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。由于這涉及到一些復(fù)雜的細(xì)節(jié)，因此 RP Fiber Power 的高度靈活性對于完成這項任務(wù)至關(guān)重要。
8Ac5 K! 模型的描述:
)1f8
H,q^ 我們考慮將雙包層光纖用于大功率光纖
激光器和放大器。眾所周知，注入到泵浦包層中的泵浦光的吸收率會因為泵浦包層的某些模式與摻雜光纖纖芯有微弱重疊而降低。我們對此進(jìn)行了更深入的調(diào)查。
$]O;D~ 注意，基于模式的方法不太適合這種分析。一個原因是泵浦包層可以有非常多的模式。另一個原因是為了改善泵浦吸收，通常會使用一些減弱共模的方法。在這種情況下，運行良好的模式解算器將很難開發(fā)，并且需要大量的計算時間。
:Z rE/3_S 因此，在這種情況下，數(shù)值
光束傳播是一種更實用的方法。然而，這也并非易事：
AY3nQH
為了切合實際，我們需要構(gòu)建一種輸入泵浦波，這種泵浦波相當(dāng)不連貫，但仍具有足夠的空間相干性，以便高效發(fā)射，在本示例中，我們的構(gòu)造如下：
-:Up$6PR ● 我們從一個具有真實強(qiáng)度分布(僅限于泵浦包層)但具有隨機(jī)
光學(xué)相位的場開始。這將導(dǎo)致巨大的光束發(fā)散，從而只有較小部分功率可以發(fā)射到泵浦包層中。
+*/XfPlr| ● 然后，我們對該場進(jìn)行傅里葉變換，濾除高頻成分(對應(yīng)于較大的傳播角)，并將其轉(zhuǎn)換回來。
1C)
l) pV ● 我們在空間域中再次對此進(jìn)行過濾。
U 8Rko) 這些操作需要一些腳本代碼:
6%'bo`S# - defarray A0%[0, (N - 1) * dr, dr; 0, (N - 1) * dr, dr] (periodic)
- defarray A0_f%[0, (N - 1) * dr, dr; 0, (N - 1) * dr, dr] (periodic)
- w0 := 15 um { beam size parameter }
- sg(x2) := exp(-x2^4) { normalized super-Gaussian function }
- calc
- begin
- { Calculate the initial beam profile: low spatial coherence,
- but high enough for efficient launching}
- var f_max, f_m;
- { First step: totally random amplitudes within the cladding }
- for x := -r_max to +r_max step dr do
- for y := -r_max to +r_max step dr do
- A0%[x, y] := if x^2 + y^2 < r_cl^2 and y < y_cut then
- rnd(-1) + i * rnd(-1);
- { Filter out higher spatial frequency components }
- FFT_n(A0%[], A0_f%[], +1);
- df := 1 / (2 * r_max);
- f_max := 0.5 * N * df;
- f_m := NA_cl / lambda; { maximum allowed spatial frequency }
- for fx := -f_max to +f_max step df do
- for fy := -f_max to +f_max step df do
- A0_f%[fx, fy] := sg((fx^2 + fy^2) / f_m^2) * A0_f%[fx, fy];
- FFT_n(A0_f%[], A0%[], -1);
- for x := -r_max to +r_max step dr do
- for y := -r_max to +r_max step dr do
- A0%[x, y] := sg((x^2 + y^2) / r_cl^2) * (y < y_cut) * A0%[x, y];
- end
- A0%(x, y) := A0%[x, y]
數(shù)值網(wǎng)格比泵浦包層稍大。我們在外包層中引入人工吸附，
模擬外包層的損耗，這種損耗通常會發(fā)生在外邊界。
Qry?h*p+` 由于泵浦包層的高數(shù)值孔徑(0.4)，因此數(shù)值分辨率需要相對較高。我們使用0.47um 的橫向分辨率和3.3 um 的縱向分辨率。
%C}TdG (C 結(jié)果:
3!]S8Y*LQP 最初，我們假設(shè)泵浦包層為圓形，摻雜核心為居中。對于纖芯吸收，我們假設(shè)為100 dB/m，這比有點超出實際情況，但這樣我們就可以使用更短的光纖長度(500 mm)，從而節(jié)省計算時間。
24;F~y8H 圖1顯示了幅度分布在光纖中的演變過程。我們可以看到，強(qiáng)度分布在纖芯區(qū)域形成了一個“洞”。這是眾所周知的效應(yīng)，即在一定長度的光纖中，功率主要集中在泵浦吸收很弱的模式中。因此使用更長的光纖沒有多大幫助。
圖1: 圓形泵浦包層沿光纖的振幅分布。
!e+ ex"7 圖1中的紅色實心
曲線顯示了泵浦功率的衰減情況。這可以與“原始”分析預(yù)計的結(jié)果(虛線)相比較，其中假設(shè)根據(jù)纖芯和包層面積之比的恒定吸收系數(shù)。傳播一段時間后，由于上述影響，兩條曲線明顯不同。
NJ"
d ` 圖2顯示了光纖末端的強(qiáng)度分布。纖芯和包層邊界用灰色圓圈表示。
圖2:光纖末端的強(qiáng)度分布。
|j3fS[.$ 可以通過使用 D 形泵浦包層來提高泵浦的吸收率：本質(zhì)上，我們在泵浦包層的頂部切掉一部分。這就降低了光纖的對稱性，從而避免了低纖芯重疊的螺旋模式。圖3和圖4顯示了結(jié)果。泵浦強(qiáng)度在橫向上的分布更加均勻，而泵浦吸收率現(xiàn)在甚至比根據(jù)“原始”的估計值稍好。
圖3:D 形泵浦包層沿光纖的振幅分布。
圖4:光纖末端的強(qiáng)度分布。
cO}`PD $i 當(dāng)然，我們現(xiàn)在還可以研究一些改進(jìn)的情況，例如使用八邊形泵浦包層、偏心纖芯、彎曲光纖等。這樣就可以優(yōu)化不同設(shè)計的雙包層光纖。
