RP Fiber Power 光纤激光器及光纤器件设计软件——建模原理5-7

反射和激光谐振腔

在光纤放大器中，信号或泵浦波通常只沿光纤一个方向传输，但是也可能在一端反射，所以波能两次通过。如果信号反射发生在两端，激光可能产生，信号可以保持在这样的激光谐振腔内即使没有外部输出。

RP Fiber Power 允许仿真两种不同的配置：

l默认配置是线性的，反射率耦合一个光信道到具有相反传播方向的另一个光信道

对于前向传播信道，反射率R1提供来自相应反向传播信道的输入，反射率R2将其端部的功率耦合到相应反向传播信道的输入端。

如果信道有一个特别的输入功率，这也被反射损耗了，例如功率要乘以1-R1

l在环形配置中，信道末端的功率乘以R1*R2为相同信道提供输入。

在环形结构中可以有反向传播通道，但这些通道不是通过反射相互耦合的，而是保持独立的。

没有考虑相干效应，因为软件只计算光功率，不是光相位。例如，从反射率R1的镜子传输的光束由反射输入和传输的外光束组成。软件简单的加起两个部分，不考虑窄带宽光束可能的干涉效应。对于超短脉冲仿真，忽略端面反射。

动态仿真

RP Fiber Power也可以仿真有源光纤系统的时间演化。在这种情况下，定义了一个或多个光通道的时变输入功率，并规定了一些时间间隔和时间步长。也可以引入时间相关的谐振器损耗。软件仿真所有通道的输出功率和激发密度的时间演变。例如，这些特性可用于解决以下各种情况：

l当短和强脉冲在光纤放大器中放大时，在脉冲放大中增益饱和。因此，脉冲形状可能会发生实质性的失真。该软件可以用来计算这些失真，并研究它们对各种参数的依赖性。当然，也可以计算出一个脉冲可以提取多少储存能量。

l光纤激光器可以通过加入一种具有随时间变化的功率衰减的光学元件来主动调Q。与固态块体激光器相比，光纤激光器的脉冲演化过程要复杂得多，因为光纤激光器的往返增益要高得多。这种情况在使用快速调制器时尤为明显，因为它的切换时间远低于往返时间。RP Fiber Power可以完全仿真脉冲演化，即使在传统的调Q软件不会准确。

动态仿真总是从系统的一些初始状态开始，这可以是为某些输入功率或先前动态仿真的最终状态计算的稳态。

有两种动态仿真的模式：

l最精确但也是最耗时的模式考虑了传播时间。动态变量是沿光纤的激发密度和所有位置的光功率。时间步长由光通过一个数值光纤截面所需的时间决定。这种模型适用于仿真调Q激光器的性能，也适用于开启激光器的泵浦功率时出现的尖峰现象。然而，当研究时间尺度远大于返时间的现象时导致计算时间很长。

l更简单的模式允许更高的速度，例如用于仿真光纤放大器中的脉冲放大。忽略光在光纤中传播相关的时间延迟。当信号光仅通过放大器一次（或可能两次）时，这不是问题，因为光纤的不同部分在不同的时间看到脉冲并不重要。时间步长可以大得多（由用户指定），这样就不需要过多的计算时间来研究比往返时间长得多的时间尺度上的现象。光纤的输入功率和激励可以简单地计算出一段时间内的光功率。

为了仿真Q开关激光器，两种方法结合是合适的。打开Q开关后，必须在一段时间内使用精确的方法。然而，在仅泵送增益介质的一段时间内，可以使用更大的时间步长，采用简化方法。这样，就可以仿真许多后续脉冲的演化，同时保持很低的计算时间。

注意光纤激光器的一些动力学方面，如在连续波运行期间观察到的某些尖峰现象，似乎严重依赖于某种非线性效应，目前还不太清楚。此外，不包括导致往返时间的时间刻度调制的模式打击效应。这种效果不能用该软件建模。任何仿真这种效果的软件通常都需要更多的输入数据，而这些数据很难提供。5.19节段解释了如何用脚本语言实现动态仿真。

对于超短脉冲的传播仿真，有单独的特性，如下一节所述。动态仿真是基于脉冲带宽小，不能考虑非线性的假设。另一方面，它们可以用来仿真多个光通道之间的相互作用，这是超短脉冲传播特性无法实现的。

模式求解器（Mode solver）

软件包含一个模式求解器，它可以根据给定的折射率分布计算光纤的所有导向模式（无包层模式和泄漏模式）的特性。折射率分布需要是真实的和径向对称的，但可以给出任意的径向依赖关系。模式求解器提供访问模式属性的功能，尤其是其强度分布。这些可以用于光信道。

这个模式求解器只能工作在高达一个最大数值的模式下，这个最大值取决于折射率分布的类型。对于典型的折射率分布，可能有超过1000个模式。5.18节有使用模式求解器的详细。