THz波在金属镀层空芯波导中传输的理论和实验研究

本文基于微扰法求得不同金属镀层空心圆波导中各模式的损耗系数,对金属镀层空芯波导中THz波传输损耗随金属材料、波导结构等参数的变化关系进行了数值模拟.根据数值分析结果,优化设计并拉制了内径为1.1 mm的镀银空芯波导,实验测得当THz波的频率为2.5 THz时,传输损耗为8.6 dB/m,实现了THz波短距离的有效传输. 关键词： 太赫兹波 金属空芯波导 传输损耗     

太赫兹折叠波导慢波结构S参数特性

理论上分析了计算周期数对0.22 THz折叠波导慢波结构S参数的影响,讨论了折叠波导慢波结构各个尺寸参数对损耗特性的影响,研究了粗糙度与损耗特性之间的关系。通过实验验证了0.22 THz标准矩形直波导的损耗特性。对实际加工的0.22 THz折叠波导慢波结构进行了测试,得到了实际的太赫兹波折叠波导慢波结构传输与损耗特性。     

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。     

折叠矩形槽波导行波管输入输出过渡波导

为了将槽波导端与标准矩形波导相连接,设计了一种适用于折叠槽波导结构行波管的输入输出过渡波导, 可将其视为槽宽渐变的双槽加载矩形波导。利用电磁仿真软件CST微波工作室对该结构进行仿真计算,讨论了各个结构参数对其性能的影响。对比了直线渐变、抛物线渐变和指数渐变3种槽宽渐变规律在W波段对其传输特性及损耗特性的影响。研究结果表明:指数渐变结构的驻波系数小于1.15的带宽比其他两种结构都要宽,且在90~99 GHz、驻波系数小于1.25时,该结构的整体长度也远小于另外两种结构,能够实现良好的过渡效果; 而直线渐变结构的损耗在90~97 GHz为最低。     

三轴速调管放大器自激振荡诊断

为满足X波段三轴速调管放大器(TKA)各腔内部自激振荡的诊断需求,设计了一种结构简单紧凑、无需外部密封结构的新型波导耦合器。利用小孔耦合原理和CST仿真软件,针对TKA中常见的自激振荡TE61模式,对该耦合器的耦合特性进行了理论分析和仿真设计。结合PIC方法,建立了利用该耦合器诊断TKA同轴漂移管内传输微波频谱特性的物理模型。通过仿真计算,验证了所设计的耦合器用于TKA自激振荡诊断的有效性。     

快速优化折叠波导器件中矩形过渡结构的理论方法（英）

本文推导了基于模式耦合理论的方程组,用于加快和简化折叠波导器件中矩形过渡结构的设计过程。作为功率耦合结构的一个重要组成部分,两种常用的结构将被考虑用来匹配折叠波导慢波结构的矩形波导TE10模式和标准输出矩形波导中的TE10模式。通过比较发现,在同样的反射水平下,锥形过渡结构比阶梯过渡结构长得多,但同时前者却自然具有更快的带宽和对结构误差不敏感的特性。作为算例,设计了220 GHz折叠波导返波管中可能用到的阶梯过渡结构和锥形过渡结构,并进行了误差分析。设计过程中用到的理论方法最终用数值模拟的方法进行了验证,取得了很好的一致性。基于该高精度理论方法的设计耗时不过几分钟。     

太赫兹波在有限电导率金属空芯波导中的传输特性

研究了太赫兹波在具有有限电导率的金属镀层空芯波导中的传输特性.从其传输的特性方程出发,利用Newton-Raphson迭代方法数值模拟了传输损耗和相位常数随太赫兹波频率、波导内径以及波导中金属镀层的电导率的变化关系.结果表明,采用大芯径波导和高电导率的金属镀层能有效降低太赫兹波的传输损耗. 关键词： 太赫兹波 空芯波导 特征方程     

快速优化折叠波导器件中矩形过渡结构的理论方法（英文）

本文推导了基于模式耦合理论的方程组,用于加快和简化折叠波导器件中矩形过渡结构的设计过程。作为功率耦合结构的一个重要组成部分,两种常用的结构将被考虑用来匹配折叠波导慢波结构的矩形波导TE10模式和标准输出矩形波导中的TE10模式。通过比较发现,在同样的反射水平下,锥形过渡结构比阶梯过渡结构长得多,但同时前者却自然具有更快的带宽和对结构误差不敏感的特性。作为算例,设计了220GHz折叠波导返波管中可能用到的阶梯过渡结构和锥形过渡结构,并进行了误差分析。设计过程中用到的理论方法最终用数值模拟的方法进行了验证,取得了很好的一致性。基于该高精度理论方法的设计耗时不过几分钟。     

