光纤激光器及光纤器件设计软件——用户界面4

2021-07-22 10:12

墨光君

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交互式表单构成了一种非常简单的开始使用软件的方法。您可以将所需的信息输入到各个表单栏，最后“执行”软件。这意味着从输入中生成脚本文件，然后执行。脚本的一些输出也显示在表单栏中。

如果软件处于脚本编辑器模式，则可以使用工具栏中的“Show forms”按钮获取交互式表单。

（请注意，也有“自定义表单”。）

输入组织在以下选项卡中：

Fiber modes（光纤模式）：用于根据折射率分布计算光纤模式。（如果您知道强度分布，则不需要这用于功率计算。）

Active fiber（有源光纤）：在这里，您可以定义有源光纤的详细信息。

Optical channels（光信道）：光纤中的所有光都用“光信道”来描述，您可以在这里定义。例如，放大器模型可能有几个泵浦信道、几个信号信道和ASE信道。

Definitions（定义）：在这里，您可以输入一些脚本命令，这些命令集成到生成的脚本中。您可以使用它，例如，为某些光信道定义用户定义的强度形状，或定义其他输出。

Graphics（图形）：在这里，您可以定义生成哪些类型的图形输出。（请注意，光纤模式上的图形可以在“Fiber mode”选项卡中定义。）

Ultrashort pulses（超短脉冲）：此选项卡用于模拟超短脉冲的传播。

这些选项卡将在以下部分中详细解释。

在工具栏中，您可以找到蓝色的“Play”按钮。按下此按钮时，将从表单输入中生成脚本文件名FormScript．fpw并执行。菜单项Execute ｜ Calculate （no graphics）执行相同操作，但图形输出被抑制。您可以转到脚本编辑器模式，以检查生成的脚本并可能保存其副本，您可以进一步编辑该副本。（无法编辑生成的脚本，因为下次执行表单时可能会覆盖该脚本。）

在交互表单模式下，使用保存功能（菜单中的File ｜ Save，或工具栏中的软盘按钮），可以将表单设置保存到．fpi文件中。稍后可以用File ｜ Open加载。表单设置也保存在项目文件夹的设置文件中。

计算光纤模式

下面的屏幕截图显示计算光纤模式的选项卡。

（该选项卡控件是主表单的一部分。）

在文本栏“Definition of the refractive index profile（折射率分布定义）”中，可以插入用于定义函数n＿f（r）的脚本命令，该函数表示折射率分布。（折射率函数也可以有第二个参数，即光学波长）。在实际函数定义之前，通常会定义一些参数，如包层折射率和纤芯半径r＿core。

此栏右侧的按钮允许您获取各种典型折射率分布的代码。当然，然后您可以编辑该代码。

在表单的下半部分，可以选择一个或多个图表来说明光纤模式的属性：

Radial functions（径向函数）：绘制特定模式或所有导模的径向振幅或强度分布。

Intensity profiles（强度分布）：显示特定模式或所有导模的强度或振幅分布。

Mode areas（模式面积）：绘制有效模式面积作为波长的函数。

Refractive indices（折射率）：绘制有效折射率或群折射率作为波长的函数。

Chromatic dispersion（色散）：绘制群速度色散与波长的关系图

请注意，图表的外观受“Graphics”选项卡中的某些设置的影响。

光束传播

在这里，您可以创建一个简单的光束传播模拟。

可以插入以下输入：

Refractive index（折射率）：将折射率定义为x和y的函数。如果栏中的空间不够，可以在“Definitions”选项卡中预先定义一个函数，并在栏中调用该函数。

Wavelength（波长）：输入光束传播的波长。（此处只能有一个具有一个特定波长的光信道，但在脚本中可以有许多。）

Numerical grid（数字网格）：输入适当的设置。

Initial field distribution（初始场分布）：根据x和y输入复振幅的函数。

Loss function（损耗函数）：输入局部传播损耗，这可能取决于x和y。

此外，您可以使用表单的下部来定义某些标准图。

定义有源光纤的参数

下面的屏幕截图显示了光纤参数的选项卡。你需要这个来模拟光纤放大器和激光器，也需要这个在无源光纤中进行超短脉冲传播。

此处输入的数据如下：

光纤长度和数值表示的步数

doping profiles（掺杂分布）：最多五个环的半径（第一列）和一个或两个不同激光活性离子的浓度值（第二列和第三列）。

Gain System（增益系统）：包含光谱数据的参数集（parameter set）（也可能包括光纤结构和模式场的数据，见下文）。

对于环形谐振器（见第2．5节），必须激活“ring resonator（环形谐振器）”复选框。

对于无源光纤，可以选择parameter set“（passive fiber）”。在这种情况下，您不需要定义任何掺杂分布。如果要模拟无源光纤中的超短脉冲传播，此设置非常有用。

光谱数据从扩展名为．inc的文本文件中读取，该文件通常存储在名为“Spectroscopic data”的文件夹中（见第3节）。如果将其他数据文件放入该文件夹，它们将自动显示在用于选择参数集的框中。

注意，数据文件名的前两个字母总是表示激光活性离子的类型。

除了光谱数据外，光纤数据文件还可以包含有关光纤结构的信息，例如纤芯半径、掺杂浓度和模式分布，这些信息通常在表单中指定。在这种情况下，这些数据将从文件读取到表单中，但仅当选中“Use fiber structure data”（数据文件选择框旁边）框时才读取。当按下“Get them now”按钮或执行数据集时，将读取数据。为商业光纤提供的数据集通常包含这样的数据，使得在不同光纤之间切换非常容易。

