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

Power Form: Passive Faser für Ultrakurze Pulse

Diese Power Form erlaubt die Simulation der Propagation ultrakurzer Pulse in einer passiven Faser, oder in einer Folge solcher Fasern.

graphic for this Power Form

Dies könnte man im Prinzip auch mit der Power Form for Verstärker erreichen, indem man die Dotierungskonzentration der aktiven Faser(n) auf null setzt, aber es ist praktischer mit diesem einfacheren Formular.

Grundlegende Eigenschaften des Modells

  • Passive Fasern: Wir haben eine Folge von bis zu fünf passiven Fasern. Jede Faser kann ausgewählt werden oder auch nicht; im letzteren Fall gehen die Pulse nicht durch diese Faser.
  • Eingangs-Puls: Wir können einen ultrakurzen Puls auf verschiedene Weisen definieren, etwa über Parameter wie Pulsenergie, Pulsdauer, zeitliche Form und Chirp. Man kann einen Puls auch aus einer Datei laden.
  • Faserparameter: Man gibt zunächst grundlegende Daten wie Faserlänge und Kerndurchmesser an. Das transversale Modenprofil kann auf verschiedene Weisen festgelegt werden: manuell bestimmt oder über berechneten Moden aus einem Brechungsindex- oder Dotierungsprofil.
  • Dispersion und Nichtlinearitäten: Man kann wellenlängenabhängige Dispersion festlegen, die in den Fasern und zwischen ihnen wirkt. Bei Eingabe eines Dotierungsprofils kann die Dispersion auch automatisch berechnet werden. Nichtlinearitäten bis hin zu einer verzögert wirkenden nichtlinearen Antwort (für Ramanstreuung) können eingegeben werden.
  • Koppelverluste: Nach jeder Stufe (und nach der Eingangs-Signalquelle) kann man wellenlängenabhängige Koppelverluste einfügen, z. B. um ein Filter zu simulieren.

Details der Eingangssignale

Hier können Sie den Puls definieren, der in die erste Faser geschickt wird. Außerdem legt man das numerische Feld fest, auf dem die Pulse in der Zeit- und Frequenzdomäne repräsentiert werden.

Oft wird man ein gaußförmiges, sech2- oder lorentzförmiges Profil wählen, ggf. auch kombiniert mit einem Chirp, aber man kann Pulsprofil auch beliebig in der Zeit- oder Frequenzdomäne definieren:

Fasern

Man kann eine Folge von bis zu fünf passiven Fasern definieren, jede mit ihren eigenen Eigenschaften:

Die Details der Fasermoden können auf drei verschiedene Weisen definiert werden:

  • Manual input: Hier gibt man den Modenradius (für ein Gauß- oder Rechteckprofil) ein und legt die chromatische Dispersion fest – entweder direkt (als GVD) oder indirekt über den effektiven Brechungsindex als Funktion der Wellenlänge.
  • Refractive index profile: Man kann ein Brechungsindexprofil auf verschiedene Weisen definieren. Die Modenprofile werden daraus berechnet, und eine der Moden wählt man für die Pulspropagation aus. Zusätzlich kann man die Dispersion wie oben eingeben.
  • Doping profile of a germanosilicate fiber: Hier wird das wellenlängenabhängige Brechnungsindexprofil durch ein Dotierungsprofil einer Germanosilikatfaser festgelegt. Die chromatische Dispersion wird daraus automatisch berechnet.

Diagramme

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

choice of diagrams

Die Diagramme sind auch konfigurierbar; beispielsweise können Sie 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
  • Mode diagrams: Anzeige diverser Modeneigenschaften
  • Output diagrams: Anzeige diverser Eigenschaften der simulierten Pulse
  • 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.

Als Beispiel betrachten wir die Anzeige von Pulsen innerhalb der Faser, dargestellt in der zeitlichen und Frequenzdomäne:

output pulses in time domain
output pulses in frequency domain

Wir können auch Spektrogramme erzeugen:

spectrogram

Eine weitere Möglichkeit ist ein Farbdiagramm für die Entwicklung der zeitlichen oder spektralen Form innerhalb der Faser:

spectrogram

Wir können auch sehen, wie sich diverse Pulsparameter entlang einer Faser entwickeln:

pulse parameters vs. position in the fiber

Fallstudien

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

Fallstudien

case study soliton experiments

Fallstudie: Numerische Experimente mit Soliton-Pulsen in Fasern; spektrale Verbreiterung, self-steepening, Raman-Streuung, adiabatische Anpassung

Wir untersuchen diverse Details von Soliton-Pulspropagation in passiven Fasern. Dafür benutzen wir numerische Simulationen.

#Pulse#Nichtlinearitäten

Fallstudien

case study soliton self-frequency shift

Fallstudie: Soliton-Selbstfrequenzverschiebung in Glasfasern; verzögerte nichtlineare Antwort, stimulierte Ramanstreuung

Wir simulieren numerisch die Soliton-Selbstfrequenzverschiebung, die durch stimulierte Ramanstreuung verursacht wird. Einflüsse wie chromatische Dispersion höherer Ordnung erweisen sich als wesentlich.

#Pulse#Nichtlinearitäten

Fallstudien

case study pulse compression

Fallstudie: Nichtlineare Pulskompression mit einer Faser; Selbstphasenmodulation, nichtlineare Effekte, chromatische Dispersion, Femtosekunden-Pulse

Wir untersuchen, wie Lichtpulse in einer Faser durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert und danach dispersiv komprimiert werden können. Man erreicht leicht eine Reduktion der Pulsdauer um mehr als eine Größenordnung, aber meist mit nicht idealer Pulsqualität.

#Pulse#Nichtlinearitäten

Fallstudien

case study soliton collision

Fallstudie: Kollision von Solitonen in einer Faser

Wir lassen Soliton-Pulse in einer Faser kollidieren. Überraschenderweise erweisen sie sich als sehr robust – sogar wenn wir z. B. Solitonen höherer Ordnung verwenden.

#Pulse#Nichtlinearitäten

Fallstudien

case study supercontinuum generation

Fallstudie: Superkontinuum-Gerzeugung in einer einmodigen Telekom-Faser; oktav-breites Spektrum, Simulation, Design, Dispersion

Wir untersuchen die Erzeugung eines Superkontinuums in einer Telekom-Faser. Dies funktioniert gut für Wellenlängen im Bereich anomaler Dispersion. Für kurzwelligere Pulse würde man andere Arten von Fasern benötigen.

#pulses

Siehe auch: Überblick über die Power Forms