第2章 波导的耦合
《波导定向耦合器》课件
应用场景二：卫星通信
在卫星通信中，波导定向耦合器主要用于信号 的传输、分路和合成，实现卫星信号的定向耦
合和功率分配。
波导定向耦合器在卫星通信中还可以用于天线阵列的 信号处理，实现天线的相位和幅度控制。
卫星通信是波导定向耦合器的另一个重要应用 领域。
它能够提高卫星通信系统的信号传输效率和稳定 性，增强卫星通信系统的抗干扰能力。
结构分析
波导定向耦合器的结构通常由输入波导、主波导、副波导和输出波导组成。输入信号通过输入波导进入主波导，并在主波导 上产生多个谐振模。通过适当的结构设计，使得其中一个谐振模被强烈激励，而其他谐振模被抑制，从而实现信号的定向传 输。副波导的作用是提取被强烈激励的谐振模信号，并将其传输到输出波导中。
在选择使用哪种类型的波导定向耦合器时， 需要根据实际需求进行综合考虑。例如，对 于需要高集成度、小体积的应用场景，E面 波导定向耦合器是较好的选择；对于需要简 单结构、高可靠性的应用场景，H面波导定 向耦合器是较好的选择；对于需要便携式、 低成本的应用场景，微型波导定向耦合器是
较好的选择。
波导定向耦合器的
波导定向耦合器的
04
制造工艺
制造材料
金属材料
常用的金属材料包括铜、铝、不锈钢等，它们具有良好的导电性和机械强度， 适合用于制造波导定向耦合器。
绝缘材料
绝缘材料用于制造波导定向耦合器的介质层，常用的有聚乙烯、聚四氟乙烯等 ，它们具有良好的绝缘性能和耐高温性能。
制造流程
设计和绘图
01
根据设计要求，绘制波导定向耦合器的图纸，确定各部分的尺
制作样品并测试
根据优化后的设计参数，制作 波导定向耦合器样品，并进行 性能测试，验证设计效果。
设计参数
波导的激励与耦合
微波工程基础
2Leabharlann 第二章 规则金属波导之•波导的激励与耦合
1.电激励 电激励(electrical encouragement) 电激励
将同轴线内的导体延伸一小段沿电场方向插入矩形波导内构成探 针激励，由于这种激励类似于电偶极子的辐射，故称电激励。 针激励，由于这种激励类似于电偶极子的辐射，故称电激励。通 常置于所要激励模式的电场最强处 在探针附近，电场强度会有E 分量，电磁场分布与TE 模有所不同， 在探针附近，电场强度会有 z分量，电磁场分布与 10模有所不同， 而必然有高次模被激发。 而必然有高次模被激发。
短路活塞
调节探针插入深度和短路活塞 位置， 位置，可以使同轴线耦合到波导中去 的功率达到最大。 的功率达到最大。 微波工程基础
同轴线内导体
短路活塞的作用？ 短路活塞的作用？ 的作用
3
第二章 规则金属波导之•波导的激励与耦合
2. 磁激励 磁激励(magnetic encouragement)
将同轴线的内导体延伸一小段后弯成环形， 将同轴线的内导体延伸一小段后弯成环形，将其端部 焊在外导体上， 焊在外导体上，然后插入波导中所需激励模式的磁场 最强处，并使小环法线平行于磁力线， 最强处，并使小环法线平行于磁力线，由于这种激励 类似于磁偶极子辐射，故称为磁激励 磁激励。 类似于磁偶极子辐射，故称为磁激励。 可连接一短路活塞以提高耦合功率。 短路活塞以提高耦合功率 可连接一短路活塞以提高耦合功率。 耦合环不容易和波导紧耦合， 耦合环不容易和波导紧耦合， 而且匹配困难，频带较窄， 而且匹配困难，频带较窄， 最大耦合功率也比探针激励 小，在实际中常用探针激励。 在实际中常用探针激励。
同轴线内导体
微波工程基础
4
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。
波导实验中的耦合调整技巧
波导实验中的耦合调整技巧在波导实验中，耦合调整技巧是非常重要的一环。
它的目的是确保波导之间的能量传输效率达到最佳状态，以获得准确可靠的实验结果。
本文将介绍一些常见的耦合调整技巧以及它们的应用。
1. 波导对齐波导对齐是一个关键的步骤。
在实验中，我们需要将两个或多个波导对准并将它们的轴线重合。
这样可以最大限度地减少波导之间的能量损耗。
一种常见的方式是使用显微镜来观察和调整波导的位置，确保它们完全对齐。
此外，定位夹具和精密调节螺丝也可以在实验过程中帮助我们实现更精确的波导对齐。
2. 波导的耦合调整在波导实验过程中，我们通常会遇到将能量从一个波导耦合到另一个波导的情况。
调整好两者之间的耦合可以最大程度地提高能量的传输效率。
一种常见的耦合调整技巧是调整波导之间的距离。
当波导之间的距离过大或过小时，耦合效率会下降。
通过逐渐调整两个波导之间的距离，我们可以找到最佳的耦合效果。
此外，调整波导的角度和波导的相对位置也可以对耦合效果产生影响。
通过细微的调整，我们可以找到最佳的耦合状态。
3. 波导的干涉现象在波导实验中，我们经常遇到波导之间的干涉现象。
当多个波导处于特定的相对位置时，它们之间会发生干涉，这可能导致能量传输的增强或减弱。
