸，信號光在單模纖芯內傳輸。泵浦功率增加至10W。若泵浦吸收急劇減弱，可采用長光纖，選擇975nm為泵浦波長，增加摻雜濃度。
該模型已隱含假設，橫向泵浦強度分布在傳播過程中為常量。這需要光纖中極強的模態混疊，可將光纖呈徑向對稱設計。
此案例中未考慮放大的自發輻射。因此，若降低輸入信號功率，單通道增益較高，模式失效。
展開 光纖激光器設計軟件 | RP Fiber Power 的應用場景
光纖激光器設計軟件——
RP Fiber Power 的應用場景
RP Fiber Power——一款用于設計和優化光纖設備的功能強大的建模軟件，針對光纖放大器和激光器以及其他類型的波導激光器進行仿真，還包括光纖耦合器、多芯光纖、螺旋芯光纖以及錐形光纖。該軟件不僅可以提供有效的功率傳播和全數值光束傳播模擬，還可以研究超短脈沖的傳播行為，例如在光纖放大器、鎖模光纖激光器、電信電纜和自動優化脈沖壓縮器中的脈沖仿真。
對于任何想要仿真光纖設備的人來說，無論是在工業發展、科學研究還是教育中，RP Fiber Power 都能滿足您的需求。考慮到了用戶的體驗感和操作性，該軟件的交互界面結合了最大的靈活性和簡便性，因此，它同樣適用于高效的例行檢查和最復雜的模擬工作。
下面將介紹 RP Fiber Power 可用于分析和優化的設備:
（a）單?；蚨嗄?em>光纖
基于該軟件自帶的模式求解器，根據給定的折射率分布可以計算所有模態的特性，如振幅分布、有效模場面積、有效折射率以及色散等；還可以計算光纖耦合效率；模擬彎曲、非線性自聚焦或增益導引對光束傳播、高階孤子傳播的影響。
（b）光纖耦合器，雙包層光纖，多芯光纖，平面光波導
可以模擬雙包層光纖中的泵浦吸收，研究光束在光纖耦合器中的傳播，光在錐形光纖中的傳播，分析光纖彎曲的影響，放大器中的交叉飽和效應，泄漏模式等。
（c）光放大器
研究單級或多級放大系統中光纖的增益飽和特性(連續波或脈沖放大)、能量傳輸、猝滅效應、放大自發輻射等，比如：鉺鐿共摻光纖放大器。
展開 RP Fiber Power 演示
案例研究
單獨頁面上描述的示例案例
第一組示例說明了模式求解器的功率和數值光束傳播：
o 計算光纖模式
o 鍺硅酸鹽光纖的模式，計算色散
o 將光線發射到多模光纖中
o 在大模場區域光纖中彎曲效應
o 非線性自聚焦
o 未對準輸入光束的光演變
o 在雙包層光纖中的泵浦吸收
o 錐形光纖中的光
o 光纖耦合器
o 光纖布拉格光柵中的模式耦合
o 主動Q開關Nd：YAG激光器（固體激光系統；波傳播動態模擬）
o 多模光纖中受激拉曼散射
進一步的演示文件顯示了如何模擬光纖放大器和激光器（僅穩態計算）
o 摻鉺光纖放大器
o 包層泵浦高功率摻鐿光纖激光器
o 摻銩藍色上轉換激光器
o 具有自動光譜優化功能的ASE光源
以下是動態仿真的一些示例：
? 光纖放大器中的脈沖放大
? 主動Q開關光纖激光器
? 主動Q開關Nd：YAG激光器（固體激光系統）
? 主動Q開關Nd：YAG激光器（固體激光系統;波傳播）
? 被動Q開關Nd：YAG激光器（固體激光系統）
接下來，有模擬超短脈沖傳播的演示：
? 高階孤子
? 孤子自頻移
? 光纖放大器中的拋物線脈沖
? 光纖放大器中的受激拉曼散射
? 再生放大器（體系統）
? 鎖模光纖激光器
? 啁啾脈沖放大器系統
? 數據傳輸
? 超連續譜生成
最后，以其他形式生成輸出的演示：
