RP Fiber Power 包层泵浦光纤放大器
RP Fiber Power 无源光纤之单模光纤
RP Fiber Power 无源光纤之单模光纤前面在关于无源光纤的玻璃光纤和模式的篇章中，我们已经看到，根据折射率分布和波长的不同，光纤可以引导不同数量的模式。
如果数值孔径和折射率对比度较小，则可能只有单一的引导模式(LP01模式)。
在这种情况下，这种光纤称为单模光纤。
这样LP11、LP20等高阶模就不存在了，只存在不局限于纤芯周围的包层模。
需要注意的是，在大多数情况下，不同偏振状态的光可都以被引导。
“单模”一词忽略了这样一个事实情况，就是通常在径向对称的折射率剖面和无双折射的情况下，实际上有两个不同的模，它具有相同的强度剖面，但线偏振方向正交。
任何其他偏振态都可以看作是这两个偏振态的线性叠加。
单模光纤的制导条件对于步进折射率光纤的设计，单模引导有一个简单的标准:V数必须在2.405以下。
V的定义如下：其中，λ是指真空波长，a是光纤核的半径，NA为数值孔径。
对于折射率的其他径向依赖性，甚至对于非径向对称的折射率剖面，单模条件通常需要进行数值计算。
使用标准V < 2.405是不正确的，例如V是从最大指数差计算出来的。
核尺寸的影响一般来说，人们可能认为更小的核心意味着更小的光纤模式。
对于常数V，这是成立的;对于较大的核，索引的对比会变得更小。
但是，如果保持数值孔径为常数，则V数随核半径变化，模态半径与核半径呈非单调依赖关系，如图2所示，NA为0.1:图1:常数数值孔径为0.12时模态半径与芯体半径的依赖关系。
模态半径通过强度剖面的第二矩(D4σ值)来定义。
单模区域位于灰色垂直线的左侧。
可以看出，当核心半径在4.8 μm以下，V数非常小时，模态半径就增大。
在小V值的情况下，模式远远超出了核心，它基本上偏离了高斯形状。
图2显示了较高NA为0.3时的相同情况:图2:常数数值孔径为0.12时模态半径与芯体半径的依赖关系。
例子:典型的单模光纤典型的一种，是波长为1.5μm的单模光纤可能具有芯半径为4μm和数值孔径为0.12的阶跃折射率剖面。
RP Fiber Power 无源光纤之光纤模式
RP Fiber Power 无源光纤之光纤模式一般来说，在光纤中传输的光束，其光强会在传输过程中发生变化。
演变过程甚至会相当复杂。
例如，假设我们将一束相对于光轴倾斜20°的高斯光束，注入到纤芯半径为20μm和NA=0.3的光纤中，会发生什么呢？图1:RP Fiber Power软件模拟的多模光纤的强度演变过程。
将一束相对于光轴倾斜20°的高斯光束注入到光纤中。
(请注意，这里我们只显示了强度的轮廓)当光束到达纤芯/包层界面并在那里反射时，可以清楚地看到发生的干涉效应。
最后，横截面如图2所示图2: 超过10μm的光束强度分布。
我们已经看到强度分布通常以复杂的方式演变。
但是，在传输过程中，存在一定的振幅分布(即电场振幅的分布)，强度分布保持不变(假设是无损耗光纤)。
这样的场分布称为光纤的模式。
其中最简单的基模，也称为LP01模，看起来如下图所示:图3:多模光纤中基模的强度分布图。
灰色的圆圈表示纤芯/包层边界。
这是一个高阶模式，LP37模式，如下图:图4:多模光纤中LP37模式的强度分布图。
对于基模，非均匀折射率分布恰好抵消了自然发散。
特别要注意的是，高阶模的轮廓可以显著地延伸到包层中。
下图是光纤各导模的振幅分布图，按模式指标排序:图5:多模光纤中所有导模的振幅分布图。
通过RP Fiber Power软件，可以在一秒之内计算出模式。
在我们的案例中，纤芯半径为20μm,NA = 0.3，在1.5μm波长处，光纤有84种不同的导模(见图5)——如果计算不同方向的导模，甚至有160种。
