光纖器件設計軟件的案例
RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器設計第五部分
下一期講解第 6 部分：用于大功率操作的雙包層光纖
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武漢墨光是光機電領域優質服務商，提供 SYNOPSYS?鏡頭設計軟件、ASAP高級光學系統分析軟件、APEX光機系統分析與設計軟件、JCMsuite 納米光學仿真分析軟件、PCGrate 光柵設計軟件、RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件、Mathematica 科學計算軟件 等產品的推廣、銷售、咨詢、培訓、技術支持、軟件二次開發及解決方案等服務，輔助高校教學科研、研究所進行高端技術研發以及光機電廠商利用光學軟件研發各領域的光學器件與光機系統，在最短時間內完成量產并獲利。
展開 光纖激光器設計軟件 | RP Fiber Power 的軟件界面
下圖給出了自定義表單模式下的主動調 Q Nd:YAG 激光器案例設計。
（h）Custom form下的主動調 Q Nd:YAG 激光器案例設計
總的來說，RP Fiber Power已經是一款具有強大優化功能和高效計算能力的光纖激光器及光纖器件設計軟件，歡迎大家前來咨詢和討論。
光纖激光器設計軟件 | RP Fiber Power 的軟件界面
下圖給出了自定義表單模式下的主動調 Q Nd:YAG 激光器案例設計。
（h）Custom form下的主動調 Q Nd:YAG 激光器案例設計
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下一期講解第 10 部分：多級光纖放大器
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這些例子已經表明，信號重吸收和泵浦飽和效應對光纖放大器都有很大的影響，因此在將一些基本的教科書知識用于其他放大器系統時可能會完全誤導，而這些影響可以忽略不計。
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下一期將講解第 2 部分：增益和泵吸收
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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---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。）
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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——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．
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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?？梢杂胁煌愋偷妮斎霗冢?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——建模原理10
例如，對于許多摻鐿和摻鉺光纖來說，這一假設已得到很好的滿足，但對于某些摻釹石英光纖，這一假設并未得到很好的滿足。由于各種原因，很難模擬這種情況。即使軟件能做到這一點，也很難獲得相應的光譜數據。
空間燒孔效應作為非均勻展寬的另一個可能來源也被忽略了。
在典型情況下，光纖激光器的發射帶寬使得空間燒孔效應非常微弱，可以安全地忽略。
假設光通道在光纖中傳輸時保持給定的強度形狀。
如果一個信道對應于某個光纖模式，這個假設通常會得到很好的滿足。然而，如果一個通道由多個模式組成，那么它的強度分布實際上可能會隨著模式上的功率分布的變化而變化；那么，這一假設可能無法很好地實現。這可能是包層泵浦光纖的一個問題，當假設泵浦通道有一個簡單的頂帽強度分布，由許多模式組成。
還要注意，模式耦合效應可能在某些情況下發生，例如光纖的強彎曲。這種效應不能用軟件模擬。
不同通道對應的強度只是簡單地相加，隱含地假設它們之間沒有相干。
對于寬帶信號，這一假設已得到很好的滿足。然而，在某些情況下，這種假設可能是無效的——例如，當一個單頻信號注入多模光纖中，從而激發多個模式時。它們的相互相干會導致干擾效應，建模當然需要知道模式的相關相位。
光纖中的非線性光學效應（如受激拉曼和布里淵散射）被忽略（超短脈沖模擬除外）。
這對大多數使用連續波輸入的光纖激光器和放大器都是有效的。對于脈沖器件，可能存在非線性效應，從而改變其性能。軟件不能在動態計算中考慮這些因素，但它允許檢查是否進入這種非線性狀態——例如，通過計算光功率的拉曼增益。
在每個斯塔克能級流形中，激光活性離子的粒子數分布始終處于熱平衡狀態。
這一假設通常在穩態情況下得到很好的滿足，但在某些動態情況下（極短和強脈沖的放大），這可能是錯誤的。
對于模式求解器，假設光纖具有弱導性，即折射率對比度不過高。
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