o 將計算結果報告為網頁
單擊鏈接以獲取詳細信息
隨軟件提供更多演示文件（總共超過60個）。作為用戶，您只需復制演示腳本并根據需要進行修改即可。但是，您也可以使用交互式表單輕松生成新腳本。
視頻演示
RP Fiber Power視頻演示
視頻演示
請注意，不幸的是視頻有點過時了 - 我們太努力改進軟件，以至于沒有時間保持視頻的最新狀態！
首先，有一個介紹性視頻，在大約15分鐘內概述所有功能。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件---簡介
另請參閱我們關于計算機模擬如何使您的激光開發更高效的詳細介紹：
快速瀏覽視頻
視頻讓您快速瀏覽整個RP Fiber Power V6軟件：如何計算光纖模式，數值模擬光束傳播，光纖放大器或激光器建模，模擬超短脈沖的傳播，以及如何利用其巨大的靈活性 內置腳本語言。 您還可以在方便的用戶界面上留下印象。 只需點擊下面的圖片，等待幾秒鐘。
不幸的是，我們還沒有時間為V7更新這個視頻，它有很多不錯的新功能：大大改進的腳本編輯器，代碼調試器，語法檢查器，腳本重新格式化等。
請注意，我們的演示頁面提供了各種其他演示視頻，可以解決軟件的更多特定方面。
應用
RP Fiber Power可用于分析和優化各種器件：
器件
應用示例
單模和多模光纖
計算模式屬性，如振幅分布，有效模式區域，有效指數，色散; 計算光纖耦合效率; 模擬彎曲，非線性自聚焦或增益引導對光束傳播的影響，高階孤子傳播
光纖耦合器，雙包層光纖，多芯光纖，平面光波電路
模擬雙包層光纖中的泵浦吸收，研究光纖耦合器中的光束傳播，錐形光纖中的光傳播，分析彎曲的影響，放大器中的交叉飽和效應，泄漏模式等。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件---特征
關鍵特征
最新版本（V7）的主要特征是：
模式求解器
該軟件包含一個有效的模式求解器，它可以從給定的徑向對稱折射率分布計算所有傳導光纖模式的幅度分布，有效模式區域，截止波長，傳播常數，群速度和色散。 這對于具有無源和有源光纖的模型非常有用 - 即使對于具有數百種模式的情況也是如此。
示例案例展示了如何分析漸變折射率光纖的模式，或模擬將光發射到多模光纖中。
另請參閱我們的模式求解器演示視頻。
數值光束傳播
由于V5，RP光纖功率可以通過具有任意弱導折射率分布的光纖或其他波導傳播具有任意復振幅分布的光場。 光纖可以彎曲（具有任意變化的彎曲半徑），錐形，表現出隨機指數變化等等 - 對于廣泛的研究課題存在大量機會。
示例案例展示了關于未對準輸入光束的光演變，雙包層光纖中的泵浦吸收以及光纖錐形區域中光的行為的研究。
請參閱我們的演示視頻了解數值光束傳播。
方便的交互式光束分布查看器使您可以輕松檢查任何計算出的光束分布。
激光活性離子
通常，人們使用相對簡單的標準增益模型。 然而，對于更復雜的激光離子，用戶可以自由地定義激光活性離子的能級方案和引起這些能級之間躍遷的各種過程。 因此，該軟件適用于任何可能的激光離子（Nd3 +，Yb3 +，Er3 +，Tm3 +，Pr3 +，......）和泵浦方案。 它甚至可以處理具有不同離子種類組合的情況（例如Yb3 +和Er3 +）或具有復雜的淬火過程。 它還可以描述各種類型的上轉換激光器。
多泵浦波，信號和ASE