(例如LP11模式也存在于旋转90°的情况;这两种模式是相互正交的。
所有的导模本质上都被限制在纤芯区域，即使它们在某种程度上可以延伸到包层中(但是随着离纤芯距离的增加，强度会降低)。
图6显示了光纤模式的远场分布，因为它们可以在距离光纤末端较远的地方观察到。
它们看起来类似于近场分布,但不是完全一致。
RP系列 激光分析设计软件简介
RP Fiber Power 光纤激光器及光纤器件设计软件RP Resonator 激光谐振腔设计软件RP Coating 设计光学多层结构软件RP ProPulse 脉冲传输模拟RP Q-switch 调Q激光器RP Fiber Calculator RP光纤计算器RP系列软件是功能强大的激光仿真软件，用于激光发展和激光科学的计算机建模。
RP Fiber Calculator 用于对具有径向对称折射率分布的光纤进行各种计算。
RP Fiber Power用于设计和优化光纤器件，特别是光纤放大器和激光器以及其他类型的波导激光器，还有光纤耦合器，多芯光纤，螺旋芯光纤和锥形光纤等。
RP Resonator 用于光学谐振腔计算。
RP ProPulse 用于模拟脉冲传播。
RP Coating 用于设计光学多层结构，开发激光反射镜，色散反射镜，滤光片和偏振器等。
RP Q-switch 用于主动或被动Q开关固态激光器的计算，以及连续波激光器中的尖峰现象。
RP Fiber Power光纤激光器及光纤器件设计软件可以设计并优化光纤激光器和放大器、光波导激光器、光纤耦合器、多芯光纤、螺旋芯光纤、锥形光纤；也可以模拟超短脉冲在不同光纤设备中的传输，例如在光纤放大器系统、锁模光纤激光器和通讯系统中的传输。
能够跟踪和优化光纤放大器和光纤激光器，让它们适合各种应用。
帮助评估和排除光纤激光器和放大器中各种不利的影响；能够对有源光纤器件性能进行预测；能寻找最佳光纤长度、掺杂浓度、折射率分布等；能够计算掺杂浓度与光线的关系，准确模拟双包层光纤，还可以模拟时域动态变化，可以理解和优化的细节如功率效率和噪声系数。
RP Fiber Power可用于分析和优化各种器件：单模和多模光纤计算模式特性；计算光纤耦合系数；模拟光纤弯曲、非线性自聚焦效应对光束传输和高阶光孤子传输的影响。
光纤耦合器、双包层光纤、多芯光纤、平面波导模拟双包层光纤的泵浦吸收光纤耦合器的光束传输光在锥形光纤的传输分析弯曲的影响放大器中的交叉饱和影响泄漏模式等。
光纤放大器工作原理
光纤放大器工作原理
光纤放大器是一种将输入的光信号放大的装置，它可以将光信号增加到足够的强度，以便在光纤传输过程中减少信号衰减和失真。
光纤放大器的工作原理基于两个主要过程：激发和放大。
首先，通过一个光源来产生入射光信号，该光信号将通过一对光栅耦合器（光波导耦合器）分为输能光和泵浦光。
泵浦光是一个高功率的激光光束，它的能量被传递到输能光上。
当泵浦光和输能光重叠时，泵浦光的能量将转移到输能光信号上，从而提高输能光的光强度。
这个过程是通过受激辐射的概念来实现的。
当输能光和泵浦光重叠时，泵浦光的光子将通过受激辐射引发输能光中原本已存在但能量较低的光子跃迁到更高的能级，从而放大输能光信号。
随着逐渐放大的光信号沿着光纤的传输，它将由于光纤的损耗而衰减。
为了保持信号的强度，需要周期性地在光纤中注入更多的泵浦光，以实现光信号的持续放大。
输出的放大光信号可以连接到其他光纤系统中，以实现长距离的光通信或光传感应用。
总的来说，光纤放大器通过将高功率的泵浦光与输入光信号耦合在一起，并通过受激辐射的过程将泵浦光的能量转移到输入
光信号上，实现对光信号的放大。
这种放大器在光通信和光传感等领域具有广泛的应用。
RP Fiber Power 级联光纤放大器模型
RP Fiber Power 级联光纤放大器模型
