光纤模型的结构建模原理

dannie

本文系统阐述了有源光纤的三维数值建模方法，重点讨论纵向与横向维度的网格划分策略及其对计算精度的影响。通过分步解析纵向步长选择原则、横向环形 / 矩形网格结构特点，结合典型参数配置案例，为光纤器件设计提供理论支撑。

1、纵向模型

模型总是考虑长度为L的单个有源光纤。沿光纤的位置具有z坐标特点，从0到L变化。用户定义一些步数Nz，数值上光纤由Nz段长为 。软件计算位置为 处的光功率和电子能级粒子束，其中指数j从0到Nz变化。

当决定z方向的步数，应当考虑以下方面。

·为获取高精度，步长尺寸应当很小以至于每一个有关的光信道在每一步的信号增益或损耗低于0.5dB。比如，一个信号增益为30dB的光放大器，至少应该有60步，为了高精度最好100步。（建议保留一些保护区，因为在光纤的某些部分增益可能更大。）

·检查当双倍步数时结果是否改变。

·所需的计算时间随步数而增加。大多数情况下，计算时间不是严格的方面。但是，值得试一试更小步数以防需要高横向分辨率或大数量光信道。

任何与z相关的计算量都将在网格点之间进行线性插值。如果这些步长线性特性在某些生成的图中变得明显，这表明所选的步长数目可能太小。

该模型的一个一般假设是掺杂浓度在z方向是恒定的。请注意，可以选择不同的纵向步长来模拟超短脉冲传播。

2、横向模型

2.1 环和方位角

模型也包括横向相关的参杂分布和光强度。用户定义半径逐渐增大的一个或多个环。环的指数k从1变化到Nr。右图中显示3个环的例子。

第一个环是半径为r1的圆，第二个是从r1到r2，第三个是从r2到r3。与每个环一起，用户定义第一类激光活性离子的掺杂浓度。稍后可以定义所有环中其他离子的掺杂浓度。

在每个环中，假设参杂浓度是一个常数。使用光强度的平均值。这些是由给定的强度分布，用环内多个值计算的。为了获得更精细的径向分辨率，可以进一步分割一些环，即使一些环有相同的参杂浓度。

上图显示了一个掺杂分布的例子，同样有三个“环”，以及一些光信道的模式强度分布。

也可以引入场强的方位角依赖性。（这可能与高阶光纤模式有关。）用户可以定义每个环的段数。这可以选择为4或8，例如，用于模拟LP10和LP11模式的放大。上图（右侧）显示了每个环8个方位角段的划分。

2.2 矩形网格

对于某些应用（比如无径向对称的平面波导），更倾向于用矩形网格。这在软件中也是可能的。

在这种情况下，网格跨越X和Y值的某些范围，其中X和Y范围可以不同，并且可以具有不同的步长。每个X/Y对代表一个矩形段，并位于矩形段中心。