第七章 波导输入和输出耦合器
《耦合器基础知识》课件
测试方法与步骤
信号源设置
根据测试需求设置信号源的频 率、功率等参数。
测试执行
启动信号源，观察接收设备的 响应，记录相关数据。
测试准备
检查所有设备和工具是否正常 工作，确保测试前的系统连接 无误。
耦合器连接
将耦合器连接到信号源和接收 设备之间，确保连接稳定可靠 。
数据处理与分析
对采集到的数据进行处理、分 析和解读，以评估耦合器的性 能。
与展望
新材料的应用
碳纤维材料
碳纤维具有高强度、轻质、耐腐蚀等优点，可应用于 耦合器的制造，提高其性能和寿命。
高分子材料
高分子材料具有优良的绝缘性能和化学稳定性，可用于 制造高频、高温等特殊环境下的耦合器。
新工艺的探索
3D打印技术
利用3D打印技术可实现耦合器的快速原型制造和个性化定制，提高生产效率和灵活性。
制图软件
如AutoCAD、SolidWorks等，用于绘制耦合器的机 械结构。
数学计算软件
如MATLAB、Excel等，用于进行理论计算和数据处 理。
设计实例分析
实例一
设计一个用于无线通信系统的定向耦合器，要求传输功率为100W，频率范围为 2.4GHz，耦合度为30dB。通过理论计算和仿真验证，最终实现了一个性能稳定的定向
表面处理技术
通过表面处理技术，如镀膜、喷涂等，可改善耦合器的表面性能，提高其导电、导热和耐磨性能。
新应用领域的拓展
物联网领域
随着物联网技术的发展，耦合器在无线通信、传感器网络等领域的应用将得到拓展。
新能源领域
在新能源领域，如太阳能、风能等，耦合器可用于能量转换和传输，提高能源利用效率。
THANKS.
详细描述
耦合器及端口输出功率计算方法
耦合器及端口输出功率计算方法耦合器一原理定向耦合器是一种四端口网络，定向耦合器是无源和可逆网络。
理论上，定向耦合器是无耗电路，而且其各个端口均应是匹配的。
图１（ｂ）定义了定向耦合器各端口的属性。
当信号从端口１输入时，大部分信号从端口２直通输出，其中一小部分信号从端口３耦合出来，端口４通常接一个匹配负载。
如果要将定向耦合器反过来使用，则端口１和２，端口３和４的属性要互换定义。
定向耦合器可以由同轴、波导、微带和带状线电路构成。
通常，定向耦合器用于信号取样以进行测量和监测，信号分配及合成；此外，作为网络分析仪，天线分析仪和通过式（ＴＨＲＵＬＩＮＥ）功率计等测试仪器的核心部件，定向耦合器所起的作用是正向和反射信号的取样。
定向耦合器的方向性是一项至关重要的指标，尤其是作为信号合成和反射测量应用时。
２．各项指标的定义如图１（ｂ）所示，在理想情况下，当信号功率从端口１输入时，输出功率只应出现在端口２和端口３，而端口４是完全隔离的，没有功率输出。
但是在实际情况下，总有一些功率会泄漏到端口４。
设端口１的输入功率为Ｐ１，端口２，３和４的输出功率分别为Ｐ２，Ｐ３和Ｐ４，则定向耦合器的特性可以由耦合度，插入损耗，隔离度和方向性等四项指标来表征，单位均为ｄＢ。
请注意在以下的描述中，所有的指标均表示为正数，而在实际应用中，则是用负数来进行各种计算的。
耦合度：耦合度表示从端口１输入的功率和被耦合到端口３部分的比值，表示为：耦合度（Ｃ）＝１０×ｌｏｇ（Ｐ１Ｐ３）插入损耗：插入损耗表示从端口１到端口２的能量损耗，表示为：插入损耗（ＩＬ）＝１０×ｌｏｇ（Ｐ１Ｐ２）请注意端口１的输入功率有一部分功率是被耦合到端口３的，所以应导入一个“耦合损耗”的概念，下面是各种耦合度下的耦合损耗值：耦合度耦合损耗６ｄＢ１．２００ｄＢ１０ｄＢ０．４６０ｄＢ１５ｄＢ０．１４０ｄＢ２０ｄＢ０．０４０ｄＢ３０ｄＢ０．００４ｄＢ通常所说的从端口１到端口２的插入损耗是传输损耗和耦合损耗之和。
3db定向耦合器原理
3db定向耦合器原理引言3db定向耦合器是一种常见的微波器件，广泛应用于无线通信、雷达系统和微波电路中。
本文将介绍3db定向耦合器的原理及其在实际应用中的作用。
一、3db定向耦合器的基本原理3db定向耦合器是一种四端口器件，由两个耦合器和两个耦合器之间的传输线构成。
其基本原理是利用微波信号在传输线上的传播特性，实现耦合和分离的功能。
1.1 耦合和分离耦合器是一种能够将输入信号分为两个输出的器件，其中一个输出端口为主输出端口，另一个为耦合输出端口。
耦合输出端口输出的信号是从主输出端口输入信号中耦合出来的一部分。
耦合器的耦合度决定了主输出端口和耦合输出端口之间的功率分配比例。
