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

Power Form: Faserverstärker für ultrakurze Pulse

Diese Power Form ist geeignet für ausgefeilte physikalische Modellierungen von Faserverstärkersystemen für ultrakurze Pulse (auch mit mehreren Eingangspulsen bei verschiedenen Wellenlängen, mehreren Verstärkerstufen etc.).

Nichtlineare und dispersive Effekte werden in diesem Simulationsmodell berücksichtigt, anders als in einem Modell für längere Pulse.

Symbolgrafik für diese Power Form

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 oder 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 wellenlängen-abhängigen 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.

Wenn Sie mit längeren Pulsen zu tun haben, wo nichtlineare und dispersive Effekte vernachlässigt werden können, raten wir zur Verwendung des einfacheren Modells für längere Pulse.

Details der Eingangssignale

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

Es ist einfach, z. B. einen Gauß-Puls einzugeben:

Definition eines Gauß-Pulses

Sie können jedoch auch einen beliebigen Ausdruck für die Pulsamplitude als Funktion von Zeit, Frequenz oder Wellenlänge (inkl. komplexe Phase) angeben:

Ausdruck für die Pulsamplitude

Es kann ebenfalls wellenlängenabhängige Koppelverluste geben.

Verstärkerstufen

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

Definition von Verstärkerstufen

Dies ist ähnlich wie im Modell für längere Pulse; wir beschreiben im Folgenden nur die Details, die anders sind als dort.

Im Tab Nonlinear response können Sie nicht nur einen nichtlinearen Index eingeben, sondern sogar eine verzögerte nichtlineare Antwort für die Simulation stimulierter Raman-Streuung konfigurieren, z. B. mit einer benutzerdefinierten Funktion für die Raman-Response:

definition einer verzögerten nichtlinearen Antwort

In diesem Beispiel verwenden wir eine anderswo mit einem Ausdruck definierte Raman-Funktion h_R(t).

Diagramme

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

Auswahl von Diagrammen

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: Ultrakurzpuls-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: 100 nJ, 6 ns, 1050 und 500 nJ, 5 ns, 1065 nm.
  • Wir haben zunächst einen Yb-dotierten einmodigen Faserverstärker, der in Vorwärtsrichtung mit 100 mW bei 940 nm gepumpt wird.
  • Eine zweite Verstärkerstufe basiert auf einer Doppelkernfaser, die mit 800 mW rückwärts gepumpt wird.

Der Faserverstärker ist anfangs im ungepumpten Zustand, den Sie hier für die erste Stufe sehen:

erste Stufe im ungepumpten Zustand

Dies gilt für den ersten Moment des Pumpens, wo die Yb-Anregung noch null ist. Wegen der starken Pumpabsorption könnte die Faser als übermäßig lang erscheinen, aber dies ändert sich später – siehe den Zustand nach mehreren Zyklen der Pulsverstärkung:

Zustand nach mehreren Zyklen

Hier dringt das Pumplicht viel weiter ein. Außerdem bekommen wir ASE in beiden Richtungen.

Wir simulieren nun zehn Zyklen von Pumpen und Pulsverstärkung mit einer Repetitionsrate von 5 kHz. Hier sehen Sie die Entwicklung der Pulsenergien nach der ersten Verstärkerstufe:

Entwicklung der Pulsenergien nach der ersten Stufe

Dasselbe für die zweite Stufe:

Entwicklung der Pulsenergien nach der zweiten Stufe

Ein weiteres Diagramm hilft, auch Dinge wie den Aufbau der Yb-Anregung in den Pumpzyklen zu analysieren:

Man sieht, dass das System nach ca. zehn Zyklen den stationären Zustand erreicht hat. Es ist zunächst überraschend, dass die Pulsenergie nach der zweiten Stufe nach dem 7. Puls wieder etwas sinkt, obwohl die Pulsenergie von der ersten Verstärkerstufe immer noch etwas ansteigt und ebenfalls die Yb-Anregung in der zweiten Stufe. Jedoch werden die Pulse dermaßen stark spektral verbreitert (siehe unten), dass sie effektiv an Verstärkung verlieren.

Es gibt auch Diagramme für die erzeugten Pulse, aber stattdessen kann man auch ein interaktives Fenster verwenden, um die Pulse auch an verschiedenen Stellen innerhalb der Faser untersuchen zu können:

Fenster für die Inspektion von Pulsen

Man erkennt, dass die Pulse nach der zweiten Stufe zeitlich und vor allem spektral stark verzerrt werden. Die hohe Spitzenleistung führt zu starken nichtlinearen Effekten, und die chromatische Dispersion spielt ebenfalls eine wichtige Rolle.

Dies ist nur ein Beispiel für womöglich unerwartetes Verhalten, das sie mit einem solchen Modell finden und analysieren können.

In der Praxis würde man dieses Verstärkerdesign sicherlich noch optimieren wollen, vor man es im Labor ausprobiert – was viel Zeit und Geld sparen kann gegenüber einem Trial-and-Error-Ansatz im Labor, der oft langwierig und teuer ist.

Das Simulations-Formular bietet viele weitere praktische Features. Beispielsweise kann man auf effiziente Weise zusätzliche Zyklen vor den in den Diagrammen angezeigten simulieren lassen. Man kann den Ausgangszustand des Verstärkers auch ändern, z. B. basierend auf der durchschnittlichen Signalleistung, was meist näher am stationären Zustand liegt.

Fallstudien

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

  • Parabolische Pulse in einem Faserverstärker
  • Wir erkunden das Regime der parabolischen Pulsverstärkung in einer Yb-dotierter einmodigen Faser. Wir finden passende Systemparameter und untersuchen diverse limitierende Effekte.
  • Solitonen-Pulse in einem Faserverstärker
  • Wir testen, inwieweit man Solitonenpulse in einem Faserverstärker so verstärken könnte, dass die Solitonenform erhalten bleibt und gleichzeitig eine starke Pulskompression erzielt wird.

Siehe auch: Überblick über die Power Forms