怎樣在RP Fiber Power中建模多級放大器
發布時間:2021-05-24 責任編輯:lina
【導讀】對於光纖中的強放大光信號,通常需要使用兩個甚至更多的光纖放大級。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使用不同的光纖(例如,對於功率放大器,使用更大的有效模麵積和包層泵浦)。在這裏,我們想分享一些關於如何用我們的軟件RP Fiber Power建模這樣的多級放大器的想法。
對於光纖中的強放大光信號,通常需要使用兩個甚至更多的光纖放大級。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使用不同的光纖(例如,對於功率放大器,使用更大的有效模麵積和包層泵浦)。在這裏,我們想分享一些關於如何用我們的軟件RP Fiber Power建模這樣的多級放大器的想法。
每個階段一個腳本
gainianshangzuijiandandefangfashiweibutongdejieduanshiyongdandudemonijiaoben,huozheshiyongjiaohushibiaodanduitamenjianmo。zhekenengshiyizhongshidangdefangfa,tebieshiruguomeigejieduandouxuyaozaijinxingxiayijieduanzhiqianxiangxifenxiheyouhua。
一yi個ge具ju有you實shi際ji重zhong要yao性xing的de問wen題ti可ke能neng是shi如ru何he在zai不bu同tong的de模mo擬ni之zhi間jian傳chuan輸shu數shu據ju。在zai簡jian單dan的de情qing況kuang下xia,它ta可ke能neng隻zhi是shi一yi個ge恒heng定ding的de信xin號hao輸shu出chu功gong率lv,需xu要yao作zuo為wei下xia一yi級ji的de輸shu入ru功gong率lv;您可以手動傳送。但是,也可能有一個完整的ASE頻pin譜pu要yao轉zhuan移yi,即ji一yi整zheng個ge功gong率lv值zhi陣zhen列lie。在zai超chao短duan脈mai衝chong放fang大da的de情qing況kuang下xia,需xu要yao轉zhuan移yi整zheng個ge脈mai衝chong,例li如ru在zai時shi域yu或huo頻pin域yu用yong複fu雜za的de振zhen幅fu表biao示shi。自zi然ran的de解jie決jue方fang案an是shi將jiang這zhe些xie數shu據ju保bao存cun到dao一yi個ge或huo多duo個ge文wen件jian中zhong,然ran後hou腳jiao本ben可ke以yi在zai下xia一yi個ge階jie段duan讀du取qu這zhe些xie文wen件jian。這zhe隻zhi需xu要yao更geng多duo的de代dai碼ma,但dan是shi我wo們men強qiang大da的de腳jiao本ben語yu言yan允yun許xu您nin保bao存cun和he加jia載zai任ren何he數shu據ju。您nin甚shen至zhi可ke以yi在zai交jiao互hu式shi表biao單dan中zhong使shi用yong它ta,可ke以yi為wei此ci類lei任ren務wu注zhu入ru一yi些xie腳jiao本ben代dai碼ma。
在如下情況下,可能會遇到這種簡單方法的局限性:
如果第一個放大級的某些細節被修改,您將需要再次手動啟動後續階段的模擬——如果這種情況經常發生,這將是一個痛苦的過程。
製作包含多個階段輸出的圖(如圖1所示)是可能的,但同樣需要保存和加載數據,這可能有點不方便。
簡單的方法在階與階之間相互作用的情況下失敗了。例如,設想第二個放大器級的反向ASE或剩餘泵浦功率會影響第一個放大器級。為了計算自洽狀態,顯然不能再單獨考慮階段。

圖1:包含兩個有源光纖的光纖激光器的光功率變化。這個例子摘自之前的一篇文章。
一個腳本有幾個階段
確實經常需要(或者隻是更方便)製作一個單獨的模擬腳本來處理多個放大階段(甚至可能是種子激光器,例如鎖模激光器)。
如何在一個腳本定義和處理不同的放大器階段?
接下來的問題是,如何使用不同的stages的索引作為參數的函數來處理不同的stages。解決方案很簡單:為了告訴RP Fiber Power 軟件接下來會發生什麼,您可以使用一個函數調用像set_device(2)——例如,光纖的定義相應的光學通道,或計算數據的檢索,是指第二個設備,這可能是第二次放大級。
下xia麵mian,我wo們men向xiang你ni您nin展zhan示shi一yi些xie計ji算suan雙shuang級ji光guang纖xian放fang大da器qi穩wen態tai的de示shi例li代dai碼ma,其qi中zhong信xin號hao從cong第di一yi級ji到dao第di二er級ji,而er一yi些xie從cong第di二er級ji的de剩sheng餘yu泵beng浦pu光guang進jin入ru第di一yi級ji(ASE被忽略)。假設已經定義了光纖及其光通道,則可以使用以下函數來計算穩態:
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
ninkan,jishinaxiemeiyoukanguoshoucederenyekeyihenrongyidicaichudaimadebutongyuansuzaizuoshenme。zaitiaoyonggaihanshushi,ningaosutadexinhaoshurugonglvhebengdelianggejieduan,diyijieduanhehanshufanhuizhaodaowentaisuoxudediedaicishu(可能通常是2)。此後,您可以檢索任何輸出,例如,顯示兩個階段後的信號輸出功率(3位有效數字和單位瓦):
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"
創建一個圖表也是沒有問題的,例如,在給定泵功率的固定值下,將最終信號輸出功率顯示為信號輸入功率的函數:
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
在超短脈衝放大的情況下也可以做類似的事情。您可以隻創建一個開始脈衝(例如,給定參數的高斯脈衝,或從文件讀取的脈衝,或從鎖模激光模型在同一腳本中的穩態輸出),然後通過不同的階段發送。您可以用連續波計算來準備關於它的激光活性離子的激發狀態的每個階段(例如,根據信號的平均功率,計算為脈衝能量和脈衝重複率的乘積),或在打開恒定的泵浦功率(或任何其他泵浦功率的時間剖麵)後模擬重複放大。您還可以定義一個函數,讓它執行某些迭代步驟,直到達到穩定狀態。這些隻是例子-您可以做任何您想做的事情!
