光纖激光器仿真的案例
基于光纖環(huán)形激光器的optisystem仿真及其傳感應(yīng)用
近年來(lái)，光纖傳感器在航空航天領(lǐng)域，工業(yè)制造，醫(yī)療等領(lǐng)域引起了越來(lái)越多的關(guān)注，因?yàn)樗麄凅w積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，抗電磁干擾強(qiáng)，防腐性能好的特點(diǎn)。各種各樣的傳感器結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出來(lái)，以便于提高傳感的靈敏度和精確性。比如FP，MZI，Sagnac環(huán)，各種FBG等結(jié)構(gòu)。
但是，對(duì)著需求的提高，上述結(jié)構(gòu)的傳感器的性能通常是有限的，需要進(jìn)一步改進(jìn)。為了滿足高信噪比和窄3db帶寬的要求，光纖環(huán)形激光傳感器系統(tǒng)近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。由于激光器天然的高信噪比和高靈敏度，微小的擾動(dòng)均能夠極大的影響激光輸出的穩(wěn)態(tài)平衡，因此，將不同結(jié)構(gòu)的傳感頭結(jié)合到光纖激光器中，可以實(shí)現(xiàn)將微小信號(hào)放大的作用，可以進(jìn)一步提高光纖傳感器的靈敏度。
OptiSystem是一個(gè)光通信系統(tǒng)仿真包，用于設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化廣譜光網(wǎng)絡(luò)物理層中幾乎任何類型的光鏈路，從模擬視頻廣播系統(tǒng)到洲際骨干網(wǎng)絡(luò)。其對(duì)放大器和激光器(EDFA, SOA, Raman, Hybrid, GFF優(yōu)化，光纖激光器)仿真的支持滿足了我們通過(guò)改變特點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行光纖傳感仿真的需求。圖1表明了optisystem對(duì)于光纖環(huán)形腔基本結(jié)構(gòu)的仿真。
圖1，光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)
已經(jīng)通過(guò)對(duì)多種結(jié)構(gòu)的光纖激光器的實(shí)現(xiàn)了仿真：
方案一雙向環(huán)形泵浦振蕩器，可利用信號(hào)發(fā)生器調(diào)制不同相位差的光路實(shí)現(xiàn)鎖模。
方案二單向環(huán)形泵浦振蕩器，可利用信號(hào)發(fā)生器調(diào)制不同相位差的光路實(shí)現(xiàn)鎖模。雙向方式的輸出功率大于單向環(huán)形泵浦振蕩器。主要原因是雙向?qū)诫s離子的利用率最高，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)水平低于單向方式。
方案三單向激光器，利用CW laser作為種子光源，優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是輸出效率低，需要較長(zhǎng)的摻雜光纖和較高的泵浦源。
展開(kāi) 光纖激光器設(shè)計(jì)軟件 | RP Fiber Power 仿真環(huán)形腔光纖激光器模型
今天講講在 RP Fiber Power 里面仿真環(huán)形腔光纖激光器。首先，RP Fiber Power 里面有單位的定義和光譜數(shù)據(jù)的集合文件（根據(jù)需求也可以自定義），我們可以直接調(diào)用；然后，定義光纖的結(jié)構(gòu)，信道等基本參數(shù)和模型的搭建；最后，使用自帶的函數(shù)和命令，顯示想要輸出的數(shù)值結(jié)果和圖形輸出。下圖顯示了環(huán)形腔摻Y(jié)b光纖激光器的模擬結(jié)果。
（1）光纖中不同位置處的功率分布情況
（2）輸出功率隨輸入功率變化情況
（3）不同光纖長(zhǎng)度下的功率分布情況
（4）徑向函數(shù)圖
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RP 系列 激光分析設(shè)計(jì)軟件
展開(kāi) RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—放大器的動(dòng)態(tài)仿真
