光子晶體激光器設計的案例
基于Lumerical fdtd進行無序光子晶體波導的仿真設計及優化
光子晶體是一類通過不同折射率介質周期性的排列而形成的具有光波長量級的周期性人工微型結構，相比于傳統晶體來說，由于介電函數的周期性分布，光子晶體也會產生一些類似于傳統晶體的帶隙，使光局域在帶隙中無法傳播。我們在完整的光子晶體陣列中引入線缺陷可以構造出光子晶體波導，光子波導由于傳播低損耗和體積小等優點廣泛應用于器件之后，在未來光通信領域有很大的前景。光子晶體在實際制備過程中由于不可避免的無序效應而使自身的傳輸特性受到影響，甚至降低其光學器件的性能，但是在光子器件、隨機激光器、太陽能電池等應用領域有著廣泛的應用前景。因此，研究無序光子晶體結構中光傳輸特性，實現對無序光子晶體的光傳輸特性的有效應調控，這無論在理論上還是應用上都具有非常深遠的意義。
當光機晶體波導里面有缺陷時，通過介質傳播的波會經歷多次散射。當波長大于散射中心的大小時，散射體間距離相對較大，稱為弱散射。 在弱散射狀態下，波傳播是一個擴散過程，我們可以用散射之間的平均自由程L或擴散常數ξ來描述。如果散射量足夠大，則擴散常數ξ消失，波傳播可以完全停止。這種現象被稱為安德森局域化。光子晶體在制作過程中難免會出現結構的不理想以及缺陷，這種情況被叫做結構無序，結構無序主要有空氣孔大小無序、位置無序和旋度無序三種情況。在這里，我們采用FDTD solutions軟件研究在單光子源入射的情況下，五邊形光子晶體波導的光傳輸特性隨無序程度變化的情況，進而得出無序效應對二維光子晶體光傳輸特性的影響，證明6%無序度的五邊形氣孔的六邊形光子晶體波導具有引人注目的光傳輸性質。
在這項工作中，六邊形光子晶體晶格結構采用如圖1所示的五邊形氣孔形狀。我們在七排光子晶體中部引入線缺陷，同時在線缺陷兩端設計三排五邊形氣孔的光子晶體，其他最外面三排設計成圓柱形氣孔的光子晶體。采用偶極子光源充當量子點。
展開 基于Lumerical的光子晶體諧振腔濾波器仿真模擬
波分復用技術是大容量光纖通信網絡的關鍵技術，而濾波器是實現波分復用的關鍵器件。教程介紹利用FDTD搭建二維光子晶體諧振腔濾波器模型，并通過仿真求解特定尺寸構型下的諧振腔共振模式以及帶寬等參數。本案中仿真260nm厚度下的嵌有三角晶格陣列的納米孔二維光子晶體諧振腔，仿真波長1000~1400nm。
1. 構建模型
添加三角晶格的納米孔：
納米孔的構造通過structure腳本實現。此處略去了中心兩圈的納米孔，引入光子晶體缺陷，從而有效形成諧振腔。三角晶格常數為366nm。孔半徑為135.42nm。
2. 添加網格
設置網格參數，如下圖所示：
注意本案中由于采用三角網格，便于操作與剖分，將默認正方網格屬性更改為菱形，如下
點擊該控件，繼續編輯，參數設置如下
60是設置相交的兩條網格線的夾角，從而形成菱形。注意網格尺寸這里與晶格大小保持一致，均為366nm。
3. 設置仿真區域FDTD
點擊控件region，添加FDTD區域
設置FDTD參數，如下
上圖FDTD 邊界條件設定中，特定在 z min bc 處設為symmetry，對稱模式，因為整個模型在z方向是對稱的，因此為了節約計算機仿真時間，可以這樣便捷設定。
4. 添加偶極子云dipole cloud
Lumerical 一大優勢是很多分析方法可以通過代碼實現。上述控件添加了交互界面，實現偶極子云的添加，輸入光源。通過對話框輸入可編輯變量，變量的屬性，變量的值等。這些變量后續在代碼中需要調用。注意這里的偶極子位置是隨機分布的，通過運行生產代碼，從而形成偶極子云。
5.