1.2 传输线的特性传输线上的电磁波在传播过程中会发生反射和透射，这取决于传输线的特性阻抗和长度。
当传输线的特性阻抗等于负载的阻抗时，传输线上的信号将完全传输到负载上；当传输线的特性阻抗不等于负载的阻抗时，部分信号将被反射回来。
二、3db定向耦合器的工作原理3db定向耦合器是通过将两个耦合器和两个传输线相互耦合连接而成的。
其工作原理如下：2.1 信号的耦合和分离当输入信号通过传输线进入耦合器时，一部分信号将从主输出端口输出，另一部分信号将从耦合输出端口输出。
耦合输出端口输出的信号是通过传输线之间的耦合实现的。
在理想情况下，耦合输出端口输出的功率占输入功率的一半，即耦合度为3dB。
2.2 信号的相位差由于两个传输线之间存在一定的相位差，导致从主输出端口输出的信号和耦合输出端口输出的信号之间存在相位差。
这个相位差可以通过调整传输线的长度来实现。
2.3 信号的分离通过调整传输线的长度，可以使主输出端口和耦合输出端口之间的信号达到90度的相位差，从而实现信号的分离。
2.4 功率的分配3db定向耦合器在主输出端口和耦合输出端口之间实现了功率的分配，主输出端口输出的功率为输入功率的一半，耦合输出端口输出的功率也为输入功率的一半。
三、3db定向耦合器的应用3db定向耦合器广泛应用于微波电路和射频系统中，常见的应用包括：3.1 功率分配由于3db定向耦合器可以将输入功率分配到主输出端口和耦合输出端口，因此可以用于实现功率的分配和控制。
耦合器基本原理
弱耦合理论的基本思想是：相耦合的两波导中
的场，各自保持了该波导独立存在时的场分布和传 输系数，耦合的影响表现在场的复数振幅的沿途变 化。
两光纤耦合过程光功率分配状况
P1(z)= 1-F2sin2( C z ) F P2(z)= F2sin2( C z ) F
熔锥型单模光纤耦合器
在单模光纤中，传导模是两个正交的的基模(HE11) 信号。传导模进入熔锥区后，纤芯变细，V值逐渐减少， 越来越多的光功率进入光纤包层。实际上的光功率是在 由包层作为芯，纤外介质(一般是空气)作为新的包层的
复合波导结构中传输的。
2πa V= λ
n12-n22
熔锥区截面示意图
两光纤波导之间的耦合
宽带单模耦合器
当前光纤通信中采用的1310nm或1550nm的半导体 激光器一般都有±30nm的波长偏差，因此需要耦合器在
一个较宽的波长范围都能达到设计要求。
目前通信领域的宽带耦合器的一般要求：1310nm 1550nm双窗口，每窗口带宽±50nm、分光比的变化不 大于5%。
宽带耦合器制作原理
用熔融拉锥工艺制作宽带耦合器的原理如图：
P1(z)是直通臂的光功率， P2(z)是耦合臂的 光功率，z为拉锥长度。
1 2
2
1/ F 1
2 3 2 1
( 1 2 ) 4C
2
2
耦合系数 C
U
W
2 2
2 U K 0 (Wd r ) rV K (W )
2
r ( k n co )
r ( k n cl )
耦合器的基本原理
刘新夫
2004-05
(整理)耦合器知识
在微波系统中, 往往需将一路微波功率按比例分成几路, 这就是功率分配问题。
实现这一功能的元件称为功率分配元器件, 主要包括: 定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。
这些元器件一般都是线性多端口互易网络, 因此可用微波网络理论进行分析。
目录∙• 定向耦合器∙• 波导双孔定向耦合器∙• 双分支定向耦合器∙• 平行耦合微带定向耦合器∙∙• 隔离器∙∙• 参考资料∙∙• 定向耦合器∙∙• 波导双孔定向耦合器∙• 双分支定向耦合器∙∙∙• 平行耦合微带定向耦合器∙∙• 隔离器∙• 参考资料编辑本段耦合器- 定向耦合器?定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件, 它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的。
如图5 - 13 所示。
图中“①、②”是一条传输系统, 称为主线；“③、④”为另一条传输系统, 称为副线。
耦合装置的耦合方式有许多种, 一般有孔、分支线、耦合线等, 形成不同的定向耦合器。
首先介绍定向耦合器的性能指标, 然后介绍波导双孔定向耦合器、双分支定向耦合器和平行耦合微带定向耦合器。
1)定向耦合器的性能指标定向耦合器是四端口网络, 端口“①”为输入端, 端口“②”为直通输出端, 端口“③”为耦合输出端, 端口“④”为隔离端, 并设其散射矩阵为［S］。
