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

Die Software RP Fiber Power kann für die Implementierung ganz unterschiedlicher physikalischer Modelle verwendet werden. Die wichtigsten davon werden im Folgenden kurz beschrieben.

Berechnung von Fasermoden

RP Fiber Power enthält einen mode solver, der sehr effizient alle geführten Moden (LP-Moden) aus einen gegebenen radial­symme­trischen Brechungsindexprofil berechnen kann. Dies funktioniert auch für Fasern mit mehreren hundert Moden. Der mode solver berechnet eben­falls die Propagationskonstanten und den jeweiligen Anteil der Leistung, der innerhalb des Kerns propagiert.

Das Brechungsindexprofil kann z. B. mit einer Formel angegeben werden, oder auch mit tabel­lierten Werten. Eine beliebige Wellenlängen­abhängigkeit kann ebenfalls berücksichtigt werden; dies erlaubt die Berechnung der chromatischen Dis­persion (Material- und Wellenleiterdispersion) mit bereits vordefinierten Funktionen.

Die resultierenden Intensitätsprofile können sehr einfach z. B. auch für die Berechnung der Entwicklung von Leistungen in Faserverstärkern und -lasern verwendet werden. (Natürlich können Sie für diesen Zwecks stets auch Profile aus anderen Quellen verwenden, z. B. basierend auf Angaben des Herstellers.)

Siehe auch unser Demo-Video für die Benutzung des Mode-Solvers.

Strahlpropagation

RP Fiber Power kann numerisch die Ausbreitung von beliebigen komplexen Feldverteilungen in Fasern (oder anderen Wellenleitern) mit beliebigen (aber schwach führenden) Indexprofilen simulieren. Eine Split-Step-Fourier-Algorithmus wird verwendet. Wellen mit verschiedenen Wellenlängen können propagieren und ggf. über laseraktive Ionen und nichtlineare Effekte (XPM, SRS) auch miteinander wechselwirken.

Der Benutzer hat die volle Kontrolle über die Parameter des numerischen Gitters, die Brechungsindex- und Dotierungs-Verteilungen, Eingangs-Felder etc. Wie bei allen anderen Features kann all dies über Skript-Befehle gesteuert werden, um beliebige Plots zu erzeugen, Daten von einer Simulation in eine andere transferieren (ggf. mit Interpolation), Daten mit Dateien beliebigen Formats zu importieren oder exportieren, usw. Dies macht RP Fiber Power zu einem leistungsfähigen Werkzeug z. B. für die Forschung an verjüngten Fasern, Doppelkernfasern und anderen Faserkomponenten.

Siehe auch unser Demo-Video für die numerische Strahlpropagation.

Energieniveaus und Übergänge

RP Fiber Power kann zur Modellierung in Fällen eingesetzt werden, wo zwei oder sogar drei verschiedene Typen von Ionen an einem Laserprozess teilnehmen. Jedes Ion kann eine größere Anzahl von metastabilen Zuständen haben.

Der Benutzer kann beliebig diverse Arten von Übergängen zwischen den Zuständen kombi­nieren:

• spontane Übergänge (strahlend oder nicht strahlend)
• optisch induzierte Übergänge (Absorption oder stimulierte Emission)
• Quenching-Prozesse (auch in Ionen-Paaren oder -clustern)
• Energie-Transfers (zwischen Ionen desselben Typs oder zwischen verschiedenen Typen, z. B. zwischen Er³⁺ und Yb³⁺)

Diese Inputs definieren das System von Ratengleichungen, welches dann mit einem sehr effizienten Algorithmus gelöst wird.

Das Bild auf der rechten Seite illustriert das Beispiel eines Thulium-dotierten Upconversion-Faserlasers. Hier hat man mit drei metastabilen Zuständen zusätzlich zum Grundzustand zu tun.

Optische Kanäle

RP Fiber Power erlaubt eine große Zahl sogenannter optischer Kanäle zu verwenden, die jeweils eine einzelne Fasermode oder auch ein (möglicherweise großes) Ensemble von Moden abbildet. Für die Modellierung von verstärkter Spontanemission (ASE) können Kanäle eine bestimmte optische Bandbreite haben. Für jeden Kanal kann die transversale Intensitätsverteilung beliebig definiert werden. Bei Faserverstärkern kann die Rauschzahl (noise figure) jedes Signal-Kanals berechnet werden.

Die Abbildung unten illustriert die optischen Kanäle für einen Erbium-dotierten Faserverstärker: einen Pumpkanal, zwei Signal-Kanäle sowie 16 ASE-Kanäle.

Siehe auch unser Demo-Video zu Faserverstärkern und Faserlasern.

Dynamische Simulationen

Die Software erlaubt Ihnen ebenfalls, die zeit­liche Entwicklung Ihres Systems zu simulieren. Ein sehr flexibler Ansatz wurde implementiert, mit dem sowohl präzise Simulationen der Dynamik von Lasern möglich sind (mit voller Berück­sichtigung der Propagationszeiten in der Faser) also auch sehr schnelle Simulationen für die Pulsverstärkung im Einfach- oder Doppeldurch­gang.

