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

Überblick	Features	Power Forms	Modelle
Faser-Daten	Benutzung	Demos	Versionen

Beispiel: Einkoppeln von Licht in eine einmodige Faser

Beschreibung des Modells

Wir simulieren die folgende Situation:

Wir betrachten eine einmodige Faser (Single-Mode-Faser) mit Stufenprofil.
Ein monochromatischer Gauß-Strahl wird auf die Faser fokussiert mit einem Strahlradius von 3 μm. Selbst für perfekte Justierung passt das Strahlprofil nicht perfekt zur geführten Mode der Faser. Zusätzlich kann der Strahl etwas gegenüber der Position des Faserkerns verschoben sein.

Einige technische Details der ausgeführten Simulation:

Für die Strahlpropagation führen wir eine künstliche Absorption außerhalb der Region des Fasernkerns ein, die zu den Enden des Gitters hin zunimmt. Damit simulieren wir die Verluste für Cladding-Moden.
Wir benutzen den mode solver, um das Profil der Grundmode der Faser zu berechnen. Für den Vergleich mit den numerischen Resultaten berechnen wir den Überlapp des einfallenden Strahls mit der Grundmode, woraus wir die Einkoppeleffizienz erhalten.

Beachten Sie, dass zwar der mode solver auf Fälle mit radialer Symmetrie des Brechungsindexprofils beschränkt ist, die Strahlpropagation aber auch für beliebige Index-Profile berechnet werden könnte, solange diese schwach führend sind. Für praktisch alle nur aus Glas bestehenden Fasern (ohne Luftkanäle) trifft dies zu.

Die Strahlpropagation einzurichten ist einfach, nachdem diverse Parameter definiert worden sind:

lambda := 1 um

; Define the refractive index profile:
n_cl := 1.45 { cladding index }
NA := 0.08
n_co := sqrt(n_cl^2 + NA^2) { core index }
r_co := 4 um { core radius }
n_f(r) := if r <= r_co then n_co else n_cl

; Grid parameters for beam propagation:
r_max := 30 um
N := 2^6
dr := 2 * r_max / N
z_max := 10 mm
dz := 10 um
N_z := z_max / dz

; Incident beam profile: Gaussian beam from a laser
w0 := 3 um { beam radius }
d := 2 um { vertical position error }
theta_in := 0 deg { angle error }
A0%(x, y) := exp(-(x^2 + (y - d)^2) / w0^2) / sqrt(0.5 * pi * w0^2)
  * expi((2pi / lambda) * x * sin(theta_in))

loss(x, y) := 1 * ((x^2 + y^2) / (10 um)^2)^6

calc 
  begin
    bp_set_grid(r_max, N, r_max, N, z_max, N_z, 2);
    bp_set_channel(lambda);
    bp_set_n('n_f(sqrt(x^2 + y^2))'); { index profile }
    bp_set_loss('loss(x, y)'); { loss profile }
    bp_set_A0('A0%(x, y)'); { initial amplitude }
  end

Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt wie Amplitudenverteilung in der Faser. Man erkennt eine Art Schwingung, die daher rührt, dass der Eingangsstrahl vertikal etwas verschoben wurde. Außerdem sieht man, dass etwas Licht vom Faserkern entweicht; dies ist der nicht geführte Anteil, der nach einer gewissen Faserlänge verloren geht. Die rote Kurve zeigt, wie die Leistung in der Faser abfällt. Der Endwert stimmt mit der analytischen Berechnung gut überein.

intensity profiles at the end of a multimode fiber — Abbildung 1: Amplitudenprofil in der yz-Ebene, das zeigt, wie sich das Licht in der Faser ausbreitet, wenn der Eingangsstrahl leicht gegenüber dem Faserkern verschoben ist.

Wir können ebenfalls den Strahlradius des Eingangsstrahls systematisch variieren und sehen, wie sich dies auf die Einkoppeleffizienz auswirkt. Dies wird in Abbildung 2 gezeigt. Hier nehmen wir an, dass der Eingangsstrahl perfekt auf den Faserkern justiert ist.

launch efficiency as a function of the initial beam radius — Abbildung 2: Einkoppeleffizienz als Funktion des Strahlradius des Eingangsstrahls.

Die Resultate der numerischen Strahlpropagation stimmen gut mit denen der analytischen Berechnung überein. Beachten Sie, dass die Strahlpropagation leicht auch in komplizierteren Fällen berechnet werden könnte – etwa für einen unsymmetrischen Faserkern, für beliebige Eingangs-Strahlprofile, oder für gebogene Fasern.

(zurück zu der Liste der Beispiele)