腳本與圖形界麵
其他一些產品(例如VPIphotonics)使(shi)用(yong)完(wan)全(quan)不(bu)同(tong)的(de)方(fang)法(fa)來(lai)建(jian)模(mo)多(duo)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)級(ji)的(de)係(xi)統(tong)。在(zai)那(na)裏(li),您(nin)交(jiao)互(hu)式(shi)地(di)在(zai)桌(zhuo)麵(mian)放(fang)置(zhi)一(yi)些(xie)放(fang)大(da)器(qi)階(jie)段(duan)的(de)符(fu)號(hao),並(bing)將(jiang)它(ta)們(men)與(yu)象(xiang)征(zheng)它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)的(de)光(guang)流(liu)的(de)線(xian)連(lian)接(jie)起(qi)來(lai)。通(tong)過(guo)右(you)鍵(jian)單(dan)擊(ji)相(xiang)應(ying)的(de)符(fu)號(hao)並(bing)在(zai)獲(huo)得(de)的(de)彈(dan)出(chu)式(shi)表(biao)單(dan)中(zhong)輸(shu)入(ru)數(shu)據(ju),可(ke)以(yi)修(xiu)改(gai)放(fang)大(da)器(qi)級(ji)的(de)詳(xiang)細(xi)信(xin)息(xi)。例(li)如(ru),進(jin)一(yi)步(bu)的(de)工(gong)具(ju)可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)您(nin)製(zhi)作(zuo)圖(tu)表(biao)。
乍一看,您可能認為這種GUIfangfabibianxiedaiyourushangsuoshiyuansudejiaobengengrongyi。qishi,suiranzhezaizuijiandandeqingkuangxiakenengshizhengquede,dandangninxuyaozaiyanfagongzuozhongzuogengfuzadeshiqingshi,ninhenkuaijiuhuifaxianzhezhongfangfaguyoudejuxianxing。jishiyonghujiemianzugouqiangda,liruyunxuninshengchengtu,jisuanliangxianshiweiyigehanshudeshurucanshu,danninkenengjingchangxuyaozuogengfuzadeshiqing。xiangxiangyixia,ruguoninxuyaojinyibudeshuxuechulijisuanshuju——例如,在隨機噪聲的影響下存儲隨後的放大脈衝,並使用傅裏葉變換和相關的東西(如應用窗口功能)laijisuanzaoshengpinpu。jishiruanjianzugouhao,keyijiangmaichongdexiangguancanshucunchuzaiyigewenjianzhong,jiangsuoyoudeshujuzhuanyidaoqitaruanjianjinjinjinxingshuxuechuliyehuihenbufangbian。ruguoninkeyizaimonijiaobenzhongwanchengsuoyoucaozuo,namezheshizuijiandande。
MATLAB接口可以解決這個問題嗎?
順便說一下,有一些軟件包有一個接口,例如MATLAB,這樣您就可以用MATLAB控製模型(例如自動改變一些參數),並在MATLAB中處理結果。這樣就增加了很大的靈活性,但這是有代價的。首先,您需要有MATLAB許可證,並對其足夠熟悉。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,執行速度可能會相當慢。
其他人可能會考慮在MATLAB中完成所有的工作——這(zhe)是(shi)另(ling)一(yi)個(ge)使(shi)用(yong)腳(jiao)本(ben)進(jin)行(xing)計(ji)算(suan)的(de)環(huan)境(jing)。但(dan)是(shi),這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)巨(ju)大(da)的(de)工(gong)作(zuo)量(liang),因(yin)為(wei)您(nin)將(jiang)不(bu)得(de)不(bu)執(zhi)行(xing)許(xu)多(duo)複(fu)雜(za)的(de)光(guang)學(xue)和(he)物(wu)理(li)計(ji)算(suan),而(er)不(bu)是(shi)處(chu)理(li)您(nin)的(de)實(shi)際(ji)問(wen)題(ti)。
由於這些原因,我們決定在我們的RP Fiber Power 軟(ruan)件(jian)中(zhong)使(shi)用(yong)腳(jiao)本(ben)方(fang)法(fa),它(ta)仍(reng)然(ran)可(ke)以(yi)與(yu)交(jiao)互(hu)式(shi)表(biao)單(dan)結(jie)合(he),甚(shen)至(zhi)可(ke)以(yi)與(yu)用(yong)戶(hu)定(ding)義(yi)的(de)表(biao)單(dan)結(jie)合(he)。這(zhe)為(wei)您(nin)提(ti)供(gong)了(le)無(wu)與(yu)倫(lun)比(bi)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing),而(er)且(qie)使(shi)用(yong)起(qi)來(lai)也(ye)很(hen)好(hao)。
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