描述定向耦合器的性能指标有: 耦合度、隔离度、定向度、输入驻波比和工作带宽。
下面分别加以介绍。
2)隔离度?输入端“①”的输入功率P1和隔离端“④”的输出功率P4之比定义为隔离度，记作I。
(3)定向度?耦合端“③”的输出功率P3与隔离端“④”的输出功率P4之比定义为定向度，记作D。
(4) 输入驻波比?端口“②、③、④”都接匹配负载时的输入端口“①”的驻波比定义为输入驻波比，记作ρ。
(5)工作带宽?工作带宽是指定向耦合器的上述C、I、D、ρ等参数均满足要求时的工作频率范围。
编辑本段回目录耦合器- 波导双孔定向耦合器?波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器, 主、副波导通过其公共窄壁上两个相距d=(2n+1)λg0/4 的小孔实现耦合其中，λg0是中心频率所对应的波导波长, n为正整数, 一般取n=0。
波导耦合器工作原理
波导耦合器工作原理1.直接耦合：直接耦合是通过将两个波导的耦合区域放置在彼此附近，使光信号可以直接从一个波导传递到另一个波导。
直接耦合技术主要包括切割耦合和引导耦合两种方法。
-切割耦合：切割耦合是在输入波导和输出波导之间切割一个减小的波导宽度，以使光信号在耦合区域发生耦合。
这种方法可以有效地将光传递到输出波导，但是由于光源的相干长度有限，只有在特定的波长范围内才能实现高效的耦合。
-引导耦合：引导耦合是通过两个波导之间的引导结构实现光信号的耦合。
常用的引导耦合技术有光波导耦合和光束波导耦合。
在光波导耦合中，一种波导的前端会弯曲成一定角度，使光信号可以从该波导引导到另一个波导。
而光束波导耦合是通过采用透镜等光学元器件将光束从一个波导导到另一个波导。
2.间接耦合：间接耦合是通过介质材料实现光信号的耦合。
间接耦合技术包括折射耦合和布拉格耦合两种方法。
-折射耦合：折射耦合是利用两个波导之间的介质材料的折射率差实现光信号的耦合。
介质层的折射率差会导致光信号发生折射，并跨越两个波导之间的界面。
-布拉格耦合：布拉格耦合是通过布拉格光栅实现光信号的耦合。
布拉格光栅是一种周期性变化的光学结构，能够有效地选择性反射特定波长的光信号。
通过调整布拉格光栅的周期和干涉介质的折射率，可以实现对特定波长光信号的高效耦合。
总之，波导耦合器作为一种重要的光学器件，实现了光纤之间的光信号传输和分配。
它可以通过直接耦合和间接耦合等方法将光信号从输入波导传递到输出波导。
通过选择合适的耦合方式和优化波导结构，可以实现高效的光信号耦合和传输。
耦合器通俗解释
耦合器通俗解释（内容来自互联网）在微波系统中，往往需将一路微波功率按比例分成几路，这就是功率分配问题。
实现这一功能的元件称为功率分配元器件即耦合器，主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。
光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。
它由发光源和受光器两部分组成。
把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。
发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。
光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。
如下图1（外形有金属圆壳封装，塑封双列直插等）。
中文名耦合器外文名Coupler主要包括定向耦合器、功率分配器组成发光源和受光器技术规范耦合器技术规范目录1 工作原理2 光电测试3 应用4 区分种类? 定向种类? 波导种类? 双分种类? 平行种类5 耦合器技术规范（室内分布）6 隔离器? 谐振式隔离器? 场移式隔离器工作原理原理类比：老张的南北两侧的白菜地各分了3份，老张希望通过一次性水道改动，每份地从主干水道上获得一小部分水流，水流速度和其他的地尽量相同，如图1所示。
图1 水流均分图这样老张就可以在树荫下歇一段时间，不用再做任何的水道改动，所有的地同时浇完。
图2 耦合器实物图耦合器是从无线信号主干通道中提取出一小部分信号的射频器件，如图2所示，与功分器一样都属于功率分配器件，不同的是耦合器是不等功率的分配器件。