一种改进的2×2 SOI Mach-Zehnder热光开关

本文设计并制作了基于强限制多模干涉耦合器的2×2 SOI马赫-曾德热光开关.这种光开关采用了深刻蚀结构的多模干涉耦合器和输入/输出波导,较大地提高了干涉耦合器的性能并减少了连接耦合损耗.同时,在调制臂区域采用浅刻蚀结构,保持其单模调制状态.深刻蚀多模干涉耦合器具有优越的特性,在实验中测得不均衡度只有0.03 dB,插入损耗－0.6 dB.基于这种耦合器的新型热光开关,其插入损耗为－6.8 dB,其中包括光纤-波导耦合损耗－4.3 dB,开关时间为6.8 μs.     

高功率回旋行波管新型输出渐变段的设计

利用正余弦拟合的方法和半径渐变波导的耦合波理论设计出一种Ka波段TE01模回旋行波管新型输出渐变段。通过Matlab数值计算和HFSS仿真优化,研究了该新型渐变段的反射系数、传输参数、模式纯度、对杂模的耦合等性能指标。计算结果表明:在长度为80 mm、口径由14 mm变化到32 mm的情况下,在30～33 GHz该新型渐变段的传输参数大于-0.000 52 dB,反射参数小于-65 dB,模式纯度大于0.995,对TE02模和TE03模耦合在-40 dB以下。在等长度和等口径下,与Dolph-Chebyshev渐变段进行比较,结果显示在30～33 GHz内,新型渐变段比其传输参数更好、反射参数更小、模式纯度更高等。测试样品的冷测实验结果为在28～35 GHz范围内,其反射参数小于-30 dB,传输参数大于-0.3 dB。     

微型腔单一亚波长金属狭缝的光波透射

 利用时域有限差分法模拟了厚金属层上单一亚波长狭缝内壁刻有一微型腔结构光波传输,结果发现在特定波长发生异常的增强透射。结合透射峰值对应波长近场分布,利用麦克斯韦方程组和波导理论对增强透射进行解释,认为光波在微型腔和狭缝中形成共振腔模起了重要作用:在狭缝内形成纵模,可以形成透射峰;在腔内形成不同的腔模也可以形成透射模。     

过模圆转弯波导的设计与实验

 研究了一种新型的过模圆转弯波导,可实现圆波导TM₀₁模的转弯传输。介绍了这种过模圆转弯波导的基本原理：即沿转弯平面插入一块金属板,将圆波导转换为两个半圆波导。圆波导TM₀₁模在半圆波导中转换为半圆波导TE₁₁模,经转弯传输后,重新将半圆波导TE₀₁模转换为圆波导TM₀₁模,从而实现圆波导TM₀₁模的转弯传输。基于这一原理设计了一个中心频率为2.856 GHz、转弯45°的过模圆转弯波导,并进行了数值模拟和实验研究。实验结果表明：其转弯半径为123.7 mm,转弯半径较小;在中心频点2.856 GHz处,传输损耗约为0.247 dB,驻波系数为1.217;在2.75～2.95 GHz的频率范围内传输损耗小于0.53 dB,驻波系数小于1.34。     

电光聚合物波导中的锥形结构

提出并设计了一种基于电光聚合物的锥形波导,可用于单模光纤与电光聚合物波导器件之间的连接.锥形波导中采用了宽度锥形和折射率锥形结构.宽度锥形采用劈形形状,通过宽度和折射率的缓慢变化实现模场转换.劈形形状的宽度锥形具有较小的损耗且易于制作,折射率锥形可采用灰度掩膜光刻技术制作.研究了锥形波导的传输损耗与锥形波导的长度、波导宽度和厚度、材料吸收损耗等参数的关系及其优化,分析了锥形波导中的功率传输、模场分布与模式转换效率.结果显示锥形波导的传输损耗小于0.37 dB,光纤-波导-光纤的连接损耗优于1.62 dB,对插入损耗的改善达到8.78 dB,模场转换效率达到了83.7%.     