了解和控制这些干涉现象对于波导实验的成功至关重要。
在实验过程中，我们可以通过调整波导的位置和角度来改变干涉现象，以获得所需的实验结果。
4. 波导的频率调整在一些实验中，我们需要调整波导的频率以适应不同的实验要求。
调整波导的频率可以通过改变波导的尺寸、材料或波导中的介质来实现。
选择适当的材料和尺寸以获得所需的频率范围非常重要。
同时，我们还需要注意避免波导中出现剧烈的频率突变或不连续性，这可能会导致能量损失和干涉现象的发生。
5. 波导的损耗补偿在波导实验中，能量的传输损耗是一个常见的问题。
当波导之间的传输距离较长或者波导材料有较高的损耗时，能量损耗会增加。
为了补偿这些损耗，我们可以采取一些措施，如增加波导之间的耦合强度、使用低损耗的材料等。
耦合波导理论
第二章线性电光效应的耦合波理论 2001年，She 等人提出一种全新的理论，它从麦克斯韦方程出发，考虑二阶非线性极化强度(也就是只考虑线性电光效应)，忽略其余高阶极化强度，推出关于线性电光效应的耦合波方程，得到在电场作用下的晶体中光的两个独立电场分量的解析解。
这种方法，可运用于研究光在任意一个方向的电场作用下沿任意方向传播的各种线性电光效应的情况，并且不单可以用于研究光的振幅调制，也可以容易去解决光的相位调制问题。
另外对于给定的一个晶体(点群)，能根据需要利用该理论进行优化设计。
这全新的耦合波理论相对折射率椭球理论来说，它的物理图象清晰，得到的结果是解析解，不用再作任何数学变换。
我们不单可以方便地进行优化设计，而且也可用于电光调制器等电光器件性能的分析。
它的出现拓展电光材料的选择范围和优化调制器的调制方式，从而引起了电光效应研究领域内新一轮的探索。
2.1 理论推导波在介质中传播时，能够通过介质内的非线性极化而相互作用将导致形形色色的非线性光学现象，如高次谐波、参量转换、受激散射等等。
电光效应就是其中的一种非线性光学现象。
电(波)与光(波)的互作用，实质上又可以看作是几个处于不同波段的电磁波在非线性介质中的波耦合过程，因此可以象非线性光学那样，通过求解耦合波方程来获得电光作用的有关知识。
对于普克尔效应，是入射波为光+)(ω电波)(m ω产生一个输出光波)(m ωω+的三波耦合过程。
对于电光效应，它涉及到的是光与物质的相互作用，光是由麦克斯韦方程或场方程描述，物质体系是由光学布洛方程描述。
于是我们采用类似非线性光学方法，首先给出相应的非线性极化强度，把电场所感生的附加极化矢量当成一个微扰量P ∆，再将它视为新的极化光源引入麦克斯韦波动方程，通过整理最后可得到相应的耦合波方程。
线性电光效应耦合波理论就是以麦克斯韦波动方程为基础和出发点推导出来的。
我们可以由麦克斯韦方程组和物质方程推导出：220222)()]([)(t t P t c t E t E NLS ∂∂-=∂⋅∂+⨯∇⨯∇με （2-1） 根据矢量运算规则，E E E 2)(∇-⋅∇∇=⨯∇⨯∇ （2-2）这样可得：2202222)()]([)()]([t t P t c t E t E t E NLS ∂∂-=∂⋅∂+∇-⋅∇∇με （2-3） ε 为介质的相对介电张量，0μ为真空中的磁导率，c 为真空中的光速，E （t ）为介质中的总电场强度，)(t P NLS 为只与电场强度E(t)有关的介质非线性极化强度，暂不考虑旋光效应。
光学波导与光学耦合技术
光学波导与光学耦合技术光学波导与光学耦合技术是光学领域中的重要研究方向，它们在光通信、光传感、光计算等领域具有广泛的应用前景。
本文将从光学波导和光学耦合技术的基本原理、应用案例以及未来发展方向等方面进行探讨。
光学波导是一种能够将光信号沿着特定路径传输的结构，它可以通过控制光的传播模式来实现对光信号的调控和探测。
光学波导的基本原理是利用折射率的差异来限制光的传播方向，常见的光学波导结构包括平面波导、光纤波导和光子晶体波导等。
其中，光纤波导是应用最为广泛的一种结构，它具有低损耗、高容量和长传输距离等优点，被广泛应用于光通信领域。
光学耦合技术是指将光信号从一个光学波导传输到另一个光学波导的过程，它可以实现不同波导之间的光信号传输和交互。
光学耦合技术的基本原理是通过调节波导之间的距离和角度来实现光的耦合和解耦，常见的光学耦合技术包括直接耦合、光栅耦合和光纤耦合等。
光学耦合技术的优点是可以实现高效率的光信号传输和低损耗的能量转换，被广泛应用于光通信、光传感和光计算等领域。
在光通信领域，光学波导与光学耦合技术被广泛应用于光纤通信系统和光片集成器件中。
通过利用光学波导和光学耦合技术，可以实现高速、高容量和低损耗的光信号传输，提高光纤通信系统的性能和可靠性。
同时，光学波导和光学耦合技术也可以实现光片集成器件的高度集成和紧凑化，减小系统的体积和成本。
在光传感领域，光学波导与光学耦合技术可以实现对环境参数的高灵敏度检测和测量。
通过将传感器与光学波导耦合，可以实现对光信号的调制和解调，从而实现对光学传感器的灵敏度和精度的提高。