耦合器与功分器搭配使用，主要为了达到一个目标—使信号源的发射功率能够尽量平均分配到室内分布系统的各个天线口，使每个天线口的发射功率基本相同。
理想耦合器的输入端口功率等于耦合端口功率与输出端口功率之和，以瓦特（W）为单位，即如图3所示。
图3 耦合器原理图耦合器的重要指标是耦合度和插损。
耦合度是耦合端口与输入端口的功率之比，以dB表示的话，一般是负值。
波导光栅耦合器
¹1996-07-29收稿;1996-08-20定稿º本刊通讯编委第18卷第2期半 导 体 光 电Vol.18No.21997年4月Semico nductor Optoelectro nicsA pr.1997波导光栅耦合器¹袁纵横 刘永智º庞 涛(电子科技大学,成都610054)摘 要: 介绍了近几年国外波导光栅耦合器的研究和应用情况,重点介绍了光栅参数和波导结构对波导光栅耦合器输入耦合效率的影响以及光栅耦合器在光盘读出头、传感器、光谱分析等方面的应用。
关键词: 光波导 波导光栅 耦合器中图法分类号:TN814.6TN622Waveguide grating photocouplerY U AN Zhongheng L IU Yongzhi PAN G T ao(University of Electronic Science and Technology,C hengdu 610054,CHN)Abstract:Recent advances in research and applications of waveguide grating photo -coupler are presented,w ith the emphasis on the effect of g rating parameters and w aveg -uide structure on the input coupling efficiency of w aveguide grating photocoupler.Its ap -plications in optical disk pickup,sensor,and spectrum analysis,etc,are also described.Keywords:Optical Waveguide,Waveguide Grating ,Photocoupler1 概述波导光栅器件在集成光路中有许多应用[1~3],可作偏转器、模式转换器、波分复用器、滤波器、启偏器、耦合器等。
耦合器基本原理.ppt
耦合比率与熔融拉锥长度的关系
1
0.9
0.8
C
D
0.7
P(1.55 0 Z) 0.6
A
E
P(1.31 0 Z) 0.5
Yc( Z )
0.4
B
0.3
0.2
0.1
0 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000
Z
熔锥型多模光纤耦合器
在多模光纤中，传导模若干个分立的模式，当传导 模（靠近光轴的模式为低阶模，离光轴较远的为高阶模） 进入熔锥区后，纤芯变细，同样导致V值逐渐减少，纤芯 中束缚的模式数减少，较高阶的模进入包层中，形成包 层模。
指耦合器全部输出端口光功率总和相对全部输入光功率 的减少值。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
EL= -10×lg ∑Pout Pin
3、分光比（Coupling Ratio，CR） 指耦合器各部输出端口的光功率相对输出总功率的比值。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
Pouti CR=
X形耦合器(2×2 coupler)
Y形耦合器(1×2 coupler) 星形耦合器(M×N coupler,M、N>2) 树形耦合器(1、2×N coupler, N>2)
2.3 工作带宽
单窗窄带耦合器(Standard Coupler) 单窗宽带耦合器(WFC) 双窗宽带耦合器(WIC)
2.4 传导模式
×100%
∑Pout
4、方向性（Directivity） 指耦合器工作时，输入一侧非注入光的一端的输出光
功率与全部注入光功率的比较值。
Pin Coupler
经典定向耦合器直通端和输出端的相位差
经典定向耦合器直通端和输出端的相位差经典定向耦合器是一种常用的微波器件，用于将微波信号从一个波导传输到另一个波导，同时保持其相位特性。