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—摻釔光纖激光器
該范例為摻釔光纖激光器的簡單模型。泵浦與信號光均在單模光纖內傳輸。
腳本程序中，通過插入對象函數set＿R（），將放大器模型轉換為激光器模型。設定光纖左端面對信號光（激光）全反射（光纖布拉格光柵效應），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）。
在模型中需簡單定義激光波長。若無定義波長的光學組件，激光器通常輸出增益更大的工作波長。這是一個非常復雜的范例，可自動計算激光輸出波長。
Yb fiber laser ．cf ．fpw 包含用戶自定義項，可靈活編輯輸入參量。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—摻銩上轉換光纖激光器
該模型表明,RP Fiber Power軟件如何對含有復雜能級結構的激光器或放大器進行設計。
設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為亞穩態能級。(未被多聲子躍遷所猝滅)
銩離子在吸收3個1140nm泵浦聲子后被激發至高電子能級。由高能級受激輻射至基態,并產生480nm的藍光。
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據源于文獻:“R． Paschotta et al．, Characterization and modeling of thulium:ZBLAN blue upconversion fiber lasers”, J． Opt． Soc． Am． B 14 (5), 1213 (1997)．
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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。
光纖激光器及激光器設計軟件—摻釔光纖激光器，自動解算輸出波長
該范例為摻釔光纖激光器模型,可自動計算激光器輸出波長。因此,需定義多個信道,波長間隔為5nm,軟件將分析給定條件下哪個信道輻射激光。(兩個信道具有相似增益的情況下將出現問題)
腳本程序設定了laser_wavelength()用戶自定義函數,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度的變化。對每一點需重新計算激光器波長,確實發生了變化。對于短光纖,975nm處出現激光輻射,發射截面較大。然而,對于長光纖,激光波長突然跳轉至1030nm,發射長波長激光,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)。這一特性為三能級激光系統的顯著特征。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—光纖耦合器
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—放大器的動態仿真
該模型采用RP Fiber Power 軟件對一定輸入功率下光纖放大器的動態仿真。
采用摻釔光纖放大器的簡單模型。對于光纖的起始點,設定具有一定泵浦與信號功率的穩定狀態。然后設定超高斯型的信號脈沖,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計軟件—摻釔光纖放大器
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 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 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 光纖激光器及激光器設計軟件—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。腳本程序首先計算了傳導信號模式。其次，定義了抽運信號（設定抽運功率集中于LP01模），信號光的波長及其導波模式（忽略偏振態的差異）。
圖1為徑向模式函數曲線，表現了每個模式的增益。
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計軟件一命令行參數
在Windows Explorer中雙擊腳本文件（擴展名.fpw）時，該腳本的名稱將作為命令行參數傳遞給軟件，從而使軟件打開加載該腳本的編輯器。同樣，可以從.fpi文件加載表單設置。如果命令行參數是文件夾，軟件將在該文件夾中啟動。從桌面文件RP_Fiber_Power-W.dsk中讀取設置，如果有的話。當桌面文件作為命令行參數傳遞時，也會發生同樣的情況。因此，您可以將桌面文件的圖標放在 RP Fiber Power 的快捷方式上，以便在其文件夾中啟動軟件。如果激活的文件名后面有/e，則可以立即執行該文件。
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三部分
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 3 部分。
第 3 部分：功率傳播或場傳播
我們現在需要考慮在模型中應該如何準確地表示光及其空間屬性。我們需要準確決定在數學方程和數值數據結構中使用哪些量。對于有效的解決方案，此選擇應視情況而定。
假設頂帽橫向輪廓
在最簡單的情況下，我們基本上可以忽略橫向尺寸，假設在橫向上是平頂強度分布：假設光均勻地填充纖芯（而不是超出它），我們只考慮由于放大、吸收或損耗，沿光纖的光功率。在方程中，我們有通道j的光功率P j ( z )，其中坐標z從 0 變化到L f，即有源光纖的長度。
人們通常為每個光通道使用一組簡單的功率值，其中我們有一定的存儲值的固定縱向間距。該間距應該足夠精細，以合理準確地表示變化的功率水平。該陣列可以有 51 個分量，例如，用于在z方向上實現 50 個數值步長。
僅在z方向傳播光功率相對簡單，至少僅用于單程。
z方向上光功率的變化可以用一個簡單的微分方程來描述：
其中g j (z) 是局部增益。（通常，信號通道在整個光纖中具有正增益值，而泵通道具有負值，表示吸收。）通常恒定的值α j表示光纖的附加背景損耗，例如由瑞利散射引起的。（在短放大器或激光光纖中，這通常可以忽略。）加號適用于前向傳播通道，減號適用于后向傳播通道。在動態模擬中（見第 6 部分），增益值會隨時間變化，例如由于飽和效應。
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