光学波导和光学耦合技术在生物医学、环境监测和工业控制等领域具有广泛的应用前景。
未来，光学波导与光学耦合技术的发展方向主要包括高效率、低损耗和多功能化等方面。
一方面，研究人员将致力于提高光学波导和光学耦合技术的耦合效率和传输效率，以满足日益增长的光通信和光传感需求。
另一方面，研究人员将探索新的光学波导结构和光学耦合技术，实现多模式传输和多功能集成，以应对不同应用场景的需求。
微波技术第2章 微波传输线3-模式的激励与耦合
孔 / 缝激励装置
孔/缝激励 缝激励 （电磁场辐射） 电磁场辐射） 波导与波导、波导与谐振腔之间、微带线之间的激励， 波导与波导、波导与谐振腔之间、微带线之间的激励，在公共 波导壁上开孔或缝，使一部分能量辐射到另一波导中去， 波导壁上开孔或缝，使一部分能量辐射到另一波导中去，并建立 起所需要的传输模式孔应开在具有公共场分量处。 起所需要的传输模式孔应开在具有公共场分量处。
耦合环激励装置
磁偶极子） 耦合环激励 （磁偶极子） 将同轴线内导体延伸后弯成环形，将其端部焊在外导体上， 将同轴线内导体延伸后弯成环形，将其端部焊在外导体上， 然后插入波导中所需激励模式的磁场最强处， 然后插入波导中所需激励模式的磁场最强处，并使小环的法线 平行于磁力线，以增强激励度。 平行于磁力线，以增强激励度。
直接过渡激励装置
直接过渡 通过波导截面形状的逐渐变形， 通过波导截面形状的逐渐变形，可将原波导中的模式转换成另 一种波导中所需要的模式。 一种波导中所需要的模式。直接过渡方式还常用于同轴线与微带 线之间的过渡和矩形波导与微带线之间的过渡等。 线之间的过渡和矩形波导与微带线之间的过渡等。
小结
激励方式
电场激励 磁场激励 激励装置
探针激励Βιβλιοθήκη 耦合环激励孔/缝激励 缝激励
直接过渡
“微波测量与技术” 微波测量与技术”
第2章
微波传输线 －－模式的激励与耦合
主讲教师：王占平（光电信息学院） 光电信息学院） 主讲教师：
波导中模式的激励与耦合
波导中可存在无穷多的TE模和TM模 波导中可存在无穷多的TE模和TM模。这些模式能否存在并传 TE模和TM 一方面取决于传输条件，另一方面还取决于激励方式。 播，一方面取决于传输条件，另一方面还取决于激励方式。 波导激励的本质是电磁波的辐射。即微波源在波导内壁有限 波导激励的本质是电磁波的辐射。 空间产生辐射，且波导中获得所需的模式。 空间产生辐射，且波导中获得所需的模式。即使在最简单的情 况下，由于激励源附近的边界条件很复杂， 况下，由于激励源附近的边界条件很复杂，要严格对波导激励 问题进行数学分析是很困难的，一般只能求近似解。 问题进行数学分析是很困难的，一般只能求近似解。 矩形波导中的导模是用激励方式产生的； 矩形波导中的导模是用激励方式产生的；圆波导的激励常采 用波型转换的方法。 用波型转换的方法。
射频技术基础：第2章 规则金属波导
Z (z) Aerz
(2- 1- 9)
A+为待定常数, 对无耗波导γ =jβ, 而β为相移常数。
现设Eoz(x, y) = A+Ez(x, y), Ez(x, y, z)=Eoz(x, y)e-jβz
(2- 1- 10a)
同理, 纵向磁场也可表达为: Hz(x, y, z)=Hoz(x, y)e -jβz
多工器
双工器
引言
规则金属波导 Regular Waveguide 无限长笔直金属管组成 纵向均匀（尺寸、填充） 封闭 ----- 能量局限在波导之中
规则金属波导管壁材料：铜、铝，有时其壁上镀金或银。
金属波导优点：导体损耗和介质损耗小、功率容量大、 没有辐射损耗、结构简单、易于制造。
形状：横截面有矩形、圆形、脊形、椭圆形、三角形等。
H z
x H z
y
|x0 |y0
H z
x H z
y
|
xa
0
|
y
b
0
(2- 2- 6)
将式（2 -2 -5）代入式（2 -2 -6）可得
A2 0 B2 0
kx
m
a
ky
n
b
m 0、1、2、
n=0、1、2、
(2- 2- 7)
第2章 规则金属波导
于是矩形波导TE波纵向磁场的基本解为
Hz
3) kc2 0
这时 k 2 kc2 k 而相速vp / c / rr , 即相速
比无界媒质空间中的速度要慢, 故又称之为慢波。
金属波导的处理方法和特点：
小结：
(1)maxwell方程+边界条件，属于本征值问题 (2)认为管内填充的介质为理想介质 (3)由于管壁为金属，导电率高，认为是理想的导体 (4)边界条件：认为波导管壁处的切向电场分量和法向磁场分量为0
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常用的微波器件，用于在不同波导系统之间传输微波信号。
它的工作原理基于电磁波在波导内的传输特性，通过特定的结构设计，实现不同波导之间的能量耦合和传输。
波导是一种用于传输微波信号的金属管道，通常呈矩形或圆形截面。