在经典定向耦合器中，直通端和输出端的相位差是一个重要参数。
下面将列举10个直通端和输出端相位差的影响因素。
1. 波导长度：直通端和输出端的相位差与波导的长度有关。
波导长度越长，相位差越大。
2. 波导宽度：波导的宽度也会影响直通端和输出端的相位差。
通常情况下，波导宽度越大，相位差越小。
3. 波导高度：波导的高度也会对相位差产生影响。
高度较大的波导相位差会相应较小。
4. 材料特性：波导的材料特性也会对直通端和输出端的相位差产生影响。
不同材料的介电常数和磁导率会导致不同的相位差。
5. 工作频率：直通端和输出端的相位差还与工作频率有关。
频率越高，相位差越大。
6. 耦合结构：直通端和输出端的耦合结构也会对相位差产生影响。
不同的耦合结构会有不同的相位差特性。
7. 线长：直通端和输出端之间的线长也会影响相位差。
线长越长，相位差越大。
8. 端口匹配：直通端和输出端的端口匹配情况也会对相位差产生影响。
良好的端口匹配可以减小相位差的变化。
9. 耦合强度：耦合器中的耦合强度也会影响相位差。
耦合强度越大，相位差越小。
10. 温度变化：直通端和输出端的相位差还会受到温度的影响。
温度变化会导致相位差的变化。
总结起来，直通端和输出端的相位差受到多种因素的影响，包括波导长度、宽度、高度，材料特性，工作频率，耦合结构，线长，端口匹配，耦合强度和温度变化等。
在设计和应用经典定向耦合器时，需要考虑这些因素，以满足特定的相位差要求。
波导耦合器工作原理
波导耦合器工作原理
波导耦合器是一种微波器件，常用于微波通信、雷达和天线系统中。
它的主要作用是将微波信号从一个波导传输到另一个波导中，同时保持信号的相位和振幅不变。
下面将详细介绍波导耦合器的工作原理。
一、基本结构
波导耦合器由两个相互垂直的矩形截面金属管道组成，分别称为主管道和副管道。
主管道内部有一个窄缝，称为耦合槽，用于将微波信号从主管道传输到副管道中。
二、工作原理
当微波信号从主管道进入耦合槽时，它会被分成两部分。
一部分沿着主管道继续传输，另一部分则通过耦合槽进入副管道。
这两部分信号之间存在相位差，取决于耦合槽的长度和宽度。
为了保持信号的相位和振幅不变，需要调整耦合槽的长度和宽度。
通常采用调整螺钉来实现这个目标。
调整螺钉可以改变耦合槽的长度和宽度，从而调整传输的微波信号。
三、特点和应用
波导耦合器具有以下特点：
1. 高功率承受能力，可承受高达数千瓦的微波功率。
2. 低插入损耗和反射损耗，可保持微波信号的相位和振幅不变。
3. 可调节性强，可以通过调整螺钉来实现微波信号的传输和调整。
4. 应用广泛，常用于微波通信、雷达和天线系统中。
总之，波导耦合器是一种重要的微波器件，具有高功率承受能力、低损耗和可调节性强等优点。
它在微波通信、雷达和天线系统中有着广泛的应用。
耦合器设计-基本理论
根据不同的分类标准，耦合器可以分为多种类型。例如，根据传输信号的类型， 可以分为模拟耦合器和数字耦合器；根据功率分配方式，可以分为一分二、一 分四、一分八等不同类型。
耦合器的作用与重要性
作用
耦合器在通信、雷达、电子战、测量等领域中有着广泛的应用，主要用于功率分 配、信号合成、信号分离等。
该方法精度高，适用于对性能要求较高的耦合 器设计，但计算量大，设计周期较长。
基于经验公式的近似设计
01
经验公式是根据大量实验数据总结得出的近似公式，可以快速 计算出耦合器的性能参数。
02
基于经验公式的近似设计方法简单、快速，适用于对性能要求
不高、设计周期较紧的情况。
但该方法精度较低，可能无法满足高性能耦合器的设计要求。
集成化
将耦合器与其他电子元件集成在同一芯片上，可以提高设备 的可靠性和稳定性，降低成本。
高性能、低成本的设计目标
高性能
追求高效率、低损耗、高线性度等高 性能指标，以提高耦合器的传输质量 和稳定性。
低成本
通过优化设计、选用合适的材料和工 艺，降低耦合器的制造成本，提高性 价比和市场竞争力。
THANKS FOR WATCHING
电磁波的传播速度在真空中等 于光速，在其他介质中的传播 速度取决于介质的折射率。
电磁波的传播方向、电场和磁 场的方向相互垂直，遵循右手 螺旋定则。
耦合器的传输特性
耦合器是一种将信号从一根传 输线耦合到另一根传输线的装 置，其传输特性包括插入损耗
、隔离度、工作带宽等。
插入损耗是指耦合器对信号的 衰减程度，通常以分贝(dB)为
