THz波段渐变波导中的多模传输特性

 根据耦合波理论,推导出轴对称渐变波导中, 考虑波导壁损耗时的多模传输时域耦合波方程组,并给出该方程组中各模式间耦合系数的具体表达式。据此编写了渐变波导中多模传输特性数值模拟程序。利用该程序计算了在THz波段圆波导中的模式衰减,在THz波段研究波导中的多模传输特性时,必须考虑波导壁的阻抗损耗影响。数值分析了直波导中的模式耦合问题,从而证实了波导壁有限电导率能产生模式耦合这一耦合机制。介绍了利用该程序数值分析波导耦合器和过渡器中多模传输特性的两个例子,利用该程序可对波导耦合器和过渡器中的多模传输特性进行数值模拟分析,进而对结构进行设计和优化。     

多波导定向耦合器耦合特性

利用拉普拉斯变换,将多波导定向耦合器的耦合模方程组变换为三对角线性方程组,并采用追赶法求出了该方程组的通解;进一步,给定初始条件,进行拉普拉斯变换反演,即可严格地求出该耦合模方程组的解。采用该方法研究了5波导定向耦合器光从一个波导入射和等光强从5个波导入射时的耦合特性,求出了耦合模方程组解的解析表达式,给出了每个波导中光功率变化规律曲线。利用该方法,可很方便地求出任意有限数目波导组成的定向耦合器在任意入射条件下耦合模方程组的解,因此对于多波导定向耦合器结构的合理设计,具有非常重要的意义。     

单谐振腔束团长度监测器耦合结构设计与仿真

单谐振腔束团长度监测器利用谐振腔内的两个本征模式测量ps量级的电子束团长度,它的关键是如何将两个不同频率的模式互不干扰地耦合提取出来。为解决这个问题,基于低通和带通滤波器的理论,提出了同轴滤波耦合结构和膜片加载波导滤波结构,借助CST微波工作室对滤波器进行建模并仿真得到其S参数。为测试耦合器的应用效果,设计了一套带有该耦合结构的单谐振腔束团长度监测器探头,根据国家同步辐射实验室基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置FELiChEM的束流特点,在CST内对所设计的探头进行束流模拟仿真。仿真结果表明,该耦合器可以实现对特定模式的耦合,并有效降低其它模式的干扰,采用同轴滤波耦合结构和膜片加载波导滤波结构的谐振腔监测器可以实现对FELiChEM装置束团长度的高精度测量,测量误差小于2 %。     

高效垂直耦合的光栅耦合器设计

利用反射式光栅和分布布喇格反射镜的反射特性,分别从光栅耦合器的侧面和底部对光进行高反射,通过合理选取反射光栅和耦合光栅的间距使两组光栅的反射光实现相消干涉来减弱耦合光栅在实现垂直耦合时存在的负二阶反射,从而设计出高效率垂直耦合的光栅耦合器.采用本征模展开方法,模拟计算了垂直耦合光栅耦合器的耦合效率随不同结构参量而变化的相关特性,在绝缘体硅平面波导和单模光纤之间对波长1550 nm的光获得了最高89％的耦合效率.所得结果对实际垂直耦合光栅耦合器的制备具有一定参考价值.     

双芯光子晶体光纤宽带定向耦合器研究

利用半矢量有限差分法设计了具有低折射率双芯的光子晶体光纤宽带定向耦合器,并数值计算了双芯光子晶体光纤的结构参量对耦合性能的影响.数值结果表明,通过优化选取光子晶体光纤包层结构参量和纤芯掺杂浓度,双芯光子晶体光纤耦合器可以实现宽带耦合.在1.22~1.65 μm 波长范围内其耦合长度稳定在26637 nm±235 nm范围内,耦合器设计成耦合比为50%和10%,分别实现了耦合比为（50±0.702）%和（10±0.664）%的良好特性.     

SOI基纳米光栅耦合器的结构改进与仿真验证

针对硅基光波导与单模光纤在光耦合过程中存在耦合效率低,对准难度大的问题,提出了一种新型基于绝缘体上硅(SOI)结构的纳米光栅耦合器。运用有限时域差分法探究了纳米光栅耦合器的结构特性,结合光纤准直器的准直原理,系统分析了纳米光栅耦合器的结构模型。研究了入射光波长、入射角度、光栅占空比等因素对光栅耦合效率的影响,得出了基本纳米光栅耦合器的最佳结构参数;在基本耦合光栅结构的基础上进行了改进,增加了后反射器、增透膜和底层介质膜,并运用Optiwave OptiFDTD 8.0软件优化了各部分结构的设计参数,得到了优化的耦合光栅结构。纳米光栅耦合器的耦合效率提高至59.37%,3dB带宽达到65nm。     

平面弯曲波导耦合器的特性分析

根据耦合模理论和弯曲波导耦合器的结构特点,对平面弯曲波导耦合器的特性进行了分析,结果表明弯曲波导耦合器的弯曲半径和最小间距两个可调变量,增加了波导器件设计的灵活性;同时由于等效耦合长度的调制作用使得弯曲波导耦合器在波分复用/解复用中比平行直波导耦合器具有更大的复用带宽;分析了弯曲半径和最小间距对弯曲波导耦合器复用带宽的影响,为实际波导器件的设计制作提供了一定的理论依据.     

