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RP Fiber Power: Simulations- und Design-Software
für Faseroptik, Faserverstärker und Faserlaser

Beispiel: Verjüngte Faser

Hier untersuchen wir, wie Licht in einer Faser propagiert, die durch Ziehen über einer Flamme in einer gewissen Region verjüngt wurde. Der Kerndurchmesser ist in dieser Region entsprechend verkleinert.

Beschreibung des Modells

Die Reduktion des Kerndurchmessers wird mit einer einfachen Funktion beschrieben:

t_min := 0.5
t(z) := t_min + (1 - t_min) * 0.5 * (1 + cos(2pi * z / z_max))

Wenn wir später das Brechungsindexprofil definieren, können wir einfach diese Funktion benutzen, um das ursprünglich zweidimensionale Brechungsindexprofil abzuändern:

  bp_set_n_z('n_f(sqrt(x^2 + y^2) / t(z))', 'z'); { index profile }

Die numerische Auflösung muss so hoch gewählt werden, dass auch Cladding-Moden realistisch berechnet werden, da wir erwraten müssen, dass ein Teil des Lichts vom Kern entweicht.

Ergebnisse

Zunächst betrachten wir eine einmodige Stufenindex-Faser. Das einfallende Licht soll komplett in der geführten Mode (LP01) propagieren. Abbildung 1 zeigt die Amplitudenverteilung in der Faser. Die grauen Kurven illustrieren die verjüngte Region; der Faserdurchmesser wird um bis zu 50% reduziert. Die rote Kurve zeigt, dass ca. 20% der optischen Leistung verloren gehen. Dies liegt daran, dass die LP01-Mode in der verjüngten Region ziemlich schwach geführt wird, und dass der Übergang etwas zu schnell für eine adiabatische Anpassung der Mode verläuft.

amplitude distribution along the fiber

Abbildung 1: Amplitudenverteilung in der Faser.

Abbildung 2 zeigt, wie sich diverse Parameter entlang der Faser entwickeln. Drei unterschiedliche Maße für die Strahlgröße werden verwendet:

amplitude distribution along the fiber

Abbildung 2: Entwicklung der Strahlparameter entlang der Faser.

In einer zweiten Simulation betrachten wir eine Faser mit verdoppelter numerischer Apertur (0,2 statt 0,1). Diese stärker führende Faser hat auch eine LP11-Mode – aber nicht in der verjüngten Region. Wenn wir den Strahl in die LP01-Mode (die Grundmode) einführen (wie oben), kann diese die verjüngte Region ohne wesentliche Verluste “überstehen”. Die Strahlgröße (hier nicht gezeigt) weist nur geringe Variationen auf.

amplitude distribution along the fiber

Abbildung 3: Amplitudenverteilung entlang der Faser mit höherer numerischer Apertur.

Wenn wir das Licht in die LP11-Mode injizieren, wird es in der verjüngten Region vollkommen verloren, wie in Abbildung 4 gezeigt:

amplitude distribution along the fiber

Abbildung 4: Amplitudenverteilung entlang der Faser, wenn die LP11-Mode gepumpt wird.

Man sieht auch, dass Reflektionen von den Rändern des numerischen Rasters – ein numerischer Artefakt – nicht komplett unterdrückt werden. Dies ist jedoch für den Zweck dieser Untersuchung wenig relevant; lediglich der genaue Verlauf des Leistungsabfalls und die berechneten 0,1% Transmission für die LP11-Mode sind nicht ganz korrekt – die letztere Größe sollte im Prinzip Null sein.

(zurück zu der Liste der Beispiele)

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