Linear and nonlinear coupling properties of a novel multicore circular dielectric waveguide

In this work we investigate the linear and nonlinear coupling properties of a novel multicore circular dielectric waveguide. The proposed device consists of a circular central core and many circular sectoral cores at the periphery, while the whole structure can be considered as a nonlinear multicore composite optical coupler. Hybrid guided modes in a circular sectoral dielectric waveguide are derived using circular harmonic expansion for the electromagnetic fields and the Point Matching Method (PMM) for the application of boundary conditions. Several cases are investigated varying some of the parameters of the geometry and the optical frequency in order to produce dispersion diagrams. In advance, the electric and magnetic field distributions for the fundamental guided modes are produced, while linear and nonlinear coupling coefficients as well as the sectoral waveguide mode effective area are derived.     

A coupled-mode sound propagation model with complex effective depth

A coupled-mode sound propagation model with complex effective depth is presented,in order to involve the effect of branch line integral for acoustic field in a range-dependent waveguide.The equations of motion and continuity are used to obtain the coupled equations,which satisfy boundary conditions in the waveguide with varying topography and contain one coupling matrix.Meanwhile,the couplings between discrete and continuous spectrum are dealt with based on complex effective depth theory.Numerical simulations show that the accuracy of transmission loss is improved by the coupled mode model when eigenvalues of trapped modes are located near the branch point.The acoustic field in a non-horizontally stratified waveguide can be calculated efficiently and accurately by this model,and the energy corresponding to trapped modes,leaky modes and branch line integral can be considered adequately.     

高功率弯波导TE_(01)—TM_(11)模式变换临界角分析

在模式耦合理论的基础上 ,采用传统的波导轴线圆弧弯曲的方法 ,对TE0 1—TM11模式变换器的临界角进行了全面的优化分析。得出在临界角情况下 ,若考虑多模因素 ,则不能使TE0 1—TM11的能量发生全转换 ,而真正的最优化能量全转换角在临界角的附近 ,且转换的效率与弯波导曲率相关。     

一种高品质中空金属光波导

讨论了高品质中空金属光波导的工作原理及其制作工艺，制备了以金和银作为波导材料的中空波导管，并对空芯以及充入不同透明液体的液芯波导的透光特性进行了测试，结果表明：与中空介质波导相比，中空金属波导具有光传输损耗低，透过率对波导弯曲与失调不甚敏感等优点；而液芯金属波导的透光效率与透明材料的折射系数无关。文中描述了在特定波段内“中空光纤”的原理，并报道了Ｈｅ－Ｎｅ和ＣＯ２激光在中空金壁波导传输的实验结果。     

高功率过模圆波导到两路矩形波导功分器

基于模式匹配法分析了高功率过模圆波导到两路矩形波导功分器在传输过程中高阶模式的传输和反射问题,分析得到了高传输效率对过模圆波导的要求,并以此仿真设计了中心频率为2.88GHz的功分器,设计结果表明:在中心频率下反射系数为0.05,对应的圆波导TM01模到矩形波导TE10模传输效率大于99%,真空中功率容量为2.83GW;在2.82~2.94GHz的频带范围内反射系数小于0.1,对应的传输效率大于98%。     

光通信中的玻璃无源器件的制备与研究

本文报道了以高质量的BK7光学玻璃为衬底,通过稀释Ag+-Na+离子交换技术,制备出低损耗的表面条波导,并用近场法测量出条波导的模场分布曲线。给出光纤与波导耦合的失配损耗为0.54dB,条波导传输损耗为0.21dB/cm.以及在此工作基础上,成功地研制了适用于大容量相于光通信系统的1×2和1×4单模波导分束器。     

A three-channels WDM based on MMI in photonic crystal

A photonic crystal waveguide coupling structure can be constructed by putting three adjacent photonic crystal waveguides in parallel. Guided mode propagation method is employed to analyze the interference behavior of the approximate solution in such a coupling and the self-image phenomenon in multi-mode waveguides. A three-channel multimode interference wavelength division multiplexing can be obtained. The presented device has a high transmission rate as well as the advantage of multi-wavelength selection, thus it may have a potentially practical application in future photonic integrated circuit.