在某些情况下，需要以比通过表单更复杂的方式定义掺杂分布。例如，当需要定义矩形网格或需要大量环时，就是这种情况。在这种情况下，可在另外两个位置中的一个位置定义掺杂分布：在光谱数据文件或附加定义中，见“Definitions”选项卡的上栏。在这样的位置，然后需要定义一个名为def＿dopingprofile（）的函数。此外，还应定义变量max＿r，即掺杂区域的最大径向坐标。（这用于具有横向依赖性的图表。）如果在上述位置之一找到函数def＿dopingprofile（）的定义，则对该函数的调用将插入到生成的脚本中，而不是使用表单中的掺杂数据。

定义光信道

下面的屏幕截图显示了光信道的选项卡

表单提供了用于定义最多两个泵浦波长、两个信号波长和多个ASE（放大自发辐射）波长的前向传播和后向传播光信道的选项卡。对于每种情况，输入的数据如下：

复选框“Use this channel”决定是否考虑这种频道。

可以在所有图形输出中选择用于该信道的颜色。

其他参数包括波长、光纤中的寄生损耗（例如由瑞利散射引起）、强度形状、强度分布半径、光纤两端的反射率、端部的附加寄生损耗以及前向和后向的输入功率。

可以通过指定波长范围和波长步长来定义多个ASE信道。例如，对于掺镱放大器，可以选择以5nm为步长从960nm到1100nm的波长信道；每个信道的带宽为5nm。

注意，在环形谐振腔的情况下，反射系数R1和R2仅应用于正向传播信道。（这样就不能定义反向传播的激光信道了。）对于线性谐振腔，这些反射可以耦合两个反向传播的波。

稍暗的栏是输出栏，显示计算的输出功率和（对于信号和ASE信道）内部单通增益（包括由于寄生损耗而减小的增益）。

如果进行动态仿真，则不得在这些栏中输入与时间相关的输入功率。您应该输入常量值，以确定稳定状态。该稳态将用作后续动态仿真的初始状态，如“Graphics”选项卡中所定义。

对于超短脉冲仿真，端部反射率被忽略。

附加定义

下面的屏幕截图显示了用于输入附加定义的选项卡。

在这里，可以输入脚本命令，这些命令将插入到生成的脚本中。上部份插入在模型的定义之前，中部份插入模型的定义之后，下部份插入模型的末端。通常，不需要在此处输入任何内容，但应用的示例如下：

l如果名为pump1的信道应具有用户定义的强度分布，请在信道设置中选择“userdefined”，并在上部份定义栏中定义函数I＿p1（r）。

l同样在上部份定义栏中，使用w ：＝ 5 um这样的定义，然后简单地在所有信道的“Radius”栏中写入w。这样，您就可以通过只修改一个表单条目来修改所有信道的模式半径。在所有这些栏中，您可以输入一些数学表达式（可能包含变量值），而不是简单的数字。

l在下部份定义栏中，插入命令

show P（signal1＿fw， L＿f ／ 2）：d3：”W”

为了在光纤中间显示信号功率

定义图形输出

下面的屏幕截图显示用于定义图形输出的选项卡。

在该表单中，还有八个选项卡。其中前七个定义了不同类型的图形输出，而最后一个允许进行一些常规设置。提供的图表类型有：

Powers vs． z：这里，许多信道的输出功率可以绘制成光纤中位置的函数。

ASE spectrum：可以绘制放大自发辐射的光谱，即每纳米带宽的光功率与波长的函数关系。

Vary P＿p， Vary P＿s：在这里，您可以在一定范围内改变一些泵浦或信号输入功率，并显示这是如何影响各种信道的输出功率或内部单通增益的。

Vary L＿f：这里，你可以改变光纤的长度。

Transverse：在这里，你可以画出掺杂浓度和模式强度的横向依赖关系。所有函数都进行了归一化，以便它们适合于图中的相同比例。

Channels：此图显示脚本中定义的信道。这可用于检查信道定义是否正确。

Dynamic：此图显示动态仿真的结果。您可以为所有泵浦和信号信道定义时间相关的输入功率。（对于没有时间相关输入功率的信道，将这些栏留空；然后这些输入功率保持不变。）您还可以确定绘制为时间函数的功率和能级粒子数，以及时间范围和时间步长。为了进一步的改进，例如依赖时间的反射率和光纤外的额外时间延迟，有必要在脚本语言的级别上工作。

请注意，在“Definitions”选项卡的上部份栏中定义与时间相关的输入功率的函数，并在输入功率栏中使用这些函数通常比较方便，因为在输入功率栏中，长公式的空间很小。

还要注意，由于空间限制，表单不允许您定义与时间相关的反射率。对于这种扩展的仿真，您需要在脚本级别上工作。

大多数选项卡底部都有一些名为“Insert additional code”的输入栏。在这里，您可以在对应图表的其他定义之后插入附加脚本代码。例如，这可以用于显示附加图形和文本标签。

具有常规settings的选项卡允许您定义细节，如图表中使用的字符字体和字体大小，以及生成的图形窗口的大小。要将高分辨率的图形导出到其他软件中，您可以在此处选择一个大的图表尺寸。

注意，可以在脚本语言中定义更多不同的图表。您可以使用与交互表单一起生成的脚本，然后进一步优化它。

超短脉冲

下面的屏幕截图显示超短脉冲传播的选项卡。