超宽带非对称多节定向耦合器设计

介绍了一种超宽带非对称多节定向耦合器的设计方法,采用矩阵运算和网络综合理论设计出1⁹GHz超宽带20dB耦合器,通过ADS仿真软件对其进行仿真,仿真结果表明,该耦合器具有优良的性能。实际测试结果在19GHz超宽带20dB耦合器,通过ADS仿真软件对其进行仿真,仿真结果表明,该耦合器具有优良的性能。实际测试结果在1⁹GHz频带内,插损≤0.7dB;耦合度20dB;带内波动≤1dB;隔离度≥27dB;端口驻波≤1.32。实测数据与仿真结果具有很好的一致性。     

单模光纤耦合器带宽特性分析

本文由求解耦合系数随纵向距离变化的耦合波方程着手,提出了变间距单模光纤定向耦合器,讨论了这种耦合器的耦合特性。通过对耦合器各种损耗的分析计算,得出立体交叉分离型耦合器有最佳带宽特性的结论。文中也初步提出了实现宽带单模光纤定向耦合器的方法和设计步骤。     

Y_3Fe_5O_(12)-CoFeB自旋波定向耦合器中的自旋波

介绍了一种基于Y_3Fe_5O_(12)和CoFeB复合结构耦合的新型定向耦合器,并利用微磁学仿真软件Mumax~3及其配套工具链分析了自旋波在其中的传播特性.通过在Y_3Fe_5O_(12)定向耦合器中添加一种高饱和磁化强度材料(CoFeB)来增强耦合波导的耦合效率,并从器件的尺寸形状、内部等效场以及耦合机理等角度分析了其变化原因.结果表明,相较于传统的定向耦合器,这种复合结构能够极大地降低自旋波在耦合波导间的耦合长度.从应用的角度看,在功能相同的情况下,整个器件的长度可以缩短数倍,具有更好的发展前景.     

紧凑型菱形缝隙V波段过模圆波导选模耦合器

设计了一种用于测量V波段过模高功率毫米波源在线功率的选模耦合器。利用小孔耦合理论和微元法对菱形耦合缝隙进行了理论分析，采用两组相同的菱形耦合缝隙实现选模功能，缩短了耦合器长度，增加了工作带宽。采用数值模拟的方法对耦合器结构进行优化设计，模拟结果表明:在60 GHz频点处，TM01模耦合度约为50 dB，TM02模耦合度仅为75 dB，对TM02模的抑制度为25 dB；在500 MHz带宽内对TM02模的抑制度大于15 dB，1 GHz带宽内的抑制度大于10 dB，可满足工作于TM01模的V波段高功率毫米波测试需求。同时针对工作于高次模TM0n（n=2,3,4,）的器件设计了可抑制TM01模的耦合器，为高次模工作的高功率毫米波器件的在线功率测量和模式诊断提供了技术方案。     

用于X波段模块化相对论速调管放大器在线测量的紧凑型定向耦合器设计

为实现模块化相对论速调管放大器功率、频率和相位的在线测量,对紧凑型高定向性高带宽的定向耦合器进行了仿真和实验研究。利用小孔耦合理论和相位叠加原理进行理论分析,设计了一种双孔紧凑型定向耦合器,在此基础上采用主、副波导正交连接,耦合孔沿轴向和角向二维分布的方法,进一步缩短了耦合器的长度。通过电磁仿真对耦合器各参数进行优化,模拟结果表明：当中心频率为10 GHz时,普通双孔定向耦合器对TM01模式的耦合度为-60.68 dB,在250 MHz的带宽内定向性大于20 dB,此时耦合区长度为3.49 cm。改进型定向耦合器对TM01模式的耦合度为-58.1 dB,在300 MHz的带宽内定向性大于20 dB,此时耦合区长度仅为1.8 cm（约0.6λ）。耦合器的冷腔实验测量结果与仿真结果符合较好。     

X波段高功率相对论速调管放大器研究

为进一步提高X波段相对论速调管放大器的输出功率,采用理论分析与粒子模拟的方法对双群聚腔级联式相对论速调管放大器进行了研究。分析了提高注入腔对注入微波吸收效率的方法,分析了群聚腔调制能力与腔体模式、Q值等参数的关系,分析了输出腔提取效率与Q值的关系。在三维粒子仿真中,设计了模式反射器抑制TEM模式泄露与杂模振荡,得到了功率超过2.5 GW,频谱纯净,频率锁定为8.40 GHz,输出输入微波相位差稳定,抖动不超过2°的高功率微波输出。     

