耦合模理论

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《耦合理论》课件

《耦合理论》课件

有限差分法
总结词
有限差分法是一种将偏微分方程离散化 为差分方程的方法。
VS
详细描述
有限差分法通过将连续的时间和空间变量 离散化为有限个离散点,并使用差分近似 代替微分,将偏微分方程转化为离散的差 分方程组。然后,使用迭代或其他数值方 法求解该差分方程组,以获得近似解。
谱方法
总结词
谱方法是一种基于傅里叶级数或其它正交多 项式展开的数值方法。
详细描述
在电路中,耦合现象通常表现为信号的传递 和干扰。例如,变压器、电感和电容等元件 之间存在电磁耦合,这些耦合会导致信号的 传输和能量的损失。为了减小耦合效应,工 程师需要合理地设计电路布局和元件参数,
以优化电路性能。
建筑结构的耦合分析
总结词
建筑结构的耦合分析是指将结构视为一个整体,分析其各组成部分之间的相互作用和影 响。
02
根据影响和作用的范围,耦合可以分为局部耦合和全局耦合。局部耦合是指影 响和作用仅限于系统或组件的局部范围,而全局耦合则是指影响和作用遍及整 个系统或组件。
03
根据影响和作用的稳定性,耦合可以分为稳定耦合和不稳定耦合。稳定耦合是 指影响和作用在长时间内保持稳定,而不稳定耦合则是指影响和作用随时间变 化而变化。
时空耦合模型是指系统中各部分之间 的相互作用关系不仅与它们的状态变 量有关,还与时间和空间有关。
时空耦合模型在气候变化、地震预测 和城市规划等领域有广泛应用,例如 气候模式和城市交通网络等。
在时空耦合模型中,各部分之间的相 互作用力不仅与它们的状态变量成正 比,还与时间和空间有关,因此系统 状态的演化是时空相关的。
耦合的应用场景
01
在通信系统中,耦合可 以被用于描述信号传输 过程中的能量损失和干 扰现象。

耦合模理论-coupled mode theory

耦合模理论-coupled mode theory
Lecture 6: Coupled-mode theory

Mode expansion Single-waveguide mode coupling Multiple-waveguide mode coupling Two-mode coupling Codirectional coupling Contradirectional coupling Phase matching
References: This lecture follows the materials from Photonic Devices, Jia-Ming Liu, Chapter 4.
1
Coupled-mode theory


Coupled-mode theory deals with the coupling of spatial modes of different spatial distributions or different polarizations, or both. The normal mode fields spatial dependence in a lossless waveguide at a single frequency can be given as
ˆ ( x, y ) exp(i z ) E (r ) A ( z ) E

ˆ ( x, y ) exp(i z ) H (r ) A ( z ) H

9
Single-waveguide mode coupling
10
Single-waveguide mode coupling
E i 0 H H iE iP

光纤光栅模耦合理论

光纤光栅模耦合理论


单模均匀光纤光栅反射谱公式: 光纤光栅布喇格反射公式
光纤光栅耦合模理论
光纤光栅区域的光场满足模式耦合模方程:
dAin0 dz dAin0 dz K n0 m0 Aim0 exp[ j ( n0 m0 ) z ] K n0 m0 Aim0 exp[ j ( n0 m0 ) z ]
t Emt H mt H mz 考虑 j m H mt j0 z 是m模式的播常 H mt 2 m H m t H mz z j 0 n0 Em m zt t z


t (
A z 、B z 分别为光纤光栅区域中的前向波、后向波; k z 为耦合系数;q z 与光栅周期和传播常数 有关。
利用此方程和光纤光栅的折射率分布、结构参量及边界条件, 并借助数值算法,可以求出光纤光栅的光谱特性。
i t i 0 m i m mt i H t bi ' m H mt i ' 0 m
i i 2 t [ t (aim Emt )] z (bim H mt ) j 0 n aim Emt j0 z i0 m i0 m i0 m i
i i 2 t [ t (aim Emt )] z (bim H mt ) j 0 n aim Emt j0 z i0 m i0 m i0 m i
dbim )( z H mt ) j 0 (n 2 n0 2 )aim Emt ] 0 dz i 0 m i daim bim 1 1 {[( jb )( z E ) [( )( H i m m mt t t mt )]} 0 2 2 dz j n n i 0 m 0 0