您可以為泵浦波，信號和放大自發輻射（ASE）定義大量所謂的光學通道。 每個通道可以表示單個傳播模式或一些（可能是大的）模式集合。 您可以自由定義其橫向強度分布，或者僅使用計算光纖模式的模式強度分布。 該軟件還適用于基于雙包層光纖的建模設備。
展開 RP系列 激光分析設計軟件
幫助評估和排除光纖激光器和放大器中各種不利的影響；能夠對有源光纖器件性能進行預測；能尋找最佳光纖長度、摻雜濃度、折射率分布等；能夠計算摻雜濃度與光線的關系，準確模擬雙包層光纖，還可以模擬時域動態變化，可以理解和優化的細節如功率效率和噪聲系數。
RP Fiber Power可用于分析和優化各種器件：
單模和多模光纖
計算模式特性；計算光纖耦合系數；模擬光纖彎曲、非線性自聚焦效應對光束傳輸和高階光孤子傳輸的影響。
光纖耦合器、雙包層光纖、多芯光纖、平面波導
模擬雙包層光纖的泵浦吸收,光纖耦合器的光束傳輸, 光在錐形光纖的傳輸, 分析彎曲的影響, 放大器中的交叉飽和影響, 泄漏模式等。
光纖放大器
研究單級和多級放大器中的增益飽和特性(連續或脈沖放大器), 鉺鐿共摻光纖放大器能量轉移過程、猝滅效應、自發輻射放大等。
光纖通信系統
分析色散與非線性信號失真，放大器噪聲的影響，優化放大器非線性效應和放置位置。
光纖激光器
分析并優化能量轉換效率、波長調諧范圍、動態調Q。
展開 RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器設計第六部分
圖 1： 基于雙包層光纖的包層泵浦光纖放大器。信號光射入摻雜纖芯，泵浦光射入內包層。芯為 D 形，可更有效地泵吸。
優化泵吸收
所提到的注入泵浦包層（而不是直接進入纖芯）的泵浦光的吸收減少會導致缺點，如下面更詳細討論的。因此，最大化雙包層光纖中的泵浦吸收通常是有益的。
一種直接的方法是使泵包層盡可能小。當然，這增加了對泵浦光束質量的限制。數值孔徑（即泵浦包層和外包層之間的折射率對比）越高，該問題就越不嚴重。
另一種方法是使摻雜光纖纖芯盡可能大，從而減小泵浦包層與纖芯的面積比。限制通常是由需要穩健的單模信號傳播來設定的，這對于大纖芯來說更加困難（參見關于大模面積光纖的百科全書文章）。有時，人們接受具有多個導模，盡管這使得獲得高光束質量的信號輸出變得更加困難，并且還可能導致在高功率水平下的某些模式不穩定性。
其次，可以最大化纖芯的摻雜濃度。但是，這是有限制的；在高摻雜濃度下，有害的猝滅效應變得太強，對于高功率操作，每米光纖的功率耗散可能會過高。
圖 2： 泵浦光沿帶有圓形泵浦包層的雙包層光纖的幅度分布。使用RP Fiber Power軟件完成的數值模擬表明，泵浦強度分布在核心區域形成了一個“洞”。剩余的泵浦光表現出相當不完全的吸收。例如，使用 D 形磁芯可以減輕這種影響。
一些雙包層光纖的一個令人討厭的問題是，泵浦吸收甚至比僅考慮上述面積比所預期的還要差。這是因為對于泵包層的不同模式，與纖芯的重疊是完全不同的。其中一些與核心幾乎沒有重疊，因此僅表現出非常弱的泵吸吸收。經過一段光纖長度后，可能僅在這些模式下留下大量泵浦功率，并且使光纖更長沒有太大幫助（參見圖 2）。一些泵浦包層模式的吸收比平均值好得多也無濟于事，因為超過 100% 的吸收無論如何是不可能的。
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