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在 這里 ， 我們 將 展示了如何利用 RP Fiber Power 來分析和優(yōu)化雙包層光纖設(shè)計(jì)。由于這涉及到一些復(fù)雜的細(xì)節(jié)，因此 RP Fiber Power 的 高度 靈活性對(duì)于 完成 這項(xiàng)任務(wù)至關(guān)重要。模型的描述 我們考慮將雙包層光纖用于 大 功率光纖激光器和放大器。

泵浦包層通常具有比光纖纖芯大得多的直徑和更高的數(shù)值孔徑，構(gòu)成多模波導(dǎo)，即使泵浦光束質(zhì)量不是很好，也可以輕松有效地將高功率泵浦光發(fā)射到其中。纖芯的折射率仍然高于泵浦包層的折射率，因此它支持單導(dǎo)模，有時(shí)甚至支持幾個(gè)模。射入泵浦包層的光也進(jìn)入光纖纖芯，在那里它可以被激光活性離子吸收。（請(qǐng)注意，泵浦包層是未摻雜的，因此那里沒有泵浦吸收。）

一般來說，數(shù)值光束傳播的計(jì)算工作量遠(yuǎn)高于簡(jiǎn)單的功率傳播算法，如上文所述，可以應(yīng)用于具有固定橫向強(qiáng)度分布的情況。此外，很難在激光諧振腔中找到自洽的解決方案（模式）。例如，仿真軟件通常只提供單程傳播，但不提供激光器自洽穩(wěn)態(tài)解的計(jì)算。關(guān)于雙包層光纖，我們已經(jīng)看到數(shù)值光束傳播可用于研究某些在簡(jiǎn)化模型中會(huì)被忽略的泵浦吸收現(xiàn)象，假設(shè)泵浦光的強(qiáng)度分布固定（例如，頂帽分布） .

研究了雙包層光纖內(nèi)泵浦光的吸收效應(yīng)。采用圓包層纖芯摻雜的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，也可選擇D形包層結(jié)構(gòu)，橫截面存在小部分?jǐn)鄬印A包層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)振幅。對(duì)于簡(jiǎn)單圓包層結(jié)構(gòu)，纖芯區(qū)域內(nèi)光束分布存在明顯的孔洞。 圖2為吸收后的強(qiáng)度分布。

（b）光纖耦合器，雙包層光纖，多芯光纖，平面光波導(dǎo) 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(yīng)，泄漏模式等。

在這些功率水平上，光纖非線性也不是問題。因此，脈沖失真很弱，并且在低脈沖重復(fù)率下功率效率較低——這對(duì)于低功率前置放大器通常無關(guān)緊要。順便說一句，該前置放大器的可實(shí)現(xiàn)增益受 ASE 限制，對(duì)于較短的信號(hào)波長(zhǎng)（例如 1030 nm）可能更高。對(duì)于第二階段，使用具有四倍大模式面積的雙包層光纖（見第 6 部分），因?yàn)橹涝鲆骘柡蜁?huì)很強(qiáng)，并且該階段不需要高增益效率。

光纖放大器的教程包含以下十個(gè)部分：1、光纖中的稀土離子2、增益和泵浦吸收3、穩(wěn)態(tài)的自洽解4、放大的自發(fā)發(fā)射5、正向和反向泵浦6、用于大功率操作的雙包層光纖7、納秒脈沖光纖放大器8、超短脈沖光纖放大器9、光纖放大器噪聲10、多級(jí)光纖放大器接下來是Paschotta 博士關(guān)于光纖放大器教程的第8部分：第八部分：超短脈沖光纖放大器

2022年，Liang等 采用對(duì) 包層進(jìn)行高折射率摻雜以及對(duì) 包層進(jìn)行深刻蝕的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖之間的耦合，耦合損耗同樣低于1 dB。2023年，Yu 和He 等人僅用1層 波導(dǎo)且不對(duì) 包層進(jìn)行高折射率摻雜和深刻蝕的端面耦合器，分別在鈮酸鋰波導(dǎo)體系和三五族波導(dǎo)體系中完成了光纖耦合，其耦合損耗分別達(dá)到了0.75 dB和1.175 dB。

為什么 ASE 的功率和光譜形狀強(qiáng)烈依賴于傳播方向？為什么 ASE 經(jīng)常限制可實(shí)現(xiàn)的放大器增益？05第五部分：向前和向后泵送正向和反向抽吸的優(yōu)點(diǎn)和問題是什么？在哪些情況下會(huì)影響功率轉(zhuǎn)換效率或放大器噪聲水平？ 06第六部分：用于大功率運(yùn)行的雙包層光纖包層泵送是如何工作的？為什么它會(huì)導(dǎo)致泵吸收不完全的問題，以及如何緩解這些問題？

需要不同的泵送選項(xiàng)當(dāng)使用如上所述的兩種不同光纖時(shí)，可能希望通過將光纖直接泵入纖芯來最小化前置放大器的泵浦功率。在低功率水平上，這很容易做到，例如使用光纖耦合二極管激光器和二向色光纖耦合器。但是，該選項(xiàng)可能不適合最終需要的高功率；在那里，人們想做包層泵浦，即將泵浦光注入雙包層光纖的泵浦包層（見第 6 部分）。顯然，當(dāng)使用具有相應(yīng)不同光纖的兩個(gè)不同放大器級(jí)時(shí)，這至少更容易。