第六章 模式耦合理论2016

第六章 模式耦合理论2016

K 21
6 17
上式说明了一个有趣的现象,光波功率在光纤1和光纤2之间周期性 sin 2 Kz 1 交换(结论二),如果 ,则光功率完全耦合到光纤 2中。
(6-15)式 和(6-16)式的结果只能说是耦合模方程的形式解,因为在所 得结果中,有两个重要的参数,即耦合参数K12和K21并未给出。 严格求解这两个系数是非常困难的,简化的过程如下。 如右图示,将整个光纤耦合系 统分成三个区域。 如前所述,弱耦合条件下,可 认为波导1和波导2内的场分别为
6 9
K12 和 K 21是耦合系数,它们直接决定了光纤1和光纤2之间相互影响
的大小。一般说来,耦合系数都是复数,并且可以采用Lorentz互易 定理证明它们具有如下互易特性
* K12 K 21
利用 (6-8)式和耦合方程(6-9)式,可以得到
dA1 z j z jK 21 A2 z e 1 2 dz dA2 z jK A z e j 2 1 z 12 1 dz
K 21 1 B a 1 2 1 K a2 B 1 a K 21 a 2 2 1 2 K
6 9
6 14
a2 0 如果再令初始条件 ,则可将上式简化为
j z a1 z a1 cos Kze j z a2 z a1 sin Kze
•2. 模式的横向耦合理论
到另一根光纤中光波场的影响。 为分析两根相互靠近的光纤 的影响,首先假设两根光纤单独 存在时的场量分别为 a.)只有波导1存在时
1 j z E10 e 1 E1 2 j z 1 E10 e 1 j z H10 e 1 H1 2 j z 1 H10 e

model coupling theory

model coupling theory

model coupling theory模型耦合理论(Model Coupling Theory)是指将不同的模型或子模型通过某种方式相互连接,形成一个整体模型的理论和方法。

它旨在解决多个模型之间相互依赖、相互影响的问题,以及提高模型的准确性和可靠性。

模型耦合理论的基本思想是将多个模型组合成一个整体模型,使得各个子模型之间可以相互传递信息、相互影响,并通过协同作用达到更准确的结果。

模型耦合可以是线性的、非线性的,也可以是静态的、动态的。

在模型耦合理论中,常用的耦合方式有以下几种:1. 驱动-响应耦合(Driver-Response Coupling):一个模型作为主模型,驱动其他模型的运行,并根据其他模型的响应进行调整。

这种耦合方式常用于模拟系统的控制过程。

2. 数据耦合(Data Coupling):不同模型之间通过共享数据进行耦合。

模型之间的数据交换可以是单向的或双向的,可以是离散的或连续的。

3. 参数耦合(Parameter Coupling):不同模型之间通过共享参数进行耦合。

一个模型的输出可以作为另一个模型的输入参数,或者两个模型共享相同的参数。

4. 接口耦合(Interface Coupling):不同模型之间通过定义共同的接口进行耦合。

接口定义了模型之间的输入和输出,使得模型之间可以进行交互。

模型耦合理论的应用非常广泛,包括气候模型、生态模型、经济模型等领域。

通过将不同的模型耦合起来,可以更好地模拟和预测复杂系统的行为,提高决策的科学性和准确性。

然而,模型耦合也带来了一些挑战,如模型之间的数据一致性、模型之间的计算效率等问题,需要进一步研究和解决。

光纤耦合器的理论_设计及进展

光纤耦合器的理论_设计及进展

第30卷第1期 2010年3月物 理 学 进 展PROGRESS IN PH YSICS V ol.30No.1 M ar.2010文章编号:1000-0542(2010)01-0037-44收稿日期:2009-11-18基金项目:国家自然科学基金(10674075,10974100,60577018)、天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目、国家863计划项目(2006A A01Z 217)、光电信息技术科学教育部重点实验室开放基金项目资助*Ema il:zhangw g@nanka 光纤耦合器的理论、设计及进展林锦海,张伟刚(南开大学现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071)摘要: 系统总结了光纤耦合器的发展历程,归纳提炼出各个阶段的标志性事件;详细阐述了光纤耦合器的耦合类型、制作方法、性能参数;详细评述了光纤耦合器的理论分析方法;全面分析了X 型、星型、光栅型、混合型等各种典型光纤耦合器的基本结构、工作原理及耦合特性;指出并展望了光纤耦合器的发展方向和应用前景。

作者率先提出并设计了超长周期光纤光栅耦合器,实验上实现了两个超长周期光纤光栅之间的有效耦合。

关键词:光纤光学;光纤耦合器;光纤通信;光纤传感;超长周期光纤光栅中图分类号:T N253;T N929 文献标识码:A0 引言光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件,是光纤系统中使用最多的光无源器件之一,在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。

光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成,属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。

根据光的耦合原理,人们已经设计出了多种光纤耦合器器结构。

包括:X 型光纤耦合器、星型光纤耦合器、双包层光纤耦合器、光纤光栅耦合器、长周期光纤光栅耦合器、布拉格光纤耦合器、光子晶体光纤耦合器等。

随着各种光纤通信和光纤传感器件的广泛使用,光纤耦合器的地位和作用愈来愈重要,并已成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。

