RP Fiber Power 光纤激光器及光纤器件设计软件——建模原理3-4

光吸收和放大

根据上一小节讨论的数据，软件可以计算给定波长l在某一位置的光学吸收或增益。以上述讨论的铒镱系统为例，假设在横向方向参杂浓度和模式强度是常数，在1．5mm区域局部增益系数

光纤长度L的全部放大因子

如果考虑横向维度，不同位置贡献的增益系数

其中

定义模式的横向强度分布，归一化所以

的横向积分为1。在数值实现中，用不同环的和代替积分。

如果有几个能级组合与某一特定的光学波长相互作用，则所有对增益或损耗的贡献加起来。

光信道

软件允许用户定义数个光信道，代表光在光纤中传播。下图解释了参铒光纤放大器中的光信道：一个泵浦信道，两个信号信道，16个放大自发辐射信道：

光信道有如下特性：

l 它具有某个波长l，并且在ASE信道（用于计算放大自发辐射）的情况下，它还具有波长带宽Dl并且用户指定传播模式的数量。对于单模光纤，后者可以是2，当考虑到两个极化方向时。

l 它具有传播方向，前向（z＝0®L），后向（z＝L®0）。

l 这里可以有一些背景损耗，单位dB／m，比如由于杂质吸收或者纤芯包层端面散射。

l 在光纤两端任何信道可以有反射。这些反射尤其用来光纤激光器建模。在2．5章节有解释。

l 在反射镜的两端、内部或外部可能存在附加的寄生损耗。

l 横向强度分布函数y （r）或y（r， j），自动归一化。对于单模光纤，y （r）通常可以用高斯模式函数很好的近似：

模式半径w。对芯径为a、数值孔径为NA的阶跃光纤，模式半径可以用Marcuse公式估计

其中V为

对于双包层光纤，多模式泵浦波通常近似为一个顶帽函数，半径和泵浦包层的半径相等。

软件算法是基于每个信道的横向强度分布的形状在传输过程中保持常数的假设。这个假设通常很好的满足了单模光纤，或者更一般的是一个信道代表一个模式。对于仅支持少数引导模式的多模光纤，可以为每个模式定义一个光通道，以便保持假设有效。但是，不能包括模式耦合。对于大量模式的多模光纤传播，具有顶帽强度分布的单个信道是一个合理的近似。对于双包层光纤泵浦波，如果只有弱模式混合，则可能违反此近似：泵浦强度分布可以在纤芯区域获得一个“孔”，在那里泵浦光被吸收。这种效应通常在某种程度上受到抑制，例如使用偏心光纤纤芯或D形泵浦包层。

l 最后，每一个信道可以有一些从光纤外部注入的输入功率，比如，一个泵浦光束，或输入光信号光束。如果光纤端部有任何反射，这些输入当然会衰减，并与来自传播方向相反的信道的功率混合。

对于放大自发辐射，通常用一些波长信道的阵列，例如，从1500nm到1600nm以5nm为步长。更精细的信道间隔提高结果的谱分辨率，但也增加计算时间。

注意的是，用户必须定义所有的光信道。软件不自动生成任何信道。这意味着，例如一些ASE问题可能会被忽略，如果用户未能在所有波长上定义具有大量光放大的ASE信道。