【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?，特別是如果每個(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？
接下來的問題是，如何使用不同的stages的索引作為參數(shù)的函數(shù)來處理不同的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，即使那些沒有看過手冊(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)圖表也是沒有問題的，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似的事情。您可以只創(chuàng)建一個(gè)開始脈沖（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），然后通過不同的階段發(fā)送。您可以用連續(xù)波計(jì)算來準(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連接起來。通過右鍵單擊相應(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)問題嗎？
順便說一下，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，甚至可以與用戶定義的表單結(jié)合。這為您提供了無與倫比的靈活性，而且使用起來也很好。
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