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

Power Form: Faserverstärker für kontinuierliche Signale

Mit dieser Power Form kann man ausgefeilte Modelle für kontinuierlich arbeitende Faserverstärker erstellen – mit mehreren Eingangssignalen, mehreren Verstärkerstufen etc. Es wird nur der stationäre Zustand betrachtet. (Andere Formulare sind verfügbar für gepulste Signale, wo auch das dynamische Verhalten von Interesse ist.)

Grundlegende Eigenschaften des Modells

• Verstärkerstufen: Wir simulieren einen Faserverstärker mit bis zu fünf Verstärkerstufen.
• Wir gehen vom kontinuierlichen Betrieb, aus, d. h. mit konstanten Signal- und Pumpleistungen. Wir betrachten nur den stationären Zustand, nicht z. B. das Einschaltverhalten.
• Eingangssignale: Wir starten mit einem oder mehreren Eingangssignalen. Jedes Signal kann quasi-monochromatisch oder breitbandig sein (mit Gauß-, Super-Gauß- oder rechteckförmigem zeitlichem Profil oder mit einem frei definierbaren Profil).
• Faserparameter: Für jede Verstärkerstufe kann man einen Datensatz für eine aktive Faser anwählen – meist für eine kommerzielle erhältliche Faser. Dabei kann man auch mehrere Parameter überschreiben.
• Pumpquellen: Jede Verstärkerstufe kann bis zu fünf quasi-monochromatische oder breitbandige Pumpquellen haben. Es wird angenommen, dass kein Pumplicht von einer Stufe zur nächsten gelangen kann.
• Einfacher oder doppelter Durchgang: Normalerweise macht das Signal einen einfachen Durchgang durch jede Verstärkerstufe. Jedoch kann man auch einen wellenlängenabhängigen Reflektor am Ende definieren, um einen Doppeldurchgang zu realisieren. In diesem Fall läuft das Licht durch dieselbe Faser zurück und wird dann mit einem Faraday-Zirkulator vom Eingangssignal getrennt, bevor es zur nächsten Stufe läuft.
• Koppelverluste: Nach jeder Stufe (und nach der Eingangs-Signalquelle) kann man wellenlängenabhängige Koppelverluste einfügen, z. B. um ein Filter zu simulieren.
• Amplified spontaneous emission (ASE) kann ebenfalls berücksichtigt werden. ASE kann bei Bedarf von einer Stufe zur nächsten gelangen, allerdings nie in Rückwärts-Richtung. Sie ist denselben Koppelverlusten wie die Signale unterworfen.

Details der Eingangssignale

Sie können bis zu 10 Eingangssignale bei verschiedenen Wellenlängen definieren. Diese gelangen dann in die erste aktivierte Verstärkerstufe.

Jedes Signal kann aktiviert oder deaktiviert werden.

Signale können entweder quasi-monochromatisch oder breitbandig sein. Im letzteren Fall definiert man ein spektrales Profil, welches durch eine Anzahl von Linien repräsentiert wird. Das folgende Diagramm zeigt ein Beispiel mit zwei breitbandigen Signalen bei 1040 und 1060 nm:

Verschiedene spektrale Profile sind verfügbar: Gauß-, Super-Gauß- und rechteckförmiges Profil. Ebenfalls kann man ein benutzerdefiniertes Profil mit einem Ausdruck angegeben, der die Wellenlängen-Variable l enthält.

Am Ende können noch Koppelverluste eingegeben werden, die zwischen der Signalquelle und der ersten aktiven Verstärkerstufe auftreten. Dies können konstant oder wiederum wellenlängenabhängig sein. (Ein Beispiel für eine Eingabe: if l > 1080 nm then 30 else 0.5)

Verstärkerstufen

Die Sektion Amplifier stages erlaubt die Definition von bis fünf Verstärkerstufen. Jede basiert auf einer aktiven Faser und einer oder mehreren Pumpquellen.

Jede Stufe kann aktiviert oder deaktiviert werden. Das ist beispielsweise sehr praktisch, wenn Sie sich momentan auf einen Teil eines Verstärkersystems konzentrieren.

Sie können einen Fasertyp angegeben (typischerweise für eine kommerziell erhältliche Faser). Entsprechende spektroskopische Daten (Wirkungsquerschnitte) und Wellenleiter-Parameter werden von einer Datei für diese Faser geladen.

Das Formular erlaubt es ebenfalls, bestimmte Parameter zu überschreiben. Sie könnten etwa die Dotierungskonzentration der Faser für eine Sensivititätsanalyse ändern.

Die meisten Faserverstärker arbeiten im Einfachdurchgang, aber für einen Doppeldurchgang können Sie eine wellenlängenabhängige Reflektivität für das Faserende festlegen.

Wiederum kann es wellenlängenabhängige Verluste am Ausgang jeder Stufe geben, die sowohl Signale als auch ASE betreffen.

Ein Brillouin-Koeffizient kann eingegeben werden; er dient zur Abschätzung der Brillouin-Verstärkung.

Jede Verstärkerstufe kann bis zu fünf Pumpquellen haben, die jeweils quasi-monochromatisch oder breitbandig sein können.