波导内的电磁波传输具有低损耗、高功率承载能力和良好的抗干扰性能等优点，因此在微波通信、雷达系统和天线设计等领域得到广泛应用。
波导耦合器的基本结构包括输入波导口、输出波导口和耦合部件。
当微波信号从输入波导口进入耦合部件时，通过特定的设计使得部分信号能够耦合到输出波导口，实现信号的传输和分配。
波导耦合器的工作原理可以通过多种方式实现。
一种常见的方式是通过耦合槽实现能量的传输。
耦合槽是在波导壁上开凿出的一个槽状结构，通过调节槽的尺寸和位置，可以实现不同程度的能量耦合。
当电磁波通过耦合槽时，一部分能量会透射到输出波导口，实现信号的传输。
除了耦合槽，波导耦合器还可以通过耦合孔、耦合窗等结构实现信号的耦合。
这些结构的设计原理类似，通过调节其几何形状和尺寸，控制信号的传输效果。
在实际应用中，工程师会根据系统需求和传输性能的要求，选择合适的耦合器结构和参数进行设计。
波导耦合器在微波通信系统中扮演着重要的角色。
通过合理设计和优化，可以实现不同波导系统之间的高效能量传输和耦合。
在实际应用中，工程师需要充分理解波导耦合器的工作原理，结合具体系统需求进行设计和调试，以确保系统的稳定性和性能。
总的来说，波导耦合器通过特定的结构设计和工作原理，实现不同波导系统之间的微波信号传输和耦合。
在微波通信、雷达系统和天线设计等领域，波导耦合器发挥着重要作用，为系统的稳定运行和性能提升提供了重要支持。
通过不断的研究和创新，波导耦合器的设计和应用将会得到进一步的发展和完善，推动微波技术的进步和应用。
第2章波导的耦合概要
第2章 波导的耦合77. 波导的耦合有哪些类型？各有些什么实际应用？波导的耦合有多种类型，如棱镜耦合、端面耦合、偏折耦合、定向耦合、弯曲耦合、波纹界面耦合等等。
波导的耦合有许多实际应用，如利用棱镜耦合可以测量波导的折射率分布，利用端面耦合可以实现波导的互连，利用偏折耦合可以用来改变光的传输方向，利用定向耦合可以实现直波导间的光功率相互交换，依此可以制作波导定向耦合器、光调制器和光开关，利用弯曲耦合可以使微环波导中的光产生谐振，依此可以制作微环滤波器和波分复用器，利用波纹界面耦合可以制作波纹波导滤波器、布拉格光栅、分布反馈激光器、布拉格反射激光器等等。
78. 一般形式的耦合模方程可以写成如下形式()()()[]z t z z A s s βω+-j exp d d ()()()[]z t zz A s s βω--+j exp d d()()()⎰⎰∞∞*∂∂-=-r y x y x E t P t s yy d d ,,'4j 22ω 式中()s A +、()s A -分别为沿+z 方向传输的正向行波和沿-z 方向传输的反向行波的振幅，试对上述方程加以说明。
式中上角标带有符号(-)的项表示沿-z 方向传输的反向行波，而带有符号(+)的项则表示沿+z 方向传输的正向行波。
式中右边的项可视为引起正向行波()[]z t z A s s βω-+j exp )()(和反向行波()[]z t z A s s βω+-j exp )()(的激励源。
79. 什么是波导的定向耦合？有些什么有用的功能？当相互平行的波导相互邻近时，波导中的模式在传输过程中要发生相互耦合，其结果使模式在传输过程中在波导间产生功率交换，这种现象称为波导的定向耦合。
波导的定向耦合在薄膜器件中可以实现多种有用的功能，包括功率分配、调制、开关、频率选择和偏振选择等等。
80. 双波导定向耦合器的耦合模方程可以写成如下形式()()()()[]z z A K z A M zz A 21212111j exp j j d d ββ---=()()()()[]z z A K z A M zz A 12121222j exp j j d d ββ---= 式中A 1(z )、A 2(z )分别为在波导1和波导2中沿z 方向传输的正向行波的振幅，M 1、M 2称为自耦系数，K 12、K 21称为耦合系数。
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。
波导耦合结构
波导耦合结构
波导耦合结构（waveguide coupler）是一种将微波能量传输到另一
个波导中的装置。
它可以将两个不同频率和不同模式的波导相连，并
通过一定的结构将它们耦合在一起。
波导耦合结构常常应用于微波器件中。
例如，在微波天线和无线电通
信设备中，波导耦合结构可以将微波能量从一个波导传输到另一个波导，或将相邻的器件连接起来。
因此，波导耦合结构的设计非常重要，它直接影响了微波器件的性能。
波导耦合结构的设计需要考虑多个因素，例如频率、振幅、相位和功
率等。
在实际设计中，一般采用电磁场分析、数值模拟等技术来优化
结构，并通过模拟实验验证其性能。
除了在微波器件中的应用之外，波导耦合结构还常常应用于激光器、
光纤通信设备和光学仪器等领域。
在这些领域中，波导耦合结构可以