无线电传输在双线圈及四线圈系统中的耦合模理论

无线电传输在双线圈及四线圈系统中的耦合模理论

Transmission of Wireless Power in Two-Coil and Four-Coil Systems using Coupled Mode TheoryManasi Bhutada, Vikaram Singh, ChiragWartyDept. of Electrical and Electronics EngineeringIntelligent Communication LabMumbai, India无线电传输在双线圈及四线圈系统中的耦合模理论电气与电子工程系智能通信实验室印度,孟买姓名:学号:班级:日期:2016年7月2日Abstract—Wireless Power Transfer (WPT) systems are considered as sophisticated alternatives for modern day wired power transmission. Resonance based wireless power delivery is an efficient technique to transfer power over a relatively long distance. This paper presents a summary of a two-coil wireless power transfer system with the design theory, detailed formulations and simulation results using the coupled mode theory (CMT). Further by using the same theory, it explains the four-coil wireless power transfer system and its comparison with the two-coil wireless transfer power system. A four-coil energy transfer system can be optimized to provide maximum efficiency at a given operating distance. Design steps to obtain an efficient power transfer system are presented and a design example is provided. Further, the concept of relay is described and how relay effect can allow more distant and flexible energy transmission is shown.摘要——无线电源传输(WPT)系统被认为是复杂的现代有线输电的替代品。

7耦合模理论及器件

7耦合模理论及器件

Lo / 2k
耦合长度,在其奇数倍长度 处也可实现完全耦合
光耦合器件
一.光耦合器 二.Mach-Zehnder干涉仪 三.Mach-Zehnder型电光调制器 四.Interleaver光滤波器 五.微环谐振滤波器 六.有机聚合物微谐振环电光调制器
光耦合器件(一)——耦合器
• 功能:对同一波长的光功率进行分路或合路 • 类型:Y型、X型22耦合器、1N型、MN型 • 分类:
已知
u, v, z
缓变函数传输常数场 Nhomakorabea程2 t2 n k0 n0 n n 0 2 2

n

m
2 k0 n2 0
2
n n *ds 1
S
模式展开
模式的完备性
(u, v, z) Anp ( z) np (u, v) exp jpn z , p
光纤耦合器的散射矩阵表示法
a1 ( z ) jz cos(kz) a ( z ) e j sin(kz) 2
2 2
j sin(kz) a1 (0) cos(kz) a2 (0)
2
a2 ( z ) sin (kz ) a1 (0)
a1 ( z ) cos (kz ) a1 (0)
2 2
2
a2 ( z ) sin (kz ) a1 (0)
2 2
2
传输功率在两个波导之间周期性交替传递
a2 ( z ) sin (kz ) a1 (0)
2 2
2
a2 ( L ) sin 2 (kL) a1 (0)
光从波导1完全耦合至波导2的长度为
2 q k0 dAm pq pq j kmn Anp exp j qm p n z kmn 2 pm dz n, p

1三场耦合理论模式介绍

1三场耦合理论模式介绍

热-流-固耦合建模过程热-流-固耦合作用是存在高度非线性的复杂耦合作用。

有关这三场的耦合作用研究在地石油工程、热资源开发、地下核废料存储安全、采矿工程等很多领域有着非常重要的应用价值。

由于研究对象的不同,热流固耦合模型的形式存在差异,建立符合实际问题的三场耦合模型十分困难,文中在国内外学者对三场耦合模型理论研究的进展状况的基础上,通过一个例子,介绍了用adina建立模型的过程。

1三场耦合理论模式介绍在三场耦合尤其是三场耦合机制的研究过程中,人们根据各自对三场耦合的认识提出了不同的三场耦合作用模式。

1995年前有关三场耦合作用模式的研究在场与场之间的联系关系上主要是以速度等变量为桥梁,如HART、Jing提出的作用模式,其中Jing主要描述的核储存库三场耦合模式,后来作用模式发展为主体为物理现象,它们之间的相互联系是以场作用或物理作用为桥梁的,如Guvanasen、柴军瑞的作用模式,前者同样以核废料储库库围岩三场耦合作用研究为主,后者为一般模式。

Jing等描述了核废料贮库围岩裂隙岩体中的热-液-力耦合过程,如图1所示。

Hart 等提出了如图2所示的三场耦合作用模式。

柴军瑞从岩体渗流-应力-温度三者两两之间的相互关系出发,建立了如图3的作用模式。

图中:口渗透水流对岩体固相的力学作用,一般应用有效应力原理来反映;a’为应力引起裂隙岩体空隙率和渗透特性变化,目前有经验关系式(如Lours负指数关系式)和理论关系式(包括各种概化情况下和各种概化模型下的理论关系式)两大类表示方法;b为温度引起热应变(力)及与温度有关的岩体固相力学特性变化;b’为岩体固相力学变形引起热力学特性变化及岩体固相内部热耗散;c为水流的热对流及与岩体固相的热交换;c’为温度势梯度引起水份运动及与温度有关的水特性变化。

