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

Power Form: CW-Faserlaser und -verstärker

Diese Power Form wurde entwickelt für die Simulation von CW-Faserlasern, ggf. ergänzt um eine oder mehrere Verstärkerstufen. Hier geht es um ein einziges (quasi-monochromatisches) Signal.

Symbolgrafik für diese Power Form

Grundlegende Eigenschaften des Modells

  • Laser: Wir simulieren einen Faserlaser, dessen Emissionswellenlänge entweder vorgegeben oder automatisch berechnet werden kann.
  • Verstärkerstufen: Wir simulieren einen Faserverstärker mit bis zu fünf Verstärkerstufen. Jede Stufe kann einzelnen aktiviert oder deaktiviert werden.
  • Wir gehen vom kontinuierlichen Betrieb, aus, d. h. mit konstanten Signal- und Pumpleistungen. Wir betrachten nur den stationären Zustand, nicht z. B. das Einschaltverhalten.
  • Faserparameter: Für jede Verstärkerstufe kann man einen Faser-Daten anwählen – meist für eine kommerzielle erhältliche Faser. Dabei kann man auch mehrere Parameter überschreiben.
  • Pumpquellen: Jede Verstärkerstufe kann bis zu 5 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 zurück durch dieselbe Faser 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 einen 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.

Der Laser

Sie können einen Fasertyp auswählen, die Faserlänge sowie die Anzahl der longitudinalen und radialen numerischen Schritte.

Eingabe der Faserparameter

Wenn Sie die Emissionswellenlänge automatisch berechnen lassen, geschieht dies auf der Basis von Reflektivitäten der Endspiegel. Diese sind dann meist wellenlängenabhängig; Sie können einen Ausdruck angeben, der die Wellenlänge l enthält.

Verstärkerstufen

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

Definition der Verstärkerstufen

Diese Einstellungen sind dieselben wie für das Modell eines cw-Faserverstärkers und werden deswegen hier nicht nochmals erläutert.

Output Area

Nach der Ausführung der Simulation finden Sie in der “Output Area” auf der rechten Seite des Fensters diverse berechnete Werte (zusätzlich zu denen im Formular selbst):

Anzeigen in der Output Area

Sie können hier sehen, wie viel der Pumpleistung in beiden Richtungen nach Durchlaufen der Faser übrig bleibt, wie sich die Signalleistung entwickelt und wie viel Verstärkung jede Stufe aufweist.

Diagramme

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

Angebot von Diagrammen

Die Diagramme sind auch konfigurierbar; Sie können etwa 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. Sie können unter anderem 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 beispielsweise zusätzliche Kurven, Linien oder Beschriftungen einfügen, oder auch Daten in eine Datei schreiben. Hierbei helfen wir Ihnen gerne im Rahmen des technischen Supports.

Beispiel: Yb-Faserlaser und -verstärker

Im Folgenden sehen Sie ein paar der Diagramme, die mit diesem Modell erstellt wurden. Wir simulieren ein Faserlasersystem der folgenden Art:

  • Der Laser basiert auf einer einmodigen Faser. Der Auskoppelspiegel hat ein gaußförmiges Profil mit einer Peak-Reflektivität bei 1080 nm und 10 nm Bandbreite. Die automatisch berechnete Wellenlänge liegt bei 1079,34 nm – etwas kürzer als 1080 nm, weil die Verstärkung bei kürzeren Wellenlängen größer ist.
  • Der Verstärker wird in Rückwärtsrichtung gepumpt. ASE vom Laser gelangt nicht in den Verstärker.

Eines der Diagramme zeigt die Verhältnisse im Laser an:

Verhältnisse im Laser

Interessanterweise tritt die maximale Yb-Anregung nicht etwa am linken Ende auf, wo die Pumpintensität am höchsten ist, sondern etwas innerhalb der Faser. Dies liegt an ASE in Rückwärtsrichtung.

Das nächste Diagramm zeigt die Entwicklung der Signalleistung im ganzen System:

Entwicklung der Signalleistung

Man sieht die Leistungen in Vor- und Rückwärtsrichtung im Laser sowie die im Verstärker ansteigende Leistung.

Man kann ebenfalls die ASE-Spektren an beiden Enden des Verstärkers inspizieren:

ASE-Spektren an beiden Enden des Verstärkers

Man sieht, dass das ASE-Maximum bei etwas kürzeren Wellenlängen auftritt. ASE-Leistungen hängen nämlich nicht nur von der Verstärkung ab, sondern auch von der Spontanemission, die bei kürzeren Wellenlängen stärker ist.

Das letzte Diagramm zeigt ASE innerhalb der Verstärkerfaser:

ASE innerhalb der Verstärkerfaser

Fallstudie

Wir haben die folgende Fallstudie, für die wir diese Power Form verwendeten:

  • Yb-dotierte Faserlaser für 975 nm
  • Wir untersuchen, wie Faserlaser mit Emission bei 975 nm realisiert werden könnten. Das erweist sich als schwierig, wenn man eine Doppelkernfaser verwenden will.

Siehe auch: Überblick über die Power Forms