[论文解读] Frequency dependence of mode coupling gain in Yb doped fiber amplifiers due to stimulated thermal Rayleigh scattering

Arlee V. Smith, J. Joshua Smith|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2013

Photonic Crystal and Fiber Optics被引用 9

一句话总结

本文提出了一种关于镱掺杂光纤放大器中受激热瑞利散射（STRS）引起的模式耦合增益的详细数值模型，表明峰值增益频率（FM）强烈依赖于纤芯尺寸、掺杂分布、粒子数反转、热透镜效应、光纤卷绕、泵浦方向以及光致变暗效应。该模型预测FM与有效模场面积（1/A_eff）成反比，且空穴烧孔效应使FM低于热扩散估算值，当考虑输入噪声谱时，与实测值具有良好的定性一致性。

ABSTRACT

Using a numerical model we study the frequency dependence of mode coupling gain due to stimulated thermal Rayleigh scattering in step index, Yb doped, fiber amplifiers. The frequency at the gain peak is shown to vary with core size, doping size, population saturation, thermal lensing, fiber coiling, direction of pumping, photodarkening, and pump noise spectra. The predicted frequencies are compared with measured values whenever possible.

研究动机与目标

• 建立受激热瑞利散射（STRS）引起的镱掺杂光纤放大器中模式耦合增益频率依赖性的数值模型。
• 研究FM（峰值增益频率）如何随纤芯尺寸、掺杂分布、泵浦方向和热透镜效应等光纤设计与工作条件变化而变化。
• 将模型预测结果与实测FM值进行对比，以验证模型并诊断如不稳定阈值偏低等性能异常现象。
• 识别横向空穴烧孔、光致变暗效应以及泵浦/信号噪声谱对FM的影响。
• 通过引入沿光纤方向粒子数反转和热沉积分布的动态变化，改进简化模型。

提出的方法

• 采用详细数值模型模拟阶跃折射率镱掺杂光纤中STRS驱动的模式耦合，求解耦合的热传导与模式传播方程。
• 模型考虑了空间分布的粒子数反转（横向空穴烧孔），从而改变振荡热源的分布。
• 利用稳态周期性方法计算LP01与LP11/LP02模式之间频率偏移的增益函数。
• 以热扩散时间穿过有效纤芯半径作为FM的基准估算值，公式为FM ≈ 1/(4πD r_eff²)，其中D为热扩散率。
• 将光纤卷绕、非对称冷却以及热透镜引起的模式分布变化作为对热场和模式分布的微扰处理。
• 将输入信号和泵浦噪声谱建模为频移分量，以模拟真实世界中的调制效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在镱掺杂光纤放大器中，峰值模式耦合增益频率（FM）如何随有效模场面积（A_eff）变化？
• RQ2 粒子数反转中的横向空穴烧孔在多大程度上使FM低于热扩散估算值？
• RQ3 光纤卷绕和非对称冷却如何影响增益峰值频率的位置？
• RQ4 泵浦配置（同向泵浦与反向泵浦）、光致变暗效应和热透镜效应如何影响FM？
• RQ5 为何实验测得的FM值有时与模型预测值存在差异？泵浦或种子信号噪声谱在此过程中起什么作用？

主要发现

• 峰值模式耦合增益频率（FM）与1/A_eff近似成比例，与有效纤芯半径上的热扩散行为一致。
• 横向空穴烧孔使振荡热源偏离纤芯中心，导致FM低于简单的热扩散估算值。
• 光纤卷绕或非对称冷却使模式分布向外部弯曲侧压缩，通过减小有效模场面积而提高FM。
• 对于A_eff = 4536 μm²的同向泵浦光纤，模型预测FM = 325 Hz，而实测值为220 Hz，表明可能存在光致变暗或1/f噪声等额外效应。
• 对于A_eff = 3595 μm²的反向泵浦光纤，模型预测FM = 490 Hz，而实测峰值为350 Hz，表明泵浦或种子信号中可能存在输入调制或谱结构。
• 对于39.5 μm纤芯光纤，模型预测FM ≈ 2420 Hz，实测FM为2000 Hz，考虑空穴烧孔效应后两者达成良好一致。