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

Power Form: Faserverstärker für Pulse

Diese Power Form dient der Simulation gepulster Faserverstärkersysteme – auch mit mehreren Eingangssignalen und mehreren Verstärkerstufen. Das dynamische Verhalten ist von besonderem Interesse – etwa die Entwicklung der Pulsenergien über mehrere Zyklen des repetitiven Betriebs.

Dieses Modell ist gedacht für nicht zu kurze Pulse, für die nichtlineare und dispersive Effekte vernachlässigt werden können. (Es gibt ein anderes Modell für ultrakurze Pulse.)

Grundlegende Eigenschaften des Modells

• Verstärkerstufen: Wir simulieren einen Faserverstärker mit bis zu fünf Verstärkerstufen. Jede Stufe kann einzelnen aktiviert oder deaktiviert werden.
• Eingangssignale: Wir starten mit bis zu zehn Eingangspulsen, die verschiedene Wellenlängen und zeitliche Formen haben können (Gauß, Super-Gauß, rechteckförmig), oder frei benutzerdefiniert in der zeitlichen und Frequenzdomäne.
• Faserparameter: Für jede Verstärkerstufe kann man einen Satz von 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 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.
• Simulationszyklen: Wir können entweder einen einzelnen Verstärkungsvorgang simulieren oder auch repetitive Verstärkung mit mehreren (ggf. sogar vielen) Zyklen von Pumpen und Verstärkung. Dabei können wir auch die Entwicklung diverser Größen über die Zyklen verfolgen.

Details der Eingangssignale

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

Die folgenden Dinge lassen sich einstellen:

• Jeder Puls kann aktiviert werden oder auch nicht.
• Die Pulsenergie wird in jedem Fall benötigt.
• In der zeitlichen Domäne können Sie entweder eine zeitliche Form (Gaussian, super-Gaussian oder rectangular) auswählen oder ein frei benutzerdefiniertes Profil angeben.
• Die Pulse können entweder quasi-monochromatisch oder breitbandig sein (dh eine spektrale Form haben, die aus mehreren spektralen Linien gebildet wird). Für breitbandige Signale gibt es mehrere Optionen, einschließlich frei benutzerdefinierter Formen.

Am Ende können noch Koppelverluste eingegeben werden, die zwischen der Signalquelle und der ersten aktiven Verstärkerstufe auftreten. Dies können konstant oder wiederum wellenlängenabhängig sein.

Verstärkerstufen

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

Dies funktioniert weitgehend wie für |cw-Verstärker und wird deswegen hier nicht nochmals erläutert.

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; 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
• 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: Gepulster Yb-dotierter Verstärker

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: 100 nJ, 6 ns, 1050 und 500 nJ, 5 ns, 1065 nm.
• Wir haben einen Yb-dotierten einmodigen Faserverstärker, der in Vorwärtsrichtung mit 200 mW bei 940 nm gepumpt wird. Wir brauchen nur 20 cm davon, da die Faser hoch dotiert ist.

Der Verstärker befindet sich anfangs im ungepumpten Zustand. Wir simulieren dann vier Zyklen von Pumpen und Pulsverstärkung mit einer Repetitionsrate von 5 kHz. Hier sehen Sie die zeitliche Entwicklung der Signalpulsenergien und (graue Angaben) der ASE-Leistungen direkt vor und nach den Pulsen:

Nach diesen vier Zyklen hat das System annähernd den stationären Zustand erreicht.

Hier sehen Sie die Verhältnisse in der Verstärkerfaser:

Das nächste Diagramm zeigt die Spitzenleistungen und Pulsdauern innerhalb der aktiven Faser:

Wir können ebenfalls die Entwicklung des Pulsspektrums anschauen. Sie zeigt eine gewisse Drift der Wellenlänge des kurzwelligeren Signals:

Schließlich zeigen wir noch die Leistungen und Anregungsdichten direkt vor und nach dem letzten Puls:

Man sieht, dass die Yb-Anregung bei der Pulsverstärkung hauptsächlich am rechten Ende stark reduziert wird, wo die Pulse intensiver sind. ASE ist nach dem Puls sehr schwach, da die Verstärkung stark reduziert wird.

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.

Auch sehr viel kompliziertere Verstärkermodelle könnten einfach aufgesetzt werden, z. B. mit mehreren Verstärkerstufen und spektralen Filtern dazwischen.

Fallstudie

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

Siehe auch: Überblick über die Power Forms