該模型采用RP Fiber Power 軟件對(duì)一定輸入功率下光纖放大器的動(dòng)態(tài)仿真。
采用摻釔光纖放大器的簡(jiǎn)單模型。對(duì)于光纖的起始點(diǎn),設(shè)定具有一定泵浦與信號(hào)功率的穩(wěn)定狀態(tài)。然后設(shè)定超高斯型的信號(hào)脈沖,占有絕大部分能量。由于在放大期間,增益突然急劇下降,輸出脈沖的形狀本身存在畸變。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—摻釔光纖激光器
該范例為摻釔光纖激光器的簡(jiǎn)單模型。泵浦與信號(hào)光均在單模光纖內(nèi)傳輸。
腳本程序中，通過(guò)插入對(duì)象函數(shù)set＿R（），將放大器模型轉(zhuǎn)換為激光器模型。設(shè)定光纖左端面對(duì)信號(hào)光（激光）全反射（光纖布拉格光柵效應(yīng)），輸出光纖端面具有4％的反射率（裸纖端面的菲涅爾反射效應(yīng)）。
在模型中需簡(jiǎn)單定義激光波長(zhǎng)。若無(wú)定義波長(zhǎng)的光學(xué)組件，激光器通常輸出增益更大的工作波長(zhǎng)。這是一個(gè)非常復(fù)雜的范例，可自動(dòng)計(jì)算激光輸出波長(zhǎng)。
Yb fiber laser ．cf ．fpw 包含用戶自定義項(xiàng)，可靈活編輯輸入?yún)⒘俊?/span>
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RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件一腳本語(yǔ)言20 動(dòng)態(tài)仿真
20 動(dòng)態(tài)仿真
RP Fiber Power可以模擬有源光纖系統(tǒng)的時(shí)間演化。前面討論了一些基本問(wèn)題和兩種不同的數(shù)值模型。下面介紹了如何用RP Fiber Power實(shí)現(xiàn)這些模型：
一、首先，我們需要確定光纖的初始狀態(tài)，即仿真開(kāi)始時(shí)的電子激發(fā)。為此，我們通常首先用通常的方法計(jì)算穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)。例如，考慮一個(gè)具有連續(xù)泵浦和低重復(fù)率的強(qiáng)信號(hào)脈沖放大的光纖放大器。在這種情況下，模擬一定泵浦功率但信號(hào)功率為零的穩(wěn)態(tài)情況。這同樣適用于調(diào)Q激光器：初始狀態(tài)可以作為無(wú)激光泵浦的穩(wěn)態(tài)。
當(dāng)然，您也可以在另一個(gè)動(dòng)態(tài)仿真之后進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，從該仿真的最終狀態(tài)開(kāi)始。
二、接下來(lái)，我們必須定義與時(shí)間相關(guān)的輸入功率。對(duì)于具有時(shí)間依賴性輸入的每個(gè)光信道，進(jìn)行一個(gè)函數(shù)調(diào)用，如set_P_in_dyn(signal, 'P_s_in(t)')。這將為某些光信道的時(shí)間相關(guān)輸入功率分配一個(gè)表達(dá)式（此處為函數(shù)）。也可以直接輸入一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的項(xiàng)；例如：set_P_in_dyn(ch, 'exp(-(t / 5e-9)^2)')。（稍后可以使用空字符串的調(diào)用來(lái)抑制對(duì)未來(lái)仿真的時(shí)間依賴性，并將輸入功率設(shè)置為0。）
三、 如果光纖端面的反射率也與時(shí)間有關(guān)（如調(diào)Q激光器中的情況），則可通過(guò)諸如set_R_dyn(signal, 'R1(t)','R2(t)')等函數(shù)調(diào)用來(lái)定義。這將為光纖兩端的時(shí)間相關(guān)反射率分配兩個(gè)先前定義的函數(shù)。
四、 諧振腔內(nèi)的時(shí)間依賴性局部損耗（光纖的左側(cè)和右側(cè)）可通過(guò)set_loss_int_dyn(signal, 'l1(t) ', 'l2(t) ')來(lái)定義。這將為這些損耗分配兩個(gè)時(shí)間相關(guān)函數(shù)（值介于0和1之間）。例如，該函數(shù)可用于模擬有源Q開(kāi)關(guān)。
