耦合模理论
《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

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

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
1 j0
2 t Emt ) j m ( z H mt ) j 0 n0 Emt
............ ........... ...........
光纤光栅耦合模理论
各本征模均遵从麦克斯韦方程
t (
1 j0
1
2 t Emt ) j m ( z H mt ) j 0 n0 Emt
的宽度(FWHM)。
问题10:带宽
光纤光栅模式耦合理论
光纤光栅区域的光场满足模式耦合方程:
dA z z k z B z exp i q z dz dz 0 z dB z dz k z A z exp i q z dz 0
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 ]
简化方程
z dA z k z B z exp[i q z dz ] dz 0 z dB z k z A z exp[i q z dz ] dz 0
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。
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。
基于极化电流概念对光纤布拉格光栅耦合模理论的分析

Hi…等 人 于 17 l l 9 8年 首 先 发 现 光 纤 的光 敏 特 性 ,并采 用纵 向驻 波 写入 法制 作 出第一 只光纤 布拉 格 光栅 ( B 。Mez等人 采用 横 向曝 光技术 成 F G) h 功 的研 制 了 F G。此 后 光纤 光 栅 得 到 了长 足 发 展 , B 相 继 出现 了 F G,啁 啾 光 栅 ( F B C G) 和 长 周 期 光 纤 光栅 ( P L G) 等 。F G以其 在光 纤激 光器 、光 纤 B 通 讯 和光 纤传 感器 领 域 的优越 性 和巨大 的应用 前 景
—
mo e c e c e to h o a z to u r n d o f in ft e p lr a in c re t§c n e t n wa s d.p e g s h q to fc u ld — i i o c p i su e o r die tt e e uai n o o p e
MEN Z i e , F h w i ANG W e h i I i g n u ,L U Jn ,YANG Ho g,Z n HANG Xi e, W AN Z a mi h G h o n
( colfSi c, Ca gh nU i rt Si c n ehooy h ncu 10 2 ) Sh o o c ne h n cu nv syo c e ea dTcnl ,C a gh n 3 0 2 e ei f n g
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第3 O卷 第 1期 2007年 3月
长 春理 工大 学学 报
Ju a fCh n e u iest fS in ea d T c n lg o r lo a g h n Unvri o ce c n e h ooy n y
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

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
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the initial conditions at t =0 are as follows:
A1 (0) = 1, A2 (0) = 0 ,
We can see the variations of the amplitudes of the two coupled pendulums in Fig.b
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
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,
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 wave
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
string
stop
Fig. a A 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 to rest once more. This cycle repeats itself again and again. It would repeat infinitely if there were no losses in the system.
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
耦合模论
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
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:
dA1 ( z)
dz
=
−
jβ1 A1
(
z)
+
jcA2
(
z)
dA2 (
dz
z)
=
− jβ2 A2
(z)
+
jcA1
(
z)
Where
β i
and c are functions of z in general case.
When n modes or waves should be considered in a coupling problem, n differential
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
I
Preface
What 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.