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

Power Form: Modeneigenschaften einer Germanosilikatfaser

Diese Power Form erlaubt die einfache Berechnung der Modeneigenschaften einer Germanosilikatfaser aus einem gegebenem GeO₂-Dotierungsprofil.

Germanosilikat ist eine amorphe Mischung von Siliziumdioxid (SiO₂) und Germaniumdioxid (GeO₂), die durch den molaren Anteil von GeO₂ (als Dotierung betrachtet) spezifiziert wird. Je höher diese Konzentration, desto höher wird der resultierende Brechungsindex. Viele Silikatfasern basieren auf diesem Material. Das Dotierungsprofil kann so gestaltet werden, dass gewisse Modeneigenschaften optimiert werden.

Definition des GeO₂-Dotierungsprofils

Sie haben hierfür drei Möglichkeiten:

Einfaches Stufenprofil

Wenn Sie den Profiltyp single step wählen, können Sie den Kerndurchmesser und die GeO₂-Konzentrationen von Kern und Mantel angeben:

Obwohl der Mantel normalerweise kein GeO₂ enthält, erlaubt das Formular auch einen dotierten Mantel.

Mehrstufiges Profil

Wenn Sie multiple steps auswählen, können Sie bis zu acht radiale Segmente mit unterschiedlichen GeO₂-Konzentrationen definieren:

Ausdruck für die Konzentration

Wenn Sie volle Flexibilität brauchen, können Sie die Dotierungskonzentration im Faserkern auch über einen Ausdruck festlegen, der von der radialen Position r abhängt:

In diesem Beispiel haben wir 5 % Dotierung auf der Faserachse (r = 0) und einen kontinuierlichen Rückgang auf 0 hin zum Fasermantel.

Anzeige von Modeneigenschaften

Weiter unten im Formular finden Sie eine Tabelle mit den berechneten Eigenschaften der Moden für eine gegebene Wellenlänge:

Für jede Mode bekommen Sie die folgenden Dinge:

• Name der Mode (nach der Namenskonvention für LP-Moden)
• Phasenkonstante <$\beta$> (Imaginärteil der Propagationskonstanten), d. h. die Phasenänderung pro Einheitsdistanz
• effektiver Brechungsindex <$n_{\rm eff}$>: berechnet aus der Phasenkonstanten
• Gruppenindex <$n_{\rm g}$>
• effektive Modenfläche <$A_{\rm eff}$>
• prozentualer Anteil der optischen Leistung, der innerhalb des Faserkerns propagiert

Zusätzlich wird unten der M²-Faktor der Grundmode angezeigt. Er liegt oft nahe 1, aber in Fällen mit deformiertem Modenprofil kann er auch deutlich höher sein.

Diagramme

Das Fomular bietet die Erstellung mehrerer Diagramme für die Modeneigenschaften an:

Wählen Sie einfach aus, was Sie benötigen, und in der rechten Spalte können Sie einige Optionen auswählen.

Das folgende Bild zeigt Ihnen für unseren Beispielfall, was Sie von diesem Formular erhalten können:

Bem.: Hier sehen Sie das ganze Diagrammfenster, in dem dieses Diagramm angezeigt wird. Hier können Sie eine Diagrammversion für jede Fasermode anwählen.

Bem.: Die höchste Mode (LP₁₂) “explodiert” in der Nähe ihrer Cut-off-Wellenlänge; das Modenfeld dringt dann weit in den Fasermantel ein. Dies sieht man auch in einem Bild oben (für 1064 nm) schon etwas.

Sie sehen, dass die höchste Mode nur wenig Überlapp mit dem Faserkern hat.

Der effektive Brechungsindex liegt zwischen den Werten für die Materialkombinationen mit minimaler und maximaler GeO₂-Konzentration.

In der Regel haben Moden höherer Ordnung höhere Gruppenindizes (d. h. niedrigere Gruppengeschwindigkeiten). In unserem Beispiel ist in die LP₁₂-Mode eine bemerkenswerte Ausnahme: Sie ist relativ schnell, da sie hauptsächlich im Fasermantel propagiert. Sie zeigt jedoch auch eine starke Dispersion:

Das letzte Diagramm zeigt, wie viel Zeit die Pulse zum Durchlaufen von 1 km der Faser benötigen würden, und was die Pulsdauer danach wäre, wenn wir mit 10-ps-Gaußpulsen beginnen.

Erweiterungen

Sollten Sie solche Berechnungen für andere Materialsysteme benötigen – etwa für Fasern mit Fluor-dotiertem Mantel –, wäre es kein Problem, erweiterte Version des Formulars anzufertigen, sofern wir die nötigen Materialdaten hierfür finden. Wenn eine Erweiterung von genügend allgemeinem Interesse ist, können wir diese gerne auf ihre Anregung durchführen. Andernfalls können Sie das entweder selbst tun oder es von uns im Rahmen des technischen Supports durchführen lassen.

Fallstudien

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

Siehe auch: Überblick über die Power Forms