Amplified spontaneous emission (ASE) kann berücksichtigt werden. Außerdem können Sie festlegen, ob ASE in die jeweils nächste Verstärkerstufe gelangen kann. Die Anzahl der geführten Moden der Faser ist für ASE ebenfalls relevant. Der betrachtete Wellenlängenbereich für ASE ist für alle Stufen derselbe.

Für jede Verstärkerstufe gibt es einen Bereich namens stage outputs mit diversen Ausgabewerten:

• verbleibende (nicht absorbierte) Pumpleistungen in beiden Richtungen
• Signalverstärkung in dB
• gesamte ASE-Leistung an beiden Ausgängen
• prozentuale Anregungsdichte der Laserionen, gemittelt über die Länge der Faser
• Brillouin-Verstärkung (der höchste auftretende Werte für alle Signale), wenn alle Signale quasi-monochromatisch sind

Diagramme

Zusätzlich zu diversen numerischen Ausgabewerten im Formular und in der “Output Area” auf der rechten Seite haben Sie eine Auswahl von etlichen Diagrammen:

Die Diagramme sind auch konfigurierbar; Sie können unter anderem oft eine dBm-Skala statt einer linearen Skala für Leistungen verwenden.

Die Diagramme sind im Formular wie folgt gruppiert:

• Input diagrams: hauptsächlich nützlich, um Ihre Eingabedaten zu überprüfen
• Output diagrams: Anzeige diverser Outputs für die eingegebenen Parameter
• Variation diagrams: Diagramme, bei denen jeweils ein Parameter des Systems in einem gegebenen Bereich variiert wird. Beispielsweise können Sie die Pumpwellenlänge einer Verstärkerstufe variieren, um deren Einfluss auf die Performance zu ermitteln.

Jedes Diagramm bietet die Option, noch zusätzlichen Skriptcode einzufügen, der dann direkt nach dem Code für die Erstellung des Diagramms ausgeführt wird. Damit kann man etwa zusätzliche Kurven, Linien oder Beschriftungen einfügen, oder auch Daten in eine Datei schreiben. Hierbei helfen wir Ihnen gerne im Rahmen des technischen Supports.

Beispiel: Zweistufiger Yb-Faserverstärker

Hier sehen Sie einige der Diagramme, die mit diesem Simulationsmodell gemacht wurden. Wir simulieren hier einen Verstärker mit den folgenden Eigenschaften:

• Wir haben zwei breitbandige Eingangssignale bei 1040 und 1080 nm.
• Die erste Stufe basiert auf einer Yb-dotierten einmodigen Faser, die in Vorwärtsrichtung mit 200 mW bei 940 nm gepumpt wird. Wir brauchen nur 15 cm davon, da die Faser hoch dotiert ist.
• Die zweite Stufe enthält eine Doppelkernfaser, in Rückwärtsrichtung gepumpt mit 1,8 W bei 975 nm. Hier ist die Faser 2,5 m lang, um trotz Doppelkerndesign genügend Pumpabsorption zu haben.
• Wir verwenden keine Filterung zwischen den Stufen.

Hier sehen Sie die Leistungen und die Yb-Anregung in der ersten Stufe:

Es gibt hier einige interessante Details – beispielsweise wesentlich weniger Verstärkung für das Signal mit der längeren Wellenlänge, und sehr asymmetrische ASE-Leistungen, resultierend aus dem asymmetrischen Anregungsprofil.

Für die zweite Stufe sieht das ganz anders aus:

Hier erfährt das längerwellige Signale deutlich mehr Verstärkung. Dies liegt daran, dass diese Stufe mit viel schwächerer Yb-Anregung arbeitet, was das Gain-Maximum zu längeren Wellenlängen verschiebt. Außerdem ist Vorwärts-ASE nun verstärkt durch ASE, die von der ersten Stufe kommt. Wir könnten dies mit einem spektralen Filter wesentlich reduzieren.

Wir können auch die spektrale Entwicklung der Signale beider Stufen inspizieren:

In der ersten Stufe driftet v. a. das kurzwelligere Signal deutlich zu noch kürzeren Wellenlängen, wo die Verstärkung höher ist. Jedoch passiert das Gegenteilige in der zweiten Verstärkerstufe.

Hier ist die Entwicklung der ASE in der ersten Stufe, gezeigt mit einer logarithmischen Farbskala:

Sie sehen, dass Vorwärts-ASE hauptsächlich bei 975 nm auftritt, aber vor dem rechten Ende zum guten Teil wieder durch Reabsorption verschwindet. Die starke Asymmetrie rührt daher, dass die Yb-Anregung asymmetrisch ist.

Dasselbe für die zweite Stufe:

Hier kommt die Asymmetrie der Richtungen vorwiegend daher, dass Vorwärts-ASE durch ASE von der ersten Stufe begünstigt wird. Man sieht außerdem, dass ASE bei 975 nm hier stark absorbiert wird. Das liegt an der niedrigen Yb-Anregung in der Doppelkernfaser.

Auch jemand mit viel Physik-Wissen und Erfahrung könnte viele dieser Aspekte nicht mit Sicherheit wenigstens qualitativ vorhersagen – genau deswegen brauch wir Simulationen! Ohne dies wäre Design-Arbeit ein Stochern im Trüben.

Fallstudien

Wir haben die folgenden Fallstudien, für die wir diese Power Form verwendeten:

Siehe auch: Überblick über die Power Forms