一般來說，CE是一個(gè)復(fù)數(shù)，所以耦合功率實(shí)際上是： 因此，我們要想精確的計(jì)算光纖耦合，需要在光纖入口的后面放置一個(gè)分析面來保證該表面的反射系數(shù)能夠準(zhǔn)確的納入考慮之中。 非常重要的是，分析面是大于我們所期望的基模的模場(chǎng)直徑(MFD)，以便進(jìn)行精確的重疊積分。同樣重要的是，我們應(yīng)該意識(shí)到數(shù)值積分的精確性依賴于分析面中劃分網(wǎng)格的數(shù)目。

光纖放大器的教程包含以下十個(gè)部分： 1、光纖中的稀土離子 2、增益和泵浦吸收 3、穩(wěn)態(tài)的自洽解 4、放大的自發(fā)發(fā)射 5、正向和反向泵浦 6、用于大功率操作的雙包層光纖 7、納秒脈沖光纖放大器 8、超短脈沖光纖放大器 9、光纖放大器噪聲

在Z=1.86mm位置處：光纖耦合vs水平方向旋轉(zhuǎn) 結(jié)束語 在本文中，F(xiàn)RED展現(xiàn)出了從激光二極管到光纖耦合準(zhǔn)確計(jì)算的能力。其計(jì)算結(jié)果與激光二極管生產(chǎn)商提供的耦合信息一致。FRED的相干傳輸能力以及高散射相干的精確定義對(duì)于這種類型問題的仿真是很關(guān)鍵的。 本例系統(tǒng)數(shù)據(jù)(單位是mm)

在這里，我們可以從泵輸入端開始，估計(jì)該點(diǎn)的正向信號(hào)功率值。然后我們將泵浦、前向和后向信號(hào)功率傳播到另一端。前向和后向信號(hào)功率的關(guān)系以及該端信號(hào)波的反射率告訴我們使用的估計(jì)值是太高還是太低。圖 4 顯示了一個(gè)示例案例的結(jié)果。對(duì)于左端 148 mW 的信號(hào)功率，右端的信號(hào)功率與選擇的 10% 的輸出耦合器反射率一致。圖 4： 摻鐿光纖激光器中的泵浦和信號(hào)功率。

下一期講解第 6 部分：用于大功率操作的雙包層光纖 ●RP系列 激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 光纖放大器設(shè)計(jì)第四部分 ●RP系列 激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 光纖放大器設(shè)計(jì)第三部分 ●RP系列 激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 光纖放大器設(shè)計(jì)第二部分 ●RP系列 激光分析設(shè)計(jì)軟件 |

圖1.光纖耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光纖耦合器系統(tǒng)由三部分組成：①：基于Mitsubishi(三菱) ML725C8F系列的高發(fā)散的像散激光二極管光源；②：直徑1.5mm的BK7球透鏡，是ML725C8F二極管封裝的一部分；③：模擬單模光纖的纖芯、包層和光纖涂層。分析表面位于光纖接口的正后方，可用于計(jì)算入射到光線模型的總功率與光纖基模的耦合效率。基本參數(shù)如下圖2所示。

基于折射率匹配包層的端面耦合器基于折射率匹配包層的端面耦合器的結(jié)構(gòu)如圖7所示，與SiO2包層下的Si層不同，它通常使用SiN，SiON和聚合物等其他類型的材料來設(shè)計(jì)光纖纖芯和硅波導(dǎo)的折射率，當(dāng)匹配包層的折射率接近光纖纖芯的折射率時(shí)可以減少失配。 圖7 基于折射率匹配包層的端面耦合器4.

在 Q 開關(guān)打開（透明）之前，ASE 導(dǎo)致有源光纖內(nèi)的光功率分布非常不均勻（處于相當(dāng)?shù)偷乃剑Ｈ绻?Q 開關(guān)很快打開，那么不均勻的功率分布開始在諧振器周圍傳播，在輸出端產(chǎn)生尖峰結(jié)構(gòu)。細(xì)細(xì)想來，細(xì)節(jié)就能明白，但在這些高增益的情況下肯定會(huì)更復(fù)雜——當(dāng)然，更需要對(duì)這個(gè)數(shù)字進(jìn)行研究。人們還可以研究諸如 Q 開關(guān)的有限切換時(shí)間等方面。

基于折射率匹配包層的端面耦合器基于折射率匹配包層的端面耦合器的結(jié)構(gòu)如圖7所示，與SiO2包層下的Si層不同，它通常使用SiN，SiON和聚合物等其他類型的材料來設(shè)計(jì)光纖纖芯和硅波導(dǎo)的折射率，當(dāng)匹配包層的折射率接近光纖纖芯的折射率時(shí)可以減少失配。 圖7 基于折射率匹配包層的端面耦合器4.

氣隙的影響在基于光纖耦合器的機(jī)械接頭和連接中，可以在兩個(gè)端面之間形成微小的氣隙。人們可能會(huì)認(rèn)為這會(huì)通過端面的菲涅耳反射導(dǎo)致大量插入損耗和低回波損耗。然而，如果氣隙的尺寸遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)，則情況并非如此。在這種情況下，兩個(gè)反射之間幾乎存在 π 相移，因此它們通過相消干涉在很大程度上相互抵消。