展開(kāi) RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—摻銩上轉(zhuǎn)換光纖激光器
該模型表明,RP Fiber Power軟件如何對(duì)含有復(fù)雜能級(jí)結(jié)構(gòu)的激光器或放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。
設(shè)定光纖激光器具有以下特性:
光纖為氟鋯酸鹽玻璃,摻雜銩離子。由于ZBLAN玻璃的低聲子能量,3H4和3F2為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。(未被多聲子躍遷所猝滅)
銩離子在吸收3個(gè)1140nm泵浦聲子后被激發(fā)至高電子能級(jí)。由高能級(jí)受激輻射至基態(tài),并產(chǎn)生480nm的藍(lán)光。
光纖左端面為全反射鏡,右端面為反射率為60%的輸出耦合鏡。
模型所采用的光譜數(shù)據(jù)源于文獻(xiàn):“R． Paschotta et al．, Characterization and modeling of thulium:ZBLAN blue upconversion fiber lasers”, J． Opt． Soc． Am． B 14 (5), 1213 (1997)．
展開(kāi) RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)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(fā)鉺離子與釔離子。鉺離子的激活能量轉(zhuǎn)移至鉺離子。
此類激光器也可在無(wú)釔離子情況下運(yùn)行,可通過(guò)設(shè)置釔離子的濃度為0即可。然而,此時(shí)泵浦吸收非常有限,導(dǎo)致輸出功率較低。(由于光纖長(zhǎng)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(zhuǎn)換效率極大增加。然而,在高泵浦功率下,能量轉(zhuǎn)移效率達(dá)到極限,限制了輸出功率。
光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—摻釔光纖激光器，自動(dòng)解算輸出波長(zhǎng)
該范例為摻釔光纖激光器模型,可自動(dòng)計(jì)算激光器輸出波長(zhǎng)。因此,需定義多個(gè)信道,波長(zhǎng)間隔為5nm,軟件將分析給定條件下哪個(gè)信道輻射激光。(兩個(gè)信道具有相似增益的情況下將出現(xiàn)問(wèn)題)
腳本程序設(shè)定了laser_wavelength()用戶自定義函數(shù),分析輻射信道,通常此信道具有較高的輸出功率。
圖3中可新奇的觀察到光纖長(zhǎng)度的變化。對(duì)每一點(diǎn)需重新計(jì)算激光器波長(zhǎng),確實(shí)發(fā)生了變化。對(duì)于短光纖,975nm處出現(xiàn)激光輻射,發(fā)射截面較大。然而,對(duì)于長(zhǎng)光纖,激光波長(zhǎng)突然跳轉(zhuǎn)至1030nm,發(fā)射長(zhǎng)波長(zhǎng)激光,這主要由于975nm的激光的二次吸收(此處具有較高的吸收截面)。這一特性為三能級(jí)激光系統(tǒng)的顯著特征。
展開(kāi) RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—光纖耦合器
原則上，可研究任意折射率分布光纖內(nèi)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(duì)較近，光線可由一根光纖遂穿到另外一根光纖纖芯內(nèi)。光線由其中一個(gè)端口入射，可分析不同波導(dǎo)距離，耦合長(zhǎng)度，波長(zhǎng)下的傳輸特性。
圖1為折射率分布，用于說(shuō)明是否為所設(shè)定的耦合結(jié)構(gòu)。
圖2為yz平面內(nèi)的場(chǎng)分布，可分析光功率如何耦合至相鄰波導(dǎo)的過(guò)程。
圖3為其中一個(gè)輸出端口下光束的分布。
圖4為耦合強(qiáng)度與耦合區(qū)兩纖芯距離的關(guān)系；