单位表示。
隔离度是指耦合器对非目标传 输线的抑制能力，即防止信号 泄漏的能力。
功率耦合器的原理和应用
功率耦合器的原理和应用耦合器的重要指标是耦合度和插损。
耦合度是耦合端口与输入端口的功率之比，以dB表示的话，一般是负值。
耦合度的绝对值越大，相当于拿走的东西越少，自然耦合器的损耗就越小。
插损是输出端口与输入端口的功率之比。
耦合度的绝对值越大，插损的绝对值越小。
如图所示①口为输入臂,即提供输入功率给输入端口。
通过藕合,一部分功率传输到端口③(藕合端口),而其余的功率由①端口直接传输到②端口,②端口被称为直通端口。
在理想定向藕合器中没有功率传输到④端口(隔离端口)。
定向耦合器的技术指标（1）耦合度副波导正向端口（P4）的输出功率与主波导输入端口（P1）的输入功率之间比值的分贝数称之为定向耦合器的耦合度。
（2）方向性在波导定向耦合器中，副波导正向传输功率与反向传输功率比值的分贝数表征了耦合器的方向性。
方向性是衡量定向耦合器中副波导内能量定向传输的标准，由于 P4> P3,因此，d 的值越大则耦合器的方向性越好。
2、频带宽度:方向性、藕合度、隔离度和电压驻波比在满足指标时定向耦合器工作的频率范围。
3、插入损耗:是指定向藕合器输入功率对输出功率以分贝表示的比值,它表明该器件对信号功率的衰减程度。
对于弱祸合的定向祸合器来说,插入损耗可以忽略不计。
4、回波损耗:当激励从定向祸合器的任意一个端口输入,其他端口接匹配负载时,被测端口反射输出功率与输入功率的比值取分贝。
5、输入电压驻波比:定向祸合器的直通臂、隔离臂和祸合臂接匹配负载时,在输入端口测得的电压驻波比,它反应了输入端的反射大小。
为了描述传输链路中驻波的大小，引入驻波参数。
电磁波在传输链路上进行传输，传输链路上存在许多波腹点与波节点，相邻的波腹点与波节点电压之比就被定义为驻波系数。
驻波比表征了耦合器在输入端口反射能量的大小，在设计中希望输入驻波比的值为1。
在进行波导定向耦合器设计时，必须考虑耦合结构对耦合器驻波特性的影响。
定向耦合器的应用1、定向耦合器用于功率合成系统；2、定向耦合器进行发射机信号的取样和监测；3、定向耦合器作为反射功率计；4、采用定向耦合器实现系统信号覆盖；5、在微波测量功率时，利用定向耦合器扩大测量功率范围，作为类似于衰减器。
光波导耦合器的器件结构和工作原理
光波导耦合器的器件结构和工作原理
一、引言
光波导耦合器是一种用于将光信号从一个波导传输到另一个波导的器件。
它在光通信、光传感等领域有着广泛的应用。
本文将介绍光波导耦合器的器件结构和工作原理。
二、器件结构
光波导耦合器通常由两个波导组成，分别为输入波导和输出波导。
输入波导和输出波导之间通过一个耦合区相连，其中耦合区是由两个平行且距离很近的波导组成，它们之间存在一定的交叉。
在这个耦合区中，输入波导和输出波导的电磁场会发生相互作用，从而使得部分能量从输入波导转移到输出波导。
这样就实现了将光信号从一个波导传输到另一个波导。
三、工作原理
当入射光进入输入端口时，它会被输送到输入端口下方的耦合区域。
在这里，入射的电场会与耦合区内部的模式相互作用。
由于存在一定
程度的交叠，在这个过程中，部分能量会被传递到输出端口下方的输
出端口中。
具体来说，当入射光进入耦合区时，它会被分成两个模式：一个是传
输模式，另一个是耦合模式。
传输模式将沿着输入波导传输，而耦合
模式将沿着耦合区域传输，并且一部分能量将被转移到输出波导中。
为了实现高效的耦合，需要使得两个波导之间的距离非常接近。
此外，还需要进行一定的优化设计，例如通过调整波导的形状和尺寸等来优
化光场分布。
四、总结
光波导耦合器是一种重要的光学器件，在光通信、光传感等领域有着
广泛的应用。
它通过在两个波导之间设置耦合区来实现将光信号从一
个波导传输到另一个波导。
在实际应用中，需要对器件进行优化设计
以获得更好的性能。
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透镜
耦合棱镜
He-Ne 激光器
准直器
偏振器
单模平板光波导m线照片
四个导模的多模平板光波导m线照片
光栅耦合器
光栅耦合器可以将直接照射波导层的光有效地耦合入 波导模式中去。 光栅耦合器具有平面结构，适于批量生产，可使元件 小型化，便于集成化，非常具有实用价值。
m cm
9
tg cos 2 2 2 m 1 nL n g 2t L 64
