圖1:包含兩個(gè)有源光纖的光纖激光器的光功率變化。這個(gè)例子摘自之前的一篇文章。
怎樣在RP Fiber Power中建模多級(jí)放大器
發(fā)布時(shí)間:2021-05-24 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】對(duì)于光纖中的強(qiáng)放大光信號(hào),通常需要使用兩個(gè)甚至更多的光纖放大級(jí)。例如,可能需要濾除階與階之間的ASE或反向傳播的光,或者可能需要在不同級(jí)使用不同的光纖(例如,對(duì)于功率放大器,使用更大的有效模面積和包層泵浦)。在這里,我們想分享一些關(guān)于如何用我們的軟件RP Fiber Power建模這樣的多級(jí)放大器的想法。
對(duì)于光纖中的強(qiáng)放大光信號(hào),通常需要使用兩個(gè)甚至更多的光纖放大級(jí)。例如,可能需要濾除階與階之間的ASE或反向傳播的光,或者可能需要在不同級(jí)使用不同的光纖(例如,對(duì)于功率放大器,使用更大的有效模面積和包層泵浦)。在這里,我們想分享一些關(guān)于如何用我們的軟件RP Fiber Power建模這樣的多級(jí)放大器的想法。
每個(gè)階段一個(gè)腳本
概念上最簡(jiǎn)單的方法是為不同的階段使用單獨(dú)的模擬腳本,或者使用交互式表單對(duì)它們建模。這可能是一種適當(dāng)?shù)姆椒ǎ貏e是如果每個(gè)階段都需要在進(jìn)行下一階段之前詳細(xì)分析和優(yōu)化。
一個(gè)具有實(shí)際重要性的問(wèn)題可能是如何在不同的模擬之間傳輸數(shù)據(jù)。在簡(jiǎn)單的情況下,它可能只是一個(gè)恒定的信號(hào)輸出功率,需要作為下一級(jí)的輸入功率;您可以手動(dòng)傳送。但是,也可能有一個(gè)完整的ASE頻譜要轉(zhuǎn)移,即一整個(gè)功率值陣列。在超短脈沖放大的情況下,需要轉(zhuǎn)移整個(gè)脈沖,例如在時(shí)域或頻域用復(fù)雜的振幅表示。自然的解決方案是將這些數(shù)據(jù)保存到一個(gè)或多個(gè)文件中,然后腳本可以在下一個(gè)階段讀取這些文件。這只需要更多的代碼,但是我們強(qiáng)大的腳本語(yǔ)言允許您保存和加載任何數(shù)據(jù)。您甚至可以在交互式表單中使用它,可以為此類(lèi)任務(wù)注入一些腳本代碼。
在如下情況下,可能會(huì)遇到這種簡(jiǎn)單方法的局限性:
如果第一個(gè)放大級(jí)的某些細(xì)節(jié)被修改,您將需要再次手動(dòng)啟動(dòng)后續(xù)階段的模擬——如果這種情況經(jīng)常發(fā)生,這將是一個(gè)痛苦的過(guò)程。
制作包含多個(gè)階段輸出的圖(如圖1所示)是可能的,但同樣需要保存和加載數(shù)據(jù),這可能有點(diǎn)不方便。
簡(jiǎn)單的方法在階與階之間相互作用的情況下失敗了。例如,設(shè)想第二個(gè)放大器級(jí)的反向ASE或剩余泵浦功率會(huì)影響第一個(gè)放大器級(jí)。為了計(jì)算自洽狀態(tài),顯然不能再單獨(dú)考慮階段。
圖1:包含兩個(gè)有源光纖的光纖激光器的光功率變化。這個(gè)例子摘自之前的一篇文章。
一個(gè)腳本有幾個(gè)階段
確實(shí)經(jīng)常需要(或者只是更方便)制作一個(gè)單獨(dú)的模擬腳本來(lái)處理多個(gè)放大階段(甚至可能是種子激光器,例如鎖模激光器)。
如何在一個(gè)腳本定義和處理不同的放大器階段?