图1裂隙岩体中的热液力耦合过程(据Jing等。

1995年)图2三场耦合模式(Hart)图3渗流-应力-温度之间的相互关系图2热流固耦合理论的提出三场耦合理论是由流-固两场耦合理论发展而来的,在流-固耦合理论中,有的假设温度场是恒定的,或者是不考虑温度场的变化与流体流动、岩石变形间的耦合作用。

第三章 模耦合理论及应用3、2

第三章 模耦合理论及应用3、2

§3.2 模耦合理论的应用—光纤定向耦合器
制作方法: 2×2定向耦合器大多采用熔融 拉锥的制造方法,在制作过程中,将两根光 纤胶合在一起,用火焰加热到软化温度后再 拉伸,在熔融区形成渐变双锥结构,拉锥后, 一方面两光纤彼此靠近,另一方面光纤芯径 减小,从而使光场由纤芯向外扩散,纤芯外 的场称为消失场。当两光纤极为靠近时,将 会通过消失场进行能量交换,产生两光纤之 间的耦合,耦合的程度取决于耦合区长度及 纤芯间包层的厚度。
2 (n12 k 02 k x2 k y )1 / 2 2 p x [(n12 n2 )k 02 k x2 ]1 / 2 2 2 p y [(n12 n2 )k 02 k y ]1 / 2 2 2 q y [(n12 n3 )k 02 k y ]1 / 2
1/ 2
, 2 1 2
§3.2 模耦合理论的应用—光纤定向耦合器
若耦合的两根光纤完全一致,且耦合的两模式相 位匹配,则可以得到两输出光场振幅及功率的表 达式 :
A( z ) A0 cos( z )
2
B( z ) iB0 sin( z )
2 p1 ( z ) A( z ) A0 cos2 ( z )
2 x
§3.2 模耦合理论的应用—矩形定向耦合器
举例: 设矩形波导定向耦合器的参数
n1 1.5, n2 1,515, n3 1,2a 5m,2b 1m,2c 1m, 632.8nm
可求得: kc 4cm1 ,即得耦合长度 LC / 2kc 3.9nm 由于耦合系数随 2c 的增大而指数式减小,所以间距 2c 发生微小变化, 可以影响耦合长度很大的变化. 例如: 上式中, Lc / 2c 7000,因此 间距 2c 发生 100nm 偏差将使耦合 长度 LC 改变 20% ,( Lc =0.7mm) 所以说明在制作给定耦合长度为

耦合模理论的推导公式

耦合模理论的推导公式

CMT 可得
a1(t) (j 1)a1(t) jK 12a2(t) FS(t) a2(t) (j 2 1)a2(t) jK 12a1(t)
(6) (7)
在上述公式中, 1, 2, L 分别为原线圈的损耗、负载线圈的损耗和
负载的吸收功率, K12 为两个线圈的耦合率, FS(t) 为励磁损耗(忽略不
所带的负载, K 2 和 K 3 分别为两个负载线圈的耦合系数.同理可得
U
R
j
L1
1 C
1
I
1
jM 2I 2
jM 3I 3
(10)
0
R
RL2
j
L
2
1 C
2
I
2
jM 2I 1
(11)
0
R
RL3
j
L
3
1 C 3
I
3
jM 3I 1
(12)
在谐振状态下的传输效率为
CT
P
I R 2 2 L2
在谐振状态下,
0
L1
1 0L1
,
L0 2
1 0L2
,
X
1
R,
X
2
R
,从而得到
CT
((RL
2M 2 RL R)R 2M 2 )(RL
R)
(5)
1.2 CMT 分析
CPT 系统中,常常只涉及稳态分析,在此也仅分析稳态特性。主
线圈的幅值在正弦时为一个常数;同理,次线圈的幅值也是一个常数, 两个时间域线圈 a1(t), a2(t) 的原始储能可分别表示为 a1(t) 2 , a2(t) 2 。由
( L 2)(( L 2)1 K 122