W波段TE02模式回旋行波管带宽输入耦合器设计

输入耦合器是回旋行波管的重要组成部分之一,其作用是将矩形波导TE₁₀模式的信号,通过模式变换结构转换为回旋放大器件中的模式,输入耦合器性能的优劣直接影响了回旋管整管的带宽等性能。通过对W波段TE₀₂模式回旋行波管的输入耦合器进行理论分析,指出影响主模传输损耗的一个因素是杂模的崛起使主模的传输系数降低,利用仿真软件进行仿真,通过优化耦合孔的尺寸,抑制杂模的产生,将损耗从3.9 dB降低到了0.8 dB。根据优化尺寸加工,实际测试,得到3.0 dB带宽7.9 GHz的输入耦合器,与设计符合较好。     

Design and Simulation of Broadband Beam Splitter on a Silicon Nitride Platform for Optical Coherence Tomography

ABSTRACT

Integrated photonics enables the miniaturization of bulk optical components for biosensing applications such as optical coherence tomography (OCT) and is therefore promising for future lab-on-chip solutions. Here, we report the design and simulation of a compact low loss broadband beam splitter with arbitrary coupling ratios on silicon nitride platform for OCT systems. The reported coupler uses asymmetric waveguide-based phase control section for 10:90, 20:80, 30:70, 40:60, and 50:50 splitting ratios and is broadband over 100 nm with the central wavelength of 850 nm. The couplers are realized for transverse electric, transverse magnetic, and fully vectorial modes, and maximum excess loss for all mode types is reported to be less than 0.19 dB. The design tolerance of waveguide width and thickness of the designed coupler is further calculated and is within fabrication limit.     

X波段高功率宽带选模定向耦合器

过模圆波导在提高功率容量的同时,不可避免地会造成微波源中同时存在多种模式。为了监测X波段长脉冲高功率微波源TM₀₁模的输出功率和频谱,采用CST软件仿真设计了X波段高功率宽带选模定向耦合器,在耦合TM₀₁模的同时可实现对TM₀₂和TE₁₁模的抑制。波导腔体及耦合孔的尺寸以小孔耦合理论和相位叠加原理为基础并结合切比雪夫分布函数计算确定。仿真结果表明:该高功率宽带选模定向耦合器在9.0~9.8 GHz的带宽范围内,耦合度为(-59.08±1) dB,定向性大于30 dB,对TE₁₁模的抑制度大于15 dB,对TM₀₂模的抑制度大于30 dB,功率容量大于2.5 GW。     

Acrylic-based asymmetric and variable coupling ratio Y-branch plastic optical fiber coupler

Acrylic-based asymmetric and variable couplers have been developed using a single structured Y-branch design with a high-index-contrast waveguide taper and a void structure for fiber attenuation using the lateral displacement of two fibers. Device fabrication is performed by producing the device structure on an acrylic block using a computer numerical control (CNC) machine tool. The fabricated device has an excess loss of 5.85 dB, while the coupling ratios are 56.86 and 43.14% when the device is operated as a 3 dB coupler. In the asymmetric coupler mode, the coupling ratio ranges from 44.84 to 8.01% for port 1 and 55.16 to 91.99% for port 2. The excess loss of this device varies from 5.42 to 7.64 dB. In the variable coupler mode, the coupling ratio ranges from 10.09 to 32.88% for port 1 and from 89.91 to 67.12% for port 2. The excess loss of the device varies from 5.85 to 8.49 dB.     

Loss analysis and increasing of the fabrication tolerance of resonant coupling by tapering the mode beating section

The film mode matching method was used to analyze the inter waveguide coupling losses in a passive asymmetric twin waveguide caused by waveguide width and refractive index variation for both resonant and adiabatic coupling at a wavelength of 1,550 nm. The reasons for power losses are shown. It is demonstrated that tapering the mode beating section of the resonant coupler can increase the fabrication tolerance of resonant coupling without increasing the coupling length.     

L波段小型化同轴-共面波导定向耦合器

设计了一种适用于L波段高功率微波辐射场测量的同轴型定向耦合器。分别选择同轴线和金属底板共面波导（CBCPW）作为主副传输线,减小定向耦合器横截面积;利用小孔耦合理论和微元法对耦合结构进行理论分析,选择连续渐变的菱形耦合缝隙,缩短定向耦合器长度;采用数值模拟的方法对耦合器结构进行优化,并对其性能参数进行实验测试,结果表明, 在1~2 GHz频带范围内耦合度约为47 dB,方向性大于17 dB。     

Characteristics of coupled plasmon modes in asymmetric layered system

We used an asymmetric layered system functioning as a plasmon waveguide coupler to couple surface plasmon modes with gap plasmon modes. The planar system was analyzed by the transfer matrix method to design the optical dimensions of the system. We simulated the effective mode indexes and H-field distribution of the coupled modes, for different gap widths and refractive indexes. For the calculated modes the propagation lengths were calculated. Furthermore, a sample structure was fabricated and odd gap plasmon modes were excited with a coupling prism in an attenuated-total-reflection (ATR) configuration. The mode index measurement showed good agreement with the simulation data.