将光能从一个波导传输到另一个波导，从而实现光学信息的传输和处理。
总之，波导耦合结构是一个非常重要的微波器件，它在微波通信、微
波天线、激光器和光纤通信设备等领域发挥着重要作用。
随着科学技术的不断进步，波导耦合结构的设计和应用将会越来越成熟和广泛。
光在波导中耦合的长度与耦合系数的关系
光在波导中耦合的长度与耦合系数的关系下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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导波光学复习资料
导波光学复习资料导波光学复习资料光学是研究光的传播和相互作用的学科，而导波光学则是光学的一个重要分支，主要研究光在导波结构中的传播和调控。
导波光学在光通信、光传感、光计算等领域中具有重要应用价值。
本文将从导波光学的基本原理、光波的导波特性以及导波光学器件的设计与应用等方面进行复习，帮助读者更好地理解和掌握导波光学的知识。
一、导波光学的基本原理导波光学是建立在电磁波的导波特性基础上的，它利用导波结构的特殊性质，将光束限制在一个特定的区域内传播。
导波光学的基本原理包括两个方面：波导的模式和波导的耦合。
1. 波导的模式波导的模式是指光在波导中传播时的特征模式。
常见的波导模式有基本模式、高阶模式和混合模式等。
基本模式是波导中传播损耗最小的模式，通常是设计和应用中的首选。
2. 波导的耦合波导的耦合是指将光束从一个波导传输到另一个波导的过程。
常见的耦合方式有直接耦合、光栅耦合和光纤耦合等。
不同的耦合方式适用于不同的导波结构和应用场景。
二、光波的导波特性了解光波的导波特性对于理解和设计导波光学器件至关重要。
光波的导波特性主要包括波导的传输特性和波导的耦合特性。
1. 波导的传输特性波导的传输特性是指光在波导中传播时的衰减和相位变化等特性。
波导的传输特性与波导的结构参数、材料特性以及光波的波长等因素密切相关。
了解波导的传输特性可以帮助我们优化波导的设计，提高光的传输效率。
2. 波导的耦合特性波导的耦合特性是指光束从一个波导传输到另一个波导时的损耗和效率等特性。
波导的耦合特性与波导之间的距离、耦合方式以及波导的模式等因素有关。
通过合理设计波导的耦合结构，可以实现高效的光耦合，提高光学器件的性能。
三、导波光学器件的设计与应用导波光学器件是利用导波结构的特殊性质实现对光的调控和处理的器件。
常见的导波光学器件包括波导耦合器、光调制器、光开关等。
1. 波导耦合器波导耦合器是将光束从一个波导传输到另一个波导的器件。
常见的波导耦合器有直接耦合器、光栅耦合器和光纤耦合器等。
波导光学第二章 光波导耦合理论与耦合器
1
光耦合的介绍:
➢光耦合：使光信号从一个光学元 件进入到另一个光学元件
➢耦合器：实现光耦合的元器件统 称为耦合器，集成光学中常用的 耦合器有棱镜，光栅，楔面等。
平板波导模式分布-导模
Cladding
Core
qi
Substrate
导模的特点： • 包层的场成指数衰减。 • 传播常数取分立的值。 • 理论上没有损耗。 • 各个导模正交。
光波导的纵向非均匀性
光波导的纵向不均匀起因：制作不完善；使用时引入；人为引入
芯包分界面不均匀
芯子直径纵向变化 重力影响导致的光纤纵向受力不均，引 起几何尺寸和折射率分布不均匀
制作不完善 ∆纵向不均匀
使用时引入
人为引入：光纤光栅， 重要的光纤器件！
定向耦合器（Directional Coupler）
Input waveguideRin A
B Rout Output waveguide
Coupling region
1
3
D
s
2
4
A0
ZL
x axis
B0
y axis
z axis
波导中传输的导模在芯层外的倏逝场由于相互作用产生耦合，引起波导间模式功 率的相互转移。
8
模式耦合
同向耦合
模式耦合
导波模
应用实例：方向耦合器、Y分支、MZ
E(x, y) Em* (x, y)dxdy
2
功率耦合效率 m
Am 2
E(x, y) E*(x, y)dxdy
E(x, y) Em* (x, y)dxdy E(x, y) E*(x, y)dxdy
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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常见的微波器件，它可以将微波信号从一个波导导入到另一个波导中。
在微波通信和雷达系统中，波导耦合器经常被用于实现功率分配、相位控制和波导之间的连接。
本文将详细介绍波导耦合器的工作原理和应用。
一、波导耦合器的工作原理波导耦合器由两个以上的波导组成，其中一个波导被称为主波导，其他波导被称为辅助波导。
在波导耦合器中，主波导和辅助波导之间的耦合通过共振腔实现。