耦合模理论

耦合模理论

耦合模理论
耦合模型是一种系统分析模型,它假设多个系统之间存在耦合关系。

它提供了一个框架,用于分析系统之间的耦合关系,从而更好地理解系统之间的相互影响。

耦合模型的核心思想是以系统的变化为基础,从而提出系统之间的相互作用和耦合关系。

它不仅可以用来分析组织内部的耦合关系,也可以用来处理组织之间的耦合关系。

耦合模型的一个重要的概念是耦合强度。

耦合强度可以用来评估不同系统之间的耦合关系,以及它们之间的影响程度。

耦合强度可以用不同类型的耦合关系来衡量,包括联动性、弹性性和可预见性等。

耦合强度可以帮助分析师更好地了解系统之间的耦合关系,从而帮助他们进行决策分析。

耦合模型还包括耦合类型和耦合控制机制。

耦合类型描述了系统之间的耦合关系,它可以帮助分析师更好地理解系统之间的耦合关系。

耦合控制机制是指系统之间的控制关系,它可以帮助系统之间的控制机制发挥最大的效用。

耦合模型可以帮助组织做出更好的决策,从而改善组织的效率和效果。

它可以帮助组织管理者更好地理解系统之间的耦合关系,从而改进系统的性能和可靠性。

耦合模型还可以帮助组织管理者更好地控制系统,从而提高系统的可控性。

综上所述,耦合模型是一种系统分析模型,它可以帮助组织更好地理解系统之间的耦合关系,从而改善组织的效率和效果。

它可以帮助组织管理者更好地理解系统之间的耦合关系,从而改进系统的性能和可靠性。

它还可以帮助组织管理者更好地控制系统,从而提高系统的可控性。

光纤耦合器

光纤耦合器
拉丝原理:保持芯/包层结构不变!
预制棒体积: Vpreform=D2L/4, D: mm, L: mm 光纤体积: Vfiber= d2l/4, d=125 um 拉丝长度l:
Vpreform = Vfiber l = 6.4 10-5D2L (km)
二、光纤无源器件的蓬勃发展
光纤通信元件包括有源器件和无源器件等。 光纤通信的发展促进了光源、探测器等有源 器件的发展,同时由于工程应用的需要,各 种各样的光无源器件也相应的出现。光纤的 发展给光无源器件带来了新的一页。
3、光纤的构造
纤芯,光信号的传输
包层,限制光信号溢出 一次涂敷层(预涂层), 保护光纤增加韧性 缓冲层,减少对光纤的压
力 二次涂敷层(套塑层),
加强光纤的机械强度
纤芯:位于光纤中心部位,主要成分是高纯度 的SiO2,纯度可达99.99999%,其余成份为掺 入 作极 用少 是量 提掺高杂纤剂芯,的如折射P2率O5。和纤G芯eO直2,径掺一杂般剂为的2a =3~100μm
1、光纤的诞生
1955年,美国人B. I. Hirschowitz (西斯乔威 兹) 把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管 中,将它们放在高温炉中拉制,得到玻璃(纤芯) -玻璃(包层)结构的光纤,解决了光纤的漏光问 题,这一结构在后来被广泛采用,就是今天的 光纤结构。但这时的光纤损耗是非常大高于 1000 dB/km,即使是利用优质的光学玻璃制 作光纤也无法得到低损耗的光纤。人们曾经一 度对玻璃这种材料产生怀疑,转向塑料光纤、 液芯光纤的研制。
光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章
2、光纤标准
通信用光纤经过二十几年的发展形成了一系列标准。 ITU-T国际电信联盟目前将单模光纤分为G.652

第5章光纤耦合理论

第5章光纤耦合理论
7
∂Aj
∂Aj
多束同频光的非线性耦合
l
频率相同的不同光波应当具有不同的偏振方向或者传输 方向。
(s) ( z, T ) ∂Ap
(s) (s) ( z , T ) 1 ( s )(3) ( z, T ) ∂ 2 Ap ∂ 3 Ap i ( s )(2) s + β p (ω0 ) − β p (ω0 ) 2 2 6 ∂z ∂T ∂T 3 (s) α p (s) (s) (s) ( z , T ) + iΓ (ps ) Ap ( z , T ) − Ap = iδ p 2
3
Bao-Jian Wu, et al. Characteristics of magneto-optic fiber Bragg gratings for use in optical signal processing, Optical Fiber Technology, 2009,15(2): 165-171
−1 −2 −3 −4 −2 0 x/κg 2
−1 −2 −3 −4 −2 0 x/κg 2
−1 −2 −3 −4 −2
−1 −2 −3 −4 −2
0 x/κg
2
0 x/κg
2
δ = (ω − ω B )n c , ω B = β B c n κ g =k0 ∆n1 > 0
4
5.3 光纤非线性光控光机理
l l
非线性光学经常在频域内讨论介质的极化过程,通 过傅里叶变换引入介质极化率张量。 三阶复电极化强度与复电场之间的关系:
m,n, q
P (3) (ω , t ) = ε 0
Ø

χ (3) (ω | ωm , ωn , ωq )gE (ωm , t )E (ωn , t )E (ωq , t )

水文生态耦合模式的理论框架

水文生态耦合模式的理论框架

和社会可持续发展的应用研究,其成果可直接为社会需求和1 概述当今世界,人类对地球环境的影响已成为制约人类社会持续发展的重要因素。

如温室气体的增加与全球变暖、植被破坏与生物多样性丧失、土地退化、淡水资源短缺等,都是人类所面临的一系列重大而又紧迫的全球环境问题。

为此,国际科学联合理事会( ICS U) 于1986 年组织拟定了以研究全球环境变化为目的的国际地圈生物圈计划( I G BP) ,旨在研究地球系统内相互作用的物理、化学和生物过程。