圖5為耦合強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系。短波長(zhǎng)表現(xiàn)弱耦合，隱逝場(chǎng)較弱。由于光耦合返回至初始波導(dǎo)中，彎曲損耗逐漸增加，在再次減弱前，長(zhǎng)波長(zhǎng)表現(xiàn)強(qiáng)耦合特性。
需指出，該程序分別定義了不同的波長(zhǎng)通道，用戶可在后期詳細(xì)研究各通道光束的分布，以及耦合區(qū)光束的分布特性。
展開(kāi) RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)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(shè)定泵浦光在多模雙包層光纖內(nèi)包層傳輸,信號(hào)光在單模纖芯內(nèi)傳輸。泵浦功率增加至10W。若泵浦吸收急劇減弱,可采用長(zhǎng)光纖,選擇975nm為泵浦波長(zhǎng),增加摻雜濃度。
該模型已隱含假設(shè),橫向泵浦強(qiáng)度分布在傳播過(guò)程中為常量。這需要光纖中極強(qiáng)的模態(tài)混疊,可將光纖呈徑向?qū)ΨQ設(shè)計(jì)。
此案例中未考慮放大的自發(fā)輻射。因此,若降低輸入信號(hào)功率,單通道增益較高,模式失效。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—摻鉺光纖放大器的淬滅效應(yīng)
該范例與自發(fā)輻射放大的摻鉺放大器的腳本程序相似,對(duì)于鉺離子采用了更復(fù)雜的模型,并包括上轉(zhuǎn)換效應(yīng)。激光上能級(jí)離子躍變相互作用,其中一個(gè)離子躍遷至基態(tài),而另外一個(gè)離子躍遷至高能態(tài),瞬間返回至初始能級(jí)。實(shí)際上,破壞一個(gè)激發(fā)躍遷,整個(gè)光放大也會(huì)稍微減少。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—摻釔光纖放大器
（備注：若采用無(wú)源光纖，則該文件及以下案例文件將無(wú)法運(yùn)行。）
該程序有助于學(xué)習(xí)軟件基礎(chǔ)操作。設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的摻釔光纖放大器。
泵浦光與信號(hào)光均在單模光纖內(nèi)傳輸。每列波象征一個(gè)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(fā)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(guān)系曲線。
信號(hào)輸出功率與泵浦功率，或信號(hào)輸入功率，或光纖長(zhǎng)度的函數(shù)關(guān)系。
橫向與徑向分布取決于摻雜與強(qiáng)度分布。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—光纖放大器，深摻雜分布
該范例為單模光纖放大器腳本程序的修改版。設(shè)定激光活性釔離子的摻雜濃度在光纖纖芯內(nèi)深摻雜。在光纖制造技術(shù)中可出現(xiàn)此類情況。
程序代碼中,修改非常簡(jiǎn)單,對(duì)三個(gè)相似的函數(shù)對(duì)象,設(shè)定三種不同摻雜濃度,取代范例中的單對(duì)象add_ring()函數(shù)。
?RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—多模光纖放大器
考慮多模光纖，并給定折射率分布及Yb的摻雜分布。腳本程序首先計(jì)算了傳導(dǎo)信號(hào)模式。其次，定義了抽運(yùn)信號(hào)（設(shè)定抽運(yùn)功率集中于LP01模），信號(hào)光的波長(zhǎng)及其導(dǎo)波模式（忽略偏振態(tài)的差異）。
圖1為徑向模式函數(shù)曲線，表現(xiàn)了每個(gè)模式的增益。
圖2為所有信道功率的變化。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—摻鍺光纖的模式特性
該程序是用于計(jì)算光纖模式特性較為復(fù)雜的案例。采用摻鍺的多模光纖,一定鍺濃度下超高斯橫向分布。纖芯折射率位于硅與鍺之間,取決于鍺含量。硅與鍺的折射率可由Sellmeier定理計(jì)算,與波長(zhǎng)有關(guān),需要進(jìn)行色散計(jì)算。模式求解方法(2．5節(jié))提供了相關(guān)函數(shù),可計(jì)算所有模式的有效折射率、群折射率、群速度色散等。