接下來(lái)的問(wèn)題是,如何使用不同的stages的索引作為參數(shù)的函數(shù)來(lái)處理不同的stages。解決方案很簡(jiǎn)單:為了告訴RP Fiber Power 軟件接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么,您可以使用一個(gè)函數(shù)調(diào)用像set_device(2)——例如,光纖的定義相應(yīng)的光學(xué)通道,或計(jì)算數(shù)據(jù)的檢索,是指第二個(gè)設(shè)備,這可能是第二次放大級(jí)。
下面,我們向你您展示一些計(jì)算雙級(jí)光纖放大器穩(wěn)態(tài)的示例代碼,其中信號(hào)從第一級(jí)到第二級(jí),而一些從第二級(jí)的剩余泵浦光進(jìn)入第一級(jí)(ASE被忽略)。假設(shè)已經(jīng)定義了光纖及其光通道,則可以使用以下函數(shù)來(lái)計(jì)算穩(wěn)態(tài):
find_steady_state(P_s_in, P_p1, P_p2) := begin global allow all; var P_s_fw, P_p_bw, NoSteps; NoSteps := 0; set_device(1); set_P_in(pump1_fw, P_p1); set_P_in(signal1, P_s_in); repeat inc(NoSteps); P_s_fw := P_out(signal1); set_device(2); set_P_in(pump2_bw, P_p2); set_P_in(signal2, P_s_fw); P_p_bw := P_out(pump2_bw); { backward pump power left over by the second stage } set_device(1); set_P_in(pump1_bw, P_p_bw); until abs(P_s_fw - P_out(signal1)) < 0.01 mW; NoSteps; end
您看,即使那些沒(méi)有看過(guò)手冊(cè)的人也可以很容易地猜出代碼的不同元素在做什么。在調(diào)用該函數(shù)時(shí),您告訴它的信號(hào)輸入功率和泵的兩個(gè)階段,第一階段和函數(shù)返回找到穩(wěn)態(tài)所需的迭代次數(shù)(可能通常是2)。此后,您可以檢索任何輸出,例如,顯示兩個(gè)階段后的信號(hào)輸出功率(3位有效數(shù)字和單位瓦):
calc find_steady_state(1 mW, 150 mW, 1600 mW)show "P_s1: ", (set_device(1); P_out(signal1)):d3:"W"show "P_s2: ", (set_device(2); P_out(signal2)):d3:"W"
創(chuàng)建一個(gè)圖表也是沒(méi)有問(wèn)題的,例如,在給定泵功率的固定值下,將最終信號(hào)輸出功率顯示為信號(hào)輸入功率的函數(shù):
diagram 1: "Signal Output vs. Signal Input" x: 0, 20"signal input power (mW)", @xy: 0, 1500"signal output power (mW)", @y f: (find_steady_state(x * mW, 150 mW, 1600 mW); set_device(2); P_out(signal2) / mW), color = blue
在超短脈沖放大的情況下也可以做類(lèi)似的事情。您可以只創(chuàng)建一個(gè)開(kāi)始脈沖(例如,給定參數(shù)的高斯脈沖,或從文件讀取的脈沖,或從鎖模激光模型在同一腳本中的穩(wěn)態(tài)輸出),然后通過(guò)不同的階段發(fā)送。您可以用連續(xù)波計(jì)算來(lái)準(zhǔn)備關(guān)于它的激光活性離子的激發(fā)狀態(tài)的每個(gè)階段(例如,根據(jù)信號(hào)的平均功率,計(jì)算為脈沖能量和脈沖重復(fù)率的乘積),或在打開(kāi)恒定的泵浦功率(或任何其他泵浦功率的時(shí)間剖面)后模擬重復(fù)放大。您還可以定義一個(gè)函數(shù),讓它執(zhí)行某些迭代步驟,直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這些只是例子-您可以做任何您想做的事情!
腳本與圖形界面
其他一些產(chǎn)品(例如VPIphotonics)使用完全不同的方法來(lái)建模多個(gè)放大器級(jí)的系統(tǒng)。在那里,您交互式地在桌面放置一些放大器階段的符號(hào),并將它們與象征它們之間的光流的線(xiàn)連接起來(lái)。通過(guò)右鍵單擊相應(yīng)的符號(hào)并在獲得的彈出式表單中輸入數(shù)據(jù),可以修改放大器級(jí)的詳細(xì)信息。例如,進(jìn)一步的工具可以幫助您制作圖表。
乍一看,您可能認(rèn)為這種GUI方法比編寫(xiě)帶有如上所示元素的腳本更容易。其實(shí),雖然這在最簡(jiǎn)單的情況下可能是正確的,但當(dāng)您需要在研發(fā)工作中做更復(fù)雜的事情時(shí),您很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)這種方法固有的局限性。即使用戶(hù)界面足夠強(qiáng)大,例如允許您生成圖,計(jì)算量顯示為一個(gè)函數(shù)的輸入?yún)?shù),但您可能經(jīng)常需要做更復(fù)雜的事情。想象一下,如果您需要進(jìn)一步的數(shù)學(xué)處理計(jì)算數(shù)據(jù)——例如,在隨機(jī)噪聲的影響下存儲(chǔ)隨后的放大脈沖,并使用傅里葉變換和相關(guān)的東西(如應(yīng)用窗口功能)來(lái)計(jì)算噪聲頻譜。即使軟件足夠好,可以將脈沖的相關(guān)參數(shù)存儲(chǔ)在一個(gè)文件中,將所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到其他軟件僅僅進(jìn)行數(shù)學(xué)處理也會(huì)很不方便。如果您可以在模擬腳本中完成所有操作,那么這是最簡(jiǎn)單的。
MATLAB接口可以解決這個(gè)問(wèn)題嗎?
順便說(shuō)一下,有一些軟件包有一個(gè)接口,例如MATLAB,這樣您就可以用MATLAB控制模型(例如自動(dòng)改變一些參數(shù)),并在MATLAB中處理結(jié)果。這樣就增加了很大的靈活性,但這是有代價(jià)的。首先,您需要有MATLAB許可證,并對(duì)其足夠熟悉。其次,您必須查明如何確切地處理該接口。第三,與我們的RP Fiber Power軟件相比,執(zhí)行速度可能會(huì)相當(dāng)慢。
其他人可能會(huì)考慮在MATLAB中完成所有的工作——這是另一個(gè)使用腳本進(jìn)行計(jì)算的環(huán)境。但是,這意味著巨大的工作量,因?yàn)槟鷮⒉坏貌粓?zhí)行許多復(fù)雜的光學(xué)和物理計(jì)算,而不是處理您的實(shí)際問(wèn)題。
由于這些原因,我們決定在我們的RP Fiber Power 軟件中使用腳本方法,它仍然可以與交互式表單結(jié)合,甚至可以與用戶(hù)定義的表單結(jié)合。這為您提供了無(wú)與倫比的靈活性,而且使用起來(lái)也很好。
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