共振腔是一个由两个波导之间的空间构成的空腔，其尺寸和形状会影响波导耦合器的工作频率和耦合效率。
波导耦合器的工作原理可以用简单的模型来解释。
首先，我们假设主波导中有一个电磁波，它在共振腔的边界上反射，并在辅助波导中产生一个电磁波。
这个电磁波将在辅助波导中传播，并在共振腔的边界上反射回来，最终返回主波导。
这个过程会重复多次，导致主波导和辅助波导之间的能量交换。
当主波导和辅助波导之间的距离和空腔的尺寸恰好满足共振条件时，波导耦合器的耦合效率最高。
二、波导耦合器的应用波导耦合器在微波通信和雷达系统中有广泛的应用。
它们经常被用于实现功率分配、相位控制和波导之间的连接。
以下是波导耦合器的几个常见应用。
1.功率分配波导耦合器可以将一个微波信号分配到多个波导中。
例如，在雷达系统中，波导耦合器可以将雷达信号分配到多个天线中，以实现多波束扫描和跟踪。
2.相位控制波导耦合器可以通过调整共振腔的尺寸和形状来控制相位。
例如，在相控阵雷达中，波导耦合器可以用于实现相位移控制，从而实现波束的形成和扫描。
3.波导连接波导耦合器可以将两个或多个波导连接起来。
在微波通信系统中，波导耦合器可以用于将微波信号从一个天线传输到另一个天线。
三、总结波导耦合器是一种重要的微波器件，它可以将微波信号从一个波导导入到另一个波导中。
波导耦合器的工作原理是通过共振腔实现主波导和辅助波导之间的耦合。
波导耦合器在微波通信和雷达系统中有广泛的应用，可以用于功率分配、相位控制和波导之间的连接。
第2章波导的耦合讲解
第2章 波导的耦合77. 波导的耦合有哪些类型？各有些什么实际应用？波导的耦合有多种类型，如棱镜耦合、端面耦合、偏折耦合、定向耦合、弯曲耦合、波纹界面耦合等等。
波导的耦合有许多实际应用，如利用棱镜耦合可以测量波导的折射率分布，利用端面耦合可以实现波导的互连，利用偏折耦合可以用来改变光的传输方向，利用定向耦合可以实现直波导间的光功率相互交换，依此可以制作波导定向耦合器、光调制器和光开关，利用弯曲耦合可以使微环波导中的光产生谐振，依此可以制作微环滤波器和波分复用器，利用波纹界面耦合可以制作波纹波导滤波器、布拉格光栅、分布反馈激光器、布拉格反射激光器等等。
78. 一般形式的耦合模方程可以写成如下形式()()()[]z t z z A s s βω+-j exp d d ()()()[]z t zz A s s βω--+j exp d d()()()⎰⎰∞∞*∂∂-=-r y x y x E t P t s yy d d ,,'4j 22ω 式中()s A +、()s A -分别为沿+z 方向传输的正向行波和沿-z 方向传输的反向行波的振幅，试对上述方程加以说明。
式中上角标带有符号(-)的项表示沿-z 方向传输的反向行波，而带有符号(+)的项则表示沿+z 方向传输的正向行波。
式中右边的项可视为引起正向行波()[]z t z A s s βω-+j exp )()(和反向行波()[]z t z A s s βω+-j exp )()(的激励源。
79. 什么是波导的定向耦合？有些什么有用的功能？当相互平行的波导相互邻近时，波导中的模式在传输过程中要发生相互耦合，其结果使模式在传输过程中在波导间产生功率交换，这种现象称为波导的定向耦合。
波导的定向耦合在薄膜器件中可以实现多种有用的功能，包括功率分配、调制、开关、频率选择和偏振选择等等。
80. 双波导定向耦合器的耦合模方程可以写成如下形式()()()()[]z z A K z A M zz A 21212111j exp j j d d ββ---=()()()()[]z z A K z A M zz A 12121222j exp j j d d ββ---= 式中A 1(z )、A 2(z )分别为在波导1和波导2中沿z 方向传输的正向行波的振幅，M 1、M 2称为自耦系数，K 12、K 21称为耦合系数。
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第2章 波导的耦合77. 波导的耦合有哪些类型？各有些什么实际应用？波导的耦合有多种类型，如棱镜耦合、端面耦合、偏折耦合、定向耦合、弯曲耦合、波纹界面耦合等等。
波导的耦合有许多实际应用，如利用棱镜耦合可以测量波导的折射率分布，利用端面耦合可以实现波导的互连，利用偏折耦合可以用来改变光的传输方向，利用定向耦合可以实现直波导间的光功率相互交换，依此可以制作波导定向耦合器、光调制器和光开关，利用弯曲耦合可以使微环波导中的光产生谐振，依此可以制作微环滤波器和波分复用器，利用波纹界面耦合可以制作波纹波导滤波器、布拉格光栅、分布反馈激光器、布拉格反射激光器等等。
78. 一般形式的耦合模方程可以写成如下形式()()()[]z t z z A s s βω+-j exp d d ()()()[]z t zz A s s βω--+j exp d d()()()⎰⎰∞∞*∂∂-=-r y x y x E t P t s yy d d ,,'4j 22ω 式中()s A +、()s A -分别为沿+z 方向传输的正向行波和沿-z 方向传输的反向行波的振幅，试对上述方程加以说明。