1993 年开始的全球环境变化与陆地生态系统( G CTE) 和水文循环的生物圈方面(B AHC) 等项目即是该计划的组成部分。

这些项目是全球环境变化研究中地球科学研究的热点和难题。

统与物理气候系统之间的相互关系。

这两个系统由全球水文循环和系统的状态变量(如温室气体的浓度、地面粗糙度和反射率等) 相联系,耦合组成了地球巨系统。

在这个巨系统中,水文循环在地圈—生物圈—大气圈的相互作用中占有重要地位。

BAHC 项目即是为研究水文循环的生物控制,以及生态系统在气候、水文和环境中的重要性而设立的。

该项目的研究侧重在4 个方面: ①土壤—植被—大气转化模型的研制和检验; ②陆面性质和能量交换的区域尺度研究, 重点考虑土地利用、植被类型、土壤、水文和其他条件的陆面不均一性作用,以及地形和表层及次表层横向水流的影响; ③生民经济建设服务。

2 研究现状B AHC 项目作为国际地圈生物圈计划( I G BP) 的核心计划一,试图开发将陆面特征、陆面的能量与水汽通量纳入大陆和球模式中。

它探索的主题是:植被作用于水文循环的物理过水文循环的生物控制,以及生物系统在气候、水文和环境中的用;进一步认识水、碳和能量在土壤—植被—大气界面中的交过程;评价由于气候和其他变化导致的陆面性质的变化情况,而对不同尺度生物圈、大气圈、水圈乃至地圈交互作用的影估计植物群落陆相淡水生态系统在陆面和大气之间碳、水、能和其他物质中的作用;改进不同尺度下模拟模型的参数估计术;研究模拟模型在全球范围内的普适性,以便能充分利用生系统土壤和遥感的各种数据库信息;模拟气候变化及影响等B AHC 计划的特定目标是: ①研究生物圈对水文循环的制及其对气候和环境的重要性; ②增进对土壤—植被—大气面处水、碳和能量交换的了解和模拟能力; ③定量描述地球态系统和陆面特征在陆—气间能量、水和其它有关物质的输作用; ④定量描述环境变化的水文效应; ⑤描述影响生物圈物理地球系统相互作用的大陆尺度的变化; ⑥提供改进的参评价技术,使其能在世界范围内广泛应用,并能够利用从常规径和遥感,尤其是卫星资料推得的关于生态系统和土壤等方和地球物理气候系统的耦合研究,试图通过学科间的交叉渗透和合作,认识和了解控制整个地球系统关键的、相互作用的物理、化学和生物过程,探索和预测全球环境变化,分析对付全球环境变化的对策,以防止和减轻全球环境恶化的不利影响,促进人类社会的持续发展。

耦合模理论的应用

耦合模理论的应用

自组织光栅写入
光纤光栅的写入1——全息法 Interference Pattern Technique
写入光栅 的周期=干 涉条纹的 距离
光纤光栅的写入2—相位掩 模法 Phase Mask Technique
写入光栅的周 期=掩模版周期 的1/2
光纤光栅写入监测
宽带 光源 ASE 光谱议
OSA
Single mode fibre
Regions with higher refractive index than that of core’s
自组织光纤光栅
• 1978,K.O.Hill,加拿大渥太华研究中 心 发现光纤的光敏性。 • 位于波峰位置处的光纤芯区折射率在光 的作用下发生了永久的增加从而使纤芯 区呈现出周期性的折射率调制形成轴向 布喇格光栅
分为强度型相位型波长型波长精度加工工艺简单复杂较复杂成本较低技术成熟性成熟较成熟成熟可否分布测量可以嵌入性兼容性可以较难很好线性度一般一般很好变形能力性能稳定较好较好信号解调设备简单复杂复杂温度0014nm温度传感光纤光栅封装负温度系数材料土木结构建筑航空石油交通等温度测量光纤光栅应变特性2n2n应力作用的形变n弹光效应122pmu土木结构建筑航空石油交通等应变测量泥石流预警系统防护墙断裂探测与预防液体溢出和渗流的预警和探测储油罐液位和容量监测
宁提纲,赵玉成,魏道平,简水生“光纤光栅的紫外写入及其在 光通信中的应用”光纤与电缆及其应用技术 99年第5期 pp.43~48 K. O. Hill, Y. Fuji, D. C. Johnson, et.al “Photosensitivity in optical fiber waveguides: application to reflection filter