文件：Yb amplifier with two stage .fpw, Yb amplifier with two stages, with ASE .fpw 及Yb amplifier with two stages for pulses .fpw
以上文件为级联光纤放大器的模拟
范例1为未考虑放大自发辐射的简单范例。
级联作为两种不同的设备，
set_device(2)函数对象允许其中用户切换其中一种。
定义函数connect_powers()，将一级输出信号功率作为二级输入信号功率。
图3中，脚本程序绘制了x轴方向一级泵浦功率与二级输出功率之间的关系曲线。
图形中每一个点需要切换到一级状态，改变泵浦功率，计算信号输出功率，其次还需转换到二级状态，计算二级输出功率及信号输入功率。
光放大器原理分类及特点
16
2.2 EDFA的工作原理
当泵浦(Pump, 抽运)光 激励，铒离子吸收泵浦光， 基态跃迁到激发态。 激发态不稳定，Er3+很 快返回到亚稳态。 亚稳态粒子数积累，形 成粒子数反转分布。 如果输入的信号光的能量 等于基态和亚稳态的能量差 ，亚稳态的Er3+将跃迁到基 态，产生一个与信号光子完 全一样的光子，实现了信号 光在掺铒光纤中的放大。
2.3 EDFA结构和特性-结构
因泵浦源所在的位置不同，分成同向、反向及双向泵浦方式。 1.同向泵浦：泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。输入泵 浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大。其优点是 构成简单，噪声指数较小；缺点是输出功率较低。
光隔离器
WDM EDF
光隔离器 光滤波器
输入信号
泵浦激光器
亚稳态和基态的宽度： 1530～1560nm 超过1560nm时增益会稳定下降， 在大约1616nm处降至0dB。
例．EDFA和LD中都有受激辐射，两者有何区别？
答：EDFA中的受激辐射产生于整个掺铒光纤材料中，其中粒子数反转分 布是在掺铒光纤材料的三能级结构之间直接（泵浦激光1480nm时）或间 接（泵浦激光980nm时）实现的（最终在能级E2和E1之间形成粒子数反 转分布）。三个能级是：低能级E1是基态能级，中间能级E2是亚稳态能 级（电子平均寿命可达10ms），高能级E3是非稳态能级（电子的平均寿 命<<1μs）。 LD中受激辐射产生于p-n结半导体材料中的有源区，其中粒子数反转分 布是在有源区导带和价带能级之间直接实现的。所谓有源区，是指加上 适当正向电压后，p-n结交界面附近具有粒子数反转分布状态的窄区域。
直 径 1 25 m SiO2包 层 直 径 2 50 m涂 覆 层
侧面分布式泵浦双包层脉冲光纤放大器
侧面分布式泵浦双包层脉冲光纤放大器1.引言近年来，高功率光纤放大器凭借其转换效率高、光束质量好、结构紧凑、性价比高等诸多优点受到广泛关注，已经在光纤通信网络、工业精密加工、激光印刷、医疗等领域得到了广泛地应用。
在军事应用方面，高功率光纤放大器以其高亮度、小照射面积、体积小机动灵活等优点越来越受到重视。
另外,在激光定位、测距、遥感、跟踪制导和模拟打靶等工作中光纤放大器作为一种有效的工具也备受青睐[1]。
从目前形式看来，研制实用化的放大器不仅能够带来巨大的经济效益，而且对于国防科技水平的提高具有十分重要的意义，已经成为了科技发展的迫切需要。
在光纤激光器和放大器中，实现泵浦光功率高效、安全地耦合是其关键技术之一。
目前的泵浦方法主要包括光纤端面泵浦[2~5]和光纤侧面泵浦[6~8]两种。
端面泵浦一般通过透镜组耦合或者光纤焊接的方法完成，实现起来较为容易，但是缺点也很明显。
透镜组耦合由于使用了多个调节装置，不利于器件的机械稳定性，体积也很大，耦合效率较低；而且它只能进行单点或双点泵浦，不利于提高光纤激光器和放大器的输出功率。