式中上角标带有符号(-)的项表示沿-z 方向传输的反向行波，而带有符号(+)的项则表示沿+z 方向传输的正向行波。
式中右边的项可视为引起正向行波()[]z t z A s s βω-+j exp )()(和反向行波()[]z t z A s s βω+-j exp )()(的激励源。
79. 什么是波导的定向耦合？有些什么有用的功能？当相互平行的波导相互邻近时，波导中的模式在传输过程中要发生相互耦合，其结果使模式在传输过程中在波导间产生功率交换，这种现象称为波导的定向耦合。
波导的定向耦合在薄膜器件中可以实现多种有用的功能，包括功率分配、调制、开关、频率选择和偏振选择等等。
80. 双波导定向耦合器的耦合模方程可以写成如下形式()()()()[]z z A K z A M zz A 21212111j exp j j d d ββ---=()()()()[]z z A K z A M zz A 12121222j exp j j d d ββ---= 式中A 1(z )、A 2(z )分别为在波导1和波导2中沿z 方向传输的正向行波的振幅，M 1、M 2称为自耦系数，K 12、K 21称为耦合系数。
试对上述方程加以说明。
可以看出，波导2中的正向波A 2(z )可以影响波导1中的正向波A 1(z )，反过来波导1中的正向波A 1(z )又可以影响波导2中的正向波A 2(z )，这种同向波之间的耦合称为同向耦合。
81. 双波导定向耦合器的耦合模方程还可写成下述形式()()()z z A K zz A δ2j exp j d d 201210--= (1) ()()()z z A K zz A δ2j exp j d d 102120-= (2) 式中A 10(z )、A 20(z )分别为在波导1和波导2中沿z 方向传输的正向行波的振幅，δ为常数。
试由总功率流密度守恒条件221020()()A z A z C += （C 为常数） (3)求出两个耦合系数K 12和K 21之间的关系。
式(3)对z 求导数并利用式(1)、(2)，可得()()()()()()()[]()()[]z A z A z z A z A z z A z z A z z A z A z 20201010210210220210d d d d d d d d d d **+=+=+()()()()()()()()z z A z A z z A z A z z A z A z z A z A d d d d d d d d 2020202010101010****+++= ()()()()()()z z A z A K z z A z A K δδ2j exp j 2j exp j 201012*201012--=** ()()()()()()z z A z A K z z A z A K δδ2j exp j 2j exp j 201021201021***--+ ()()()()()()()()z z A z A K K z z A z A K K δδ2j exp j 2j exp j 20102112*20102112----=*** ()()()()[]02j exp Im 2j *20102112=-=*z z A z A K K δ因()()()02j exp *2010≠z z A z A δ，即有02112=-*K K ，进而得到两个耦合系数K 12、K 21之间的关系为*=1221K K 。
82. 双波导定向耦合器的耦合模方程还可写成下述形式()()()0d d 2112222=++z R K K zz R δ ()()()0d d 2112222=++z S K K z z S δ其解的矩阵形式为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛**001111j j S R U V V U S R (1) 式中R 0、S 0分别为波导1和波导2的输入光振幅，R (z )、S (z )分别为波导1和波导2中z 点处的光振幅，()1U z 、()1V z 为()()[]()()[]z K K K K z K K z U 2121122212112221211221sin jcos ++++=δδδδ (2)()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=z K K K K K z V 21211222121122121sin δδ (3)当不考虑损耗时，试证明双波导定向耦合器中的传输功率守恒。