nL n g
2
归一化因子
反射因子
1
2 g
tg
tL t 波导的TE导模阶数 1 2 2 面积失配因子 m 1 t L 思考：为什么与奇数阶导模 交叠因子 不发生耦合？
如果 t g t L，最低阶导 模（m 0）的耦合效率 理论值可接近100%， 此时，耦合到高阶模 式的能量几乎为零。
10
横向耦合器
上面讨论的耦合效率是假设激光器与波导完全对准时 的最佳值，实际上耦合效率对于x方向（波导层厚度 方向）的横向对准偏差是非常敏感的。 波导相对于激光器横向位移为 X 时，耦合效率按如下 规律减小
棱镜耦合器
24
波导层上表面2点处直接波与间接波的相位差 等于 直接波由等相位面传播到2’点的相位（np k0l sinm）减 去间接波由1点传播到2点的相位（ m l ），即
np k0l sinm m l m l m l 0
结论：直接波与间接波同相，相干相涨叠加。
12
虚线：理论计算值 实线：实验测量数据
横向耦合器
激光器与波导在z方向（光传播方向）之间的间距对 于耦合效率也是非常关键的，要实现最佳耦合，间距 需控制在波长量级的精度。
耦合效率的整体下 降趋势由衍射效应 引起。 曲线的振荡形状由 激光器和波导之间 F-P共振效应引起。 激光器和波导之间 用折射率匹配液可 消除振荡效应。
k0n3 k0n2 m k0n1 导模条件：
图示直接聚焦照射的方法显然 无法实现与导模之间的耦合。
棱镜耦合器
棱镜耦合器的工作原理如下图所示
输入棱镜耦合器
15
x
y
输出棱镜耦合器
np
n3
n1
n2
z
m
p
m0
0
m 1
1
• 用夹具将高折射率（ np n1 ）棱镜压在平板波导上， 棱镜底部与波导层的表面之间有一很窄的空气间隔 （或折射率匹配液），构成棱镜-波导耦合系统。
P 2X cos P0 t L
P0 :无横向位移（X 0）时的耦合功率
P
11
:有横向位移（X 0）时的耦合功率
上式假设 t g t L 和 X t L t g 2 。
横向耦合器
t L 5.8 m 和 t g 2.0m 。 实例：
光耦合原理
光耦合器的基本性质是它的耦合效率和模式选择性。 耦合效率：光束总功率中被耦合进（或耦合出）波导 的百分比，也可以用分贝（dB）单位表示。 百分比表示： cm 分贝表示： cm
Pin / out Pt
3
Pt 10log Pin / out
1 10log cm
17
x
y
输出棱镜耦合器
np
n3
n1
n2
z
m
p
m0
0
m 1
1
• 如果棱镜底部与波导层表面之间的缝隙足够小，以至 于棱镜中驻波模式的倏逝波尾与波导中导模的倏逝波 尾部分重叠，并且满足 p m ，就能发生棱镜驻波模 式与第 m 阶波导模式的能量相干耦合。
棱镜耦合器
耦合发生时的相位匹配条件：
7
横向耦合器
平行端接耦合是实现波导与半导体激光器（或波导） 之间耦合的有效方法。 波导层厚度可以制作成与半导体激光器的发光层厚度 相当，并且激光器的基模场分布与波导的基模场分布 相似，所以平行端接耦合能实现两者的高效耦合。
8
横向耦合器
一个工作在TE0基模态的激光二极管与平板波导进行 耦合，TE模间的耦合效率可以表示为
棱镜耦合器
25
通常在棱镜耦合器中有大约近百个这样的锯齿，因此 相干加强作用能很快地在波导层中激发起足够强度的 波导模式 由于这个原因，相位匹配条件也叫做同步条件，用于 激发各种不同波导模式的棱镜入射角 m 称为同步角。
棱镜耦合器
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当棱镜耦合器用做输出耦合器时，不同阶数的模式会 以不同的角度输出，可以用做模式分析工具。 将棱镜耦合器作为输出耦合器沿波导的长度方向移动， 可以用于测量波导损耗，但是每次测量耦合功率时需 对棱镜施加相同的压力，使得间隙（即耦合效率）保 持不变。 由于半导体波导的折射率通常较大（3~4），很难找 到折射率满足要求的棱镜，所以很难用棱镜耦合，所 以棱镜耦合通常用于玻璃波导。 半导体激光器的发散角较大，因此不能用棱镜耦合器 件进行有效耦合。
y
5
z
波导既可以是平面型，也 可以是通道型。
横向耦合器
在端焦法中，光束能量向已知波导模式的转移是通过 光束场和波导模场的匹配来完成的。 由入射光束的场分布与波导模场分布的重叠积分可以 计算出耦合效率。 以平板波导为例，耦合效率的计算式为