而在脉冲光纤激光器和放大器中，增益光纤中的后向散射和端面反射作用将产生较强功率的后向传输光。
在通过光纤焊接进行功率耦合时，这些后向传输光将直接进入泵浦光源，影响其输出特性，甚至造成完全烧毁，很大程度上降低了光纤激光器和放大器的安全性，所以目前国内外有关研究成果都采用分立元器件进行泵浦光的耦合[9~11]。
本文采用熔融拉锥技术，研制了高耦合效率、高隔离度的泵浦光侧面耦合器，使用该耦合器设计和研究了侧面、多点、分布式泵浦的高功率双包层脉冲光纤放大器，结合主振荡功率放大（MOPA）技术，实现了平均输出功率2.12W、脉冲宽度20ns、重复频率50KHz的高功率、高重复频率的全光纤结构双包层脉冲光纤放大器。
2.侧面泵浦耦合器侧面泵浦耦合器的基本结构(如图1所示)耦合器包括泵浦输入端、信号输入端和输出端三个可用端口。
侧面分布式泵浦双包层脉冲光纤放大器
功率。 关键词 ： 脉冲光纤放大器； 全光纤结构； 高峰值功率； 主振荡功率放大； 受激拉曼散射 中 图分 类 号 ：Ｎ ５ Ｔ ２３ 文献 标识 码 ： Ａ
ＮＩ ＮＧ ｎ ， Ｄｉｇ ＹＵＡＮ ｈ ｚ ｏ ｇ ＤＯＮＧ ａ — ｉ Ｓ ｕ—ｈ ｎ ， Ｘｉｏ ｙ
（ ． ｄｍ ｐｉａ Ｉｓｔｔ ｏ ａｋ ｉ ｎｖｒ ｔ， ｉ ｊ ０ ０ ，ｈｎ ；． ｅｅｒｈ １ Ｍｏｅ Ｏ ｔ ｌ ｎｔｕｅ ｆ ｎ ａ Ｕ ｉ ｓｙ Ｔａ ｉ ３ ０ ７ Ｃ ｉ ２ Ｒ ｓａｃ ｃ ｉ Ｎ ｅｉ ｎｎ １ ａ
・ 光器技 术 ・ 激
侧 面分 布式 泵 浦 双 包 层 脉 冲 光 纤 放 大 器
黄榜 才 ， 丰年 徐 玲 玲 段云 峰 张 鹏 宁 鼎 ， 刘 ， ， ， ， 袁树 忠 ， 董孝 义
（． １ 南开大学现代光学研究所 ， 津 ３０ ７ ；． 天 ０ ０ １２ 中国电子科技集团公司第 四十六研究所 ， 天津 ３ ０ ２ ） ０ ２０
Ｄｉｔ ｉ ｕ ｅ ｉ — ｕ ｐ Ｄｏ ｂ ｅ ｃａ ｄ ｎ ｓｒｂ ｔｄ Ｓ ｄｅ ｐ ｍ ｕ ｌ－ ｌ ｄ ｉ ｇ
Ｐｕ ｓ ｂ ｒ Ａｍ ｐｌ ｅ ｌｅ Ｆｉ ｅ ｉ ｒ ｉ ｆ
ＨＵＡＮＧ Ｂａ ｇ ｃ ｉ，， Ｉ Ｆ ｎ — ｉ ｎ ， ｉ ｇ １ ｇ ， ｎ — ａ Ｌ Ｕ ｅ ｇ ｎ ａ ＸＵ Ｌ ｎ ． ｎ ＤＵＡＮ Ｙｕ — ｎ Ｚ ｉ ｎ ｆ ｇ ， ＨＡＮＧ ｅ ｇ ｅ Ｐｎ
摘 要 ： 采用 自行 研 制 的光 纤侧 面耦合 器 ， 计和 研 制 了侧 面分 布 式 泵 浦 、 级全 光 纤连 接 的 设 两
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
RP Fiber Power 包层泵浦光纤放大器，包层模式的计算文件：Yb amplifier, cladding-pumped, with cladding modes .fpw
这是另外一个双包层光纤放大器的范例。
不同于以上范例，我们考虑所有的包层模式，并采用内置模式求解方法。
根据折射率分布，纤芯数值孔径，包层泵浦方式条件，计算模式特性。
简单起见，设定所有泵浦模式中功率均匀分布。
不考虑放大的自发辐射。
图5为输入输出泵浦光，输出信号的横向强度分布。
可见，剩余的泵浦光绕纤芯呈环形分布。
这是因为仅当泵浦模式呈此分布时，与纤芯区域具有较低的叠加，通过时表现若吸收。
由此说明此类光纤常见的问题，即使采用简单模型，并允许通过长光纤进行有效吸收，忽略泵浦强度变化的情况下，大部分泵浦光功率也未被吸收。
若泵浦包层的数值孔径增加，则未吸收的泵浦光增加，因为避开了纤芯区域，高阶泵浦模式更有利。
（当然，用户可能仍然将泵浦功率转移到低阶模式，则会改善此问题。
）。