式(1)两端同时取复共轭再进行转置后再与其本身左乘，并利用式(2)、(3)，可得()()22022S R z S z R +=+ 上式说明，在非损耗情况下，两条波导在各点处的传输功率之和保持为常数，等于两条波导初始端的总输入功率，不随传输距离而改变，体现了功率守恒。
83. 什么是不完全耦合或非理想耦合？什么是完全耦合或理想耦合？如果波导1的输入功率不能全部耦合到波导2中去，这种情况称为不完全耦合，或称非理想耦合。
如果波导1的输入功率能够全部耦合到波导2中去，这种情况称为完全耦合，或称理想耦合。
84. 给出耦合长度的表达式，并给出实现双波导间理想耦合的条件。
耦合长度的表达式为KL 20π=双波导间实现理想耦合的条件是：要求两条波导的形状、尺寸和折射率分布完全相同，并把波导长度严格做成耦合长度的奇数倍，此时可在波导2中获得最大的功率输出，等于波导1的输入功率，此时波导1的输出功率为零，即在z = 0处从波导1输入的光功率全部在z = L 处从波导2输出，从而实现了波导间的理想耦合。
85. 理想耦合时双波导定向耦合器中波导1、波导2的传输功率()z P 1、()z P 2随波导长度z 的变化曲线如图所示，试阐述双波导中功率分配的情况。
123450.00.20.40.60.81.0P 2P 1P 1 /R 20, P 2 /R 2z /L 0(85题图) 理想耦合时波导1、波导2的传输功率P 1(z )、P 2(z )随波导长度z 的变化曲线，L 0 = π/ (2K )图中可见，适当选择波导长度，可以得到所要求的功率分配。
例如，当取波导长度L 等于耦合长度L 0的奇数倍时，即0)12(L m L +=，此时()01=L P ，()202R L P =；当取波导长度L 等于耦合长度L 0的偶数倍时，即02mL L =，此时()201R L P =，()02=L P ；当取波导长度L 等于耦合长度L 0的12m +倍时，即012L m L ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭，此时()()20122R P L P L ==。
86. 考虑波导损耗，理想耦合时双波导定向耦合器中波导1、波导2的传输功率()z P 1、()z P 2随波导长度z 的变化曲线如图所示，试对其变化规律加以讨论。
123450.00.20.40.60.81.0P 2P 1P 1 /R 20, P 2 /R 2z /L 0(86题图) 损耗情况下理想耦合时波导1、波导2的传输功率P 1(z )、P 2(z )随波导长度z 的变化曲线，L 0 = π/ (2K )图中可见，损耗的存在使波导中光功率的包络线以指数形式衰减，耦合效率降低。
衰减的快慢程度取决于损耗的大小，损耗越大，衰减就越快，耦合效率就越小，因此波导的损耗应越小越好。
87. 双平板波导定向耦合器TE 0基模的耦合系数K 和耦合长度L 0随波导间距d 的变化曲线如图所示，试阐述其变化规律。
0123410-1101011022a =2.0μmd /μm 3.02.5K /m m-10123410-210-1101012a =2.0μm3.02.5d /μmL 0 /m m(a) K ~d (b) L 0~d(87题图) TE 0基模的耦合系数K 和耦合长度L 0随波导间距d 的变化曲线图中可见，波导间距d 或芯厚度2a 越小，则耦合长度L 0越小，耦合系数K 越大，因而耦合作用越强。
若取芯厚度2a = 2.5 μm ，波导间距d = 3.0 μm ，此时耦合系数≈K 1.45 mm -1，耦合长度≈0L 1.08 mm 。
88. 双矩形波导定向耦合器00E y主模的耦合系数K 和耦合长度L 0随波导间距d 的变化曲线如图所示，试阐述其变化规律。
0123410-110101102a =b =2.0μmd /μm3.02.5K /m m-10123410-210-110101a =b =2.0μm3.02.5d /μmL 0 /m m(a) K ~d (b) L 0~d(88题图) 00E y主模的耦合系数K 和耦合长度L 0随波导间距d 的变化曲线图中可见，与双平板波导定向耦合器相类似，波导间距d 或芯厚度b 越小，则耦合长度L 0越小，耦合系数K 越大，因而耦合作用越强。
若取芯宽度与芯厚度a = b =2.5 μm ，波导间距d = 3.0 μm ，此时耦合系数≈K 1.20 mm -1，耦合长度≈0L 1.31 mm 。
89. 波导弯曲耦合的类型如图所示，试加以说明。
zS(a)(b)zz(c) (d)(89题图) 波导弯曲耦合的示意图如图所示，波导的弯曲耦合分两种情况，一种是一条直波导与一条弯曲波导间的耦合，另一种是两条弯曲波导间的耦合，直波导与弯曲波导间的耦合可以看成是两条弯曲波导间耦合的一种特殊情况。
两条波导的耦合情况依据二者的相对位置可分为四种情况：弯曲波导与弯曲波导(简称弯-弯)之间、直波导与弯曲波导(简称直-弯)之间的侧向耦合(图a 、b)及竖直耦合(图c 、d)。