Als ein Beispiel zeigt die Abbildung auf der rechten Seite, wie eine Pulsform in einem Faserverstärker durch Verstärkungssättigung verzerrt wird und wie viel der gespeicherten Energie vom Puls extrahiert wird. Ein weiteres Beispiel, welches auf einer separaten Seite beschrieben wird, betrifft einen gütegeschalteten Laser.

Sie können auch mehrere dynamische Simulationen automatisiert nacheinander ausführen lassen. Beispielsweise können Sie bei einem Puls-Verstärker zunächst die Pumpphase mit relativ grober zeitlicher Auflösung simulieren und dann die Verstärkungsphase mit viel höherer Auflösung. Wenn Sie beides zusammen in eine Schleife verpacken, können Sie mehrfache Pump-/Verstärkungszyklen simulieren.

Ausbreitung ultrakurzer Pulse

Ein ultrakurzer Puls kann numerisch mit einem Array komplexer Amplituden in der zeitlichen Domäne oder in der Frequenzdomäne repräsentiert werden. Fourier-Transformationen werden verwendet, um Amplituden zwischen Zeit- und Frequenzbereich in Beziehung zu setzen. Wellenlängenabhängige Verstärkung und chro­matische Dispersion werden im Frequenzbereich simuliert, während nichtlineare Effekte in der zeitlichen Domäne behandelt werden müssen. Ein ausgefeilter numerischer Split-Step-Algorithmus mit auto­matischer Schrittweitenkontrolle stellt eine hohe Genauigkeit bei hoher Geschwindigkeit sicher.

Beliebige chromatische Dispersion kann definiert werden über eine wellenlängen-abhängige Funktion für die Gruppendispersion (GVD = group velocity dispersion) oder den effektiven Brechungsindex. Wenn der eingebaute mode solver verwendet wird, kann dieser natürlich die Dispersion berechnen.

Nicht nur eine einfache Kerr-Nichtlinearität kann berücksichtigt werden, sondern auch eine Nichtlinearität mit verzögerter Antwort (delayed response), die zu stimulierter Raman-Streuung führt. Der Benutzer kann eine beliebige Antwortfunktion (response function) und nicht nur Parameter einer gegebenen Funktion definieren, so dass Raman-Verstärkung mit beliebigen Raman-Spektren behandelt werden kann.

Weit über 100 Funktionen der Skriptsprache stehen zur Verfügung, um Modellparameter einzu­stellen und alle möglichen Eigenschaften von Pulsen zu berechnen. Die Resultate können ebenfalls mit Hilfe dem praktischen interaktiven Fenster für die Anzeige von Pulsen inspiziert werden.

Obwohl auch diverse Konkurrenzprodukte die Ausbreitung ultrakurzer Pulse simulieren können, dürfte RP Fiber Power in punkto Flexibilität einzigartig sein, da alle Aspekte der Simulationen komplett über die leistungsfähige Skriptsprache gesteuert werden können. Damit können Sie die Software für einen enorm weiten Bereich von Simulationen einsetzen – sogar solche, die weit über das hinausgehen, was der Entwickler vorgesehen hat.

Geschwindigkeit und Verlässlichkeit

Die numerische Lösung der Gleichungen für den stationären Zustand in einem solchen Modell ist eine schwierige Aufgabe, die einen iterativen Ansatz erfordert. Wenn dies nicht sehr gut ausgearbeitet ist, können die Konvergenzeigenschaften stark von der jeweiligen Situation abhängen.

RP Fiber Power wurde sehr sorgfältig entworfen auf der Basis einer iterativen Prozedur, die gewisse Parameter automatisch richtig einstellt. Auf diese Weise erzielt die Software eine erstaunlich hohe Geschwindigkeit und verlässliche Konvergenz in einem sehr weiten Bereich von Fällen. Dies schließt z. B. den Laserbetrieb nahe der Schwelle oder weit oberhalb der Schwelle ein, ebenfalls die Verstärkung mit einer rückwärts laufenden Pumpwelle und ASE, etc. In solchen Fällen hat andere Software manchmal erhebliche Probleme, die richtige Lösung zu finden.

Das Diagramm oben zeigt mit einer Farbskala, wie viele Iterationsschritte benötigt werden in einem Faserlaser-Modell, wobei die Pumpleistung und die Auskoppeltransmission syste­matisch variiert werden und die Berechnung jedes Mal von vorne beginnt (anstatt die ähnlichen Resultate benachbarter Punkte zu nutzen, wie es normalerweise geschieht). Die Rechenzeit wird leicht erhöht nahe der Laserschwelle, aber die Berechnung einer Kon­figuration (mit in diesem Falle 3 Kanälen) auf einem gewöhnlichen PC benötigt typischer­weise nur einen kleinen Sekundenbruchteil, trotz der guten räumlichen Auflösung (mit 100 Punkten in z-Richtung).

Die Ausbreitung ultrakurzer Pulse wird ebenfalls mit einem sehr robusten Algorithmus simuliert. Dieser verwendet automatisch kleinere numerische Schritte, wo es notwendig ist – basierend auf der Überwachung numerischer Fehler.

Werfen Sie auch einen Blick auf die häufig gestellten Fragen.