光纤光栅模耦合理论

光纤光栅模耦合理论

若光纤光栅的平均折射率为n 导波介质中的均匀周期 反射型光栅,由于不同 格栅间光程差相等,因 此反射波只有一个,所 以此时耦合只涉及两个 波间的相互作用.
0,
: 光栅形成时的初相位。
光纤光栅耦合模理论
i E Ei' : Ei ':i格栅中电场
i 0


i H H i: H i:i格栅中磁场 i 0
光纤光栅耦合模理论
折射率阶跃分布的均匀纤芯单模光纤中,场的分布可分为三种模式:
传导模、包层模 、辐射模.
传导模:电磁场能量封闭在纤芯内,包层内的电磁场按指数迅速衰减。 包层模:包层内的电磁场成为沿径向方向的振荡解,能量分布分立。
辐射模:外辐射的能量。
光纤光栅耦合模理论
当某一模式光波在光纤中传至光栅部位并满足布喇格条件时,每
t Emt H mt H mz 考虑 j m H mt j0 z 是m模式的播常 H mt 2 m H m t H mz z j 0 n0 Em m zt t z


t (

i Et Eit 横向光场
Eit aim Emt aim:i '栅格产生m模式电场的展开系数
m i Et aim Emt i0 m i H t bi ' m H mt bim:i '栅格产生m模式磁场的展开系数 i ' 0 m
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耦合模理论及其在微波和光纤技术中的应用(研究生课程用)钱景仁中国科学技术大学二零零五年目录绪言 (Preface) (1)第一章耦合模的一般理论§1.1 耦合模方程 (6)§1.2 强耦合与弱耦合 (11)§1.3 周期性耦合 (18)§1.4 耦合模与简正模 (29)§1.5 缓变参数情况下本地简正模广义理论 (33)§1.6 理想模、本地简正模和超本地简正模 (37)§1.7 耦合器应用举例 (42)§1.8 临界界面附近和稳相点附近的耦合模方程 (46)第二章闭合波导中的耦合模问题§2.1 介质填充波导 (51)§2.2 缓变表面阻抗和阻抗微扰 (59)§2.3 弯曲波导 (64)第三章光纤中的耦合模问题§3.1 光纤中的简正模式 (68)§3.2 耦合模理论的推广 (80)§3.3 非理想光纤的耦合模方程 (81)§3.4 用闭合波导理论来研究开波导 (86)第四章 螺旋光纤及弯曲光纤§4.1 螺旋光纤的耦合模分析 (89)§4.2 单模传输条件下的螺旋光纤 (93)§4.3 弯曲光纤 (98)第五章耦合功率方程§5.1多模波导和多模光纤的传输特性 (104)§5.2 多模波导中的耦合功率方程 (105)§5.3 多模光纤传输中的耦合功率方程 (107)中文参考文献 (109)英文参考文献 (110)PrefaceWhat is the coupled-mode theory? Is it a common theory in physics?Waves and vibration phenomena are popular in physics as we know such as mechanical vibrations, acoustic waves, light waves, microwaves and radio waves. Furthermore, connection or coupling among systems is also a general rule in universe. Everything presupposes the existence of some other thing. Cause-effect relations and action-reaction relations are generally existed among systems in the universe.It is obvious that there aren’t any ideal waves which exist independently and do not change their amplitudes and directions. A real wave or vibration is always connected with a source or other waves. Now, it is necessary to describe how these waves or vibrations (oscillations) couple to each other, and how their amplitudes change with the time or the distance. To illustrate the principle of the coupling between waves or vibrations (oscillations), let’s take pendulums as an example.Fig. aA pendulum can vibrate, that is to say it swings from side to side. We can give it a push and then it will vibrate at a fixed speed or at a certain frequency. If two pendulums with same frequency are hung on a string and one of them is set swinging as shown in Fig. a, it will swing less and less until it stops altogether, while the other pendulum will swing higher and higher until it reaches a maximum. Then the process will be reversed until the first pendulum reaches a maximum and the second comes torest once more. This cycle repeats itself again and again. It would repeat infinitely ifthere were no losses in the system.This is a typical experiment performed in most early physics courses. I had done it when I was in middle school.1Fig. b Frequencies are the same. Fig. c Frequencies are different.If these two pendulums have different frequencies, then transfer of energy between them will not be complete, and the first pendulum will not stop in the process. We can plot a graph to express the process as shown in Fig.b and Fig.c. The abscissa represents the time, and the ordinate A represents the amplitude of each pendulum. If the initial conditions at t =0 are as follows:()()1201,00A A ==,We can see the variations of the amplitudes of the two coupled pendulums in Fig.b and Fig.c, respectively, when their frequencies are the same and different. The time spacing between two adjacent maxima (or minima) is the period of the process, which is determined by the coupling between the two pendulums. The stronger the coupling is, the shorter the period is. The coupling between the two pendulums is caused by the fact that the pendulums are connected to a same string, and any vibration of one of the pendulums will have an effect on the other through the string.It has been recognized that coupled transmission lines, coupled electrical circuits, coupled optical fibers and coupled waveguides are analogous to coupled pendulums. The variations of the amplitudes of waves are the same as shown in the figures, but now the abscissa represents distance instant of time.Sometimes the coupling is not between the same kind of waves or oscillations, for example, in a traveling wave tube, a space-charge wave and an electromagnetic wavecouple to each other. In a crystal, an electrical vibration will cause a mechanical (or acoustic) vibration and vice versa.There should be some general rules or there is a generalized theory to describe these coupling problems. It is the so called coupled-mode theory. Here, mode means one of the models of wave forms.In the theory, all the coupled-mode or coupled-vibration problems are formulated by a set of coupled-mode equations, which are simultaneous differential equations of first order with variable or constant coefficients. In case of two modes, they can be written as follows:()()()()()()11122221j j j j dA z A z cA z dz dA z A z cA z dz ββ=−+=−+Where i β and c are functions of z in