光纤器件的数值分析与设计优化
发布时间：2023-11-22 10:00:31 阅读数： 21
光纤器件的运行涉及许多复杂的方面，无论是被动还是主动设备，都需要数值工具来分析各种物理细节。这些理解有助于优化光纤组件的设计及其使用方式。以下是对发展活动和被动光纤设备时常常相关的不同方面的概述。
目录
1. 光纤模式的计算
在众多光纤模式中，引导模式尤为重要，例如它们对于光耦合进光纤以及输出光束质量都至关重要。模式属性由光纤的折射率剖面决定，感兴趣的属性可能包括：
大多数全玻璃光纤具有径向对称的折射率剖面，并且也只显示出微弱的折射率对比，因此可以使用弱导波导的近似方法。在这种情况下，光纤的LP模式可以使用基于相对简单的数值方法的模式求解器来计算。这也意味着计算可以相当快速——在普通PC上，即使存在许多此类模式，完整的引导模式属性也可以在一秒钟内计算出来。
2. 数值光束传播
并非在所有情况下，计算光纤模式都是可行和有帮助的。例如，对于一些具有不规则剖面的双包层光纤的泵浦包层来说，模式计算非常困难且相当耗时。它还提供了比所需更详细的信息（成百上千的详细模式强度剖面），同时仍未完全考虑到不规则光纤弯曲的效应。另一个例子是熔接光纤耦合器，其模式强烈依赖于局部条件。在这些情况下，通常更适合数值模拟光束传播。
3. 光纤中的光学放大
光学放大发生在基于掺杂稀土光纤的光纤激光器和放大器中。掺杂剂通常限制在光纤芯中，但也有用于特殊应用的改进设计，例如围绕芯的环形掺杂。
4. 激光或放大器增益
所得激光增益取决于激活离子的激发密度，但也取决于光纤模式与掺杂剂的重叠。因此，增益不仅取决于波长，而且对于不同模式也可能有所不同。光纤设计可以优化，使得高阶模式比首选的基模具有更低的增益。
5. 光纤激光器和放大器的自洽性
为了计算光纤激光器的稳态，但也适用于具有反向传播泵浦和信号的光纤放大器，需要找到激发密度和光功率的自洽解。这些量相互依赖，原本都是未知的。在简单情况下可以使用相对简单的方法，如射击法，但在更复杂的情况下，任务在数值上变得相当具有挑战性。
6. 动态模拟
在各种情况下，人们不仅对稳态感兴趣，而且对于时间相关的功率输入的时间演变感兴趣。例如，可以考虑一个光纤放大器，它首先被泵浦一段时间，以便在光纤中存储一些能量，然后用于放大注入的纳秒脉冲。在泵浦阶段，增益提高，而泵浦吸收减少；传输的剩余泵浦功率可能随时间增加。当注入信号脉冲时，它将饱和增益，从而输出脉冲的时间形状可能变得相当扭曲。
7. 超短脉冲传播
超短脉冲可以在光纤放大器中放大或在锁模光纤激光器中产生。此外，人们可能希望研究用于例如传递给应用程序的被动光纤中的脉冲传播。对于光纤中的脉冲传播，需要考虑额外的效应——特别是色散和光纤的非线性（可能包括受激拉曼散射）。此外，可能需要在模型中处理具有不同属性的多个光纤，以及额外组件的效应，例如用于锁模的可饱和吸收体、光学滤波器或输出耦合器。有了这些功能，光纤模拟软件也可以用于许多体光学设备。