m cm * A x B x dx * * A x A x dx B x B x dx 2
m cos 2
2
m 0,1, 2
上式假设所有波导模式都受到很好限制，并且波导的 波导层厚度小于激光器的发射层厚度，即 t g t L 。
横向耦合器
下图为GaAs激光二极管与玻璃衬底Ta2O5波导的耦合 效率与波导厚度的关系曲线。
28
光栅
n3 n1
n2
光栅耦合器
波导层中的导模通过光栅区域时，激发起衍射场，导 模通过衍射光将能量传输到覆盖层，构成输出耦合； 反之，由覆盖层照射到光栅的激光束，也可以把能量 有效地耦合进波导层，激励起导模。
29
光栅
n3 n1
n2
光栅耦合器
输入光栅耦合器工作原理
等相位面
30
m
n3
n1 n2
p k0np sinm m
18
• 调整光束入射角可以将能量耦合进不同阶数的波导模 式中。 • 对于输出棱镜耦合器，如果波导中存在多阶导模，各 阶模式在棱镜中的输出角也是不同的（对于平板波导， 将形成m线）。
单模平板光波导m线照片
四个导模的多模平板光波导m线照片
棱镜耦合器
在棱镜-波导耦合系统中，入射光束在棱镜中发生全 反射，但是能通过倏逝波尾重叠而耦合能量，这样的 过程称为光学隧道效应，它与量子力学中的势垒贯穿 （隧道效应）相似。 思考一：如果 np n3 ，会不会发生耦合？ 思考二：如果 n3 np n1 ，会不会发生耦合？ 思考三：如果 np n1 ，是不是一定会发生耦合？发生 耦合的条件是什么？
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棱镜耦合器
棱镜-波导耦合的光线模型
22
等相位面
np
m
n3
n1
1' 1
m
l
l sin m
2' 2
入射到棱镜底部1’、2’、3’ 点的光（相当于次波源）， 在波导层上表面对应的1、2、 3点分别激励起子波，这些 子波相干叠加后形成波导模 式。 x
y
3' 3
z
棱镜耦合器
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波导层上表面2点处的光波是由两部分光波相干叠加 而成： • 由棱镜底部2’点直接激励产生，称为直接波； • 由棱镜底部1’点在波导层上表面1点直接激励，然后 在波导层中沿锯齿形路径传播过来，称为间接波。
Pin / out 为耦合进（出）波导的功率； Pt 为耦合前光 其中， 束的总功率。
模式选择性：将光功率耦合进特定波导模式，或将特 定波导模式的光功率耦合出波导。
光耦合原理
对于一个选模耦合器，可以分别确定每个模式的耦合 效率。
m 百分比表示： cm m Pin / out Pt
4
分贝表示：
13
棱镜耦合器
14
如何将光耦合进横截面没有露在外部但是表面露出来 的波导中去？ 能否像下图一样，以某倾角将光聚焦在波导表面，实 现耦合？ 为了实现耦合，必须满足相位 匹配条件，即z向传播常数相 x m y z 等，也即要求： n
3
n1 n2
m
m k0n3 sinm
通常情况下
n1 n2 n3
6
A x 为输入激光束的振幅分布， B x 为第 m 阶导 其中， 模的振幅分布。
横向耦合器
激光束的高斯分布与TE0模（基模）模场形状之间具 有相当好的匹配，所以端焦法特别适用于气体激光器 输出光束与波导基模之间的耦合（原则上讲，耦合效 率可以接近100%）。 为实现最佳耦合，光束直径一定要与波导厚度匹配， 并且要严格对准（由于对准误差，通常可达到的耦合 效率约为60%）。 端焦法很方便，实验室常常采用这种方法，但是在没 有光学平台的情况下要保持对准是非常困难的，这就 限制了端焦法的实际应用。
其中，为棱镜驻波模式与波导模式之间的耦合系数， n1 和 n3 有关，也与棱镜底 它与确定模场尾形状的 np 、 部和波导表面的间隙 s 有关;
L
是棱镜底部光束沿z方向的宽度。
棱镜耦合器
在耦合长度 L 确定时，可以通过调节间隙的厚度 s 以 改变耦合系数 ，从而获得高的耦合效率。 完全耦合（100%耦合）条件是假定在光束的整个宽 度内，电场是均匀的，实际上对于高斯光束，最大耦 合效率约为80%。 即使是均匀光束，要想实现100%的耦合，光束的边 缘一定要恰好与棱镜的直角顶点相交： • 如果光束入射得偏右，则部分入射功率或被反射或直 接透射入波导，而不进入棱镜模式； • 如果光束入射得偏左，则部分已耦合入波导的功率将 会重新耦合回棱镜。