general case.When n modes or waves should be considered in a coupling problem, n differential equations will be used instead of two.A common method in electromagnetic theory is the modal approach in which the normal modes of the system (those fields which propagate unchanged except in phase) are found. This involves solving the wave equation adapted to the particular geometry of the system, and matching solutions at the boundaries to give the normal modes or eigensolutions. Any field of the system can then be expanded in terms of the normal modes, with the expansion coefficients determined by certain boundary conditions e.g. initial conditions. This modal-expansion or eigenvector method is physically intuitive and straightforward in principle, but modal solutions of the wave equation can only be found for a limited number of ideal systems of relatively simple geometry, including slabs and circular cylinders.Coupled-mode theory attempts to preserve the concept of modes for non-ideal systems in which an exact modal solution is not possible but where the normal modes of a reference system of simple geometry are known. These modes, in general, form a complete set so that they can be used to expand the fields of the non-ideal system.Because they do not satisfy the boundary conditions of the non-ideal system, the modes coupled or exchange power as they propagate. To derive the coupled-mode equations, Maxwell’s equations are transformed to those which determine how the individual mode amplitudes vary as a function of the parameters of the system. There have been several methods of coupled-mode analysis to formulate the coupled-mode equations. In the early times, people used to start directly from Maxwell’s equations along with the boundary conditions to derive these equations. Later, many other methods were utilized, such as using reciprocity theorem, starting from a Green function or stimulating equations of waveguides, someone also used variation method and perturbation approach, all these are substantial agreement.The method of coupled-modes is most useful when the deviation of the non-ideal system from the known reference system is not too great e.g. small deviations in refractive index or small deformation of cross-section. Although the imperfections may be small they can still produce marked effects, such as total transfer of power from one mode to the other in a waveguide or one waveguide to another. Coupled-mode theory has also been used to treat a variety of problems, including the cross-sectional deformation of waveguides. In many of the problems where the power transfer between modes is small, solutions can also be obtained by other techniques. However, coupled-mode theory has particular application to systems in which a large fraction of modal power may be transferred to other modes, as in the case of neighbouring waveguides in which complete transfer of power between waveguides can take place. This is unique for coupled-mode theory.The primary idea of the coupled-mode theory was first introduced by Pierce in 1940’s, when he worked on microwave electronic devices. Later, this idea was extended its use to the waveguide transmission by Miller and then the theory was fully developed. Recently, the theory has been widely used to solve optical fiber transmission problems and fiber gratings. On the other hand, the coupled-mode theory supervises the practice and many new coupling principles have been discovered. According them, a variety of devices have been designed, such as mode transducers, broadband optical fiber couplers and etc.A lot of coupling problems involving optics, acoustics and microwaves have been being solved by scientists of many countries, including Chinese scientists. Prof. Huang Hong-Chia, vice-president of Shanghai University, has made important contributions to coupled-mode theory. Some of his papers are listed in the end of this book for reference.In this book, the first chapter begins with the coupled-mode equations and is followed by many treatments to solve these equations. In Chapter 2, many typical coupled-mode problems in closed waveguides are solved. Those all problems will lead to the coupled-mode equations and then the coupling coefficients are derived. Chapter 3 begins with a discussion of the normal modes in optical fibers. The remainder of the chapter deals with coupling between these normal modes in imperfect optical fibers. In Chapter 4 helical fibers and bending fibers are studied. In the fifth chapter the coupled power theory is introduced, it consists of Pierce’s theory and Marcuse’s theory which are used in waveguide and optical fiber transmission, respectively.On the whole, coupled-mode theory is a general theory. Mathematically, it bases on the expansion theorem of eigen-functions, the existence of expansion in terms of eigen-functions makes the theory to be carried out. The mathematic areas in the theory are differential equations and linear algebra.第一章 耦合模的一般理论在这一章中,将首先从一般概念出发,得到耦合模方程。

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