袁洪良，李齊良

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

光纖耦合器也稱光定向耦合器，是一種多根光纖之間或光源與光纖之間實(shí)現(xiàn)光功率定向傳輸?shù)囊环N光器件［1］。非線性光纖耦合器可以用于全光信息處理，如超快脈沖開關(guān)、光邏輯門受到廣泛的研究，文獻(xiàn)2中指出，改變非線性光纖耦合器中輸入光的強(qiáng)度，將導(dǎo)致光信號(hào)在合器中的開關(guān)，由此預(yù)言了非線性光纖耦合器可以用作全光開關(guān)，并在文獻(xiàn)3的實(shí)驗(yàn)中觀察到了開關(guān)的事實(shí)。目前，提出的全光邏輯門的實(shí)現(xiàn)方案有很多，根據(jù)使用的非線性材料，大體來(lái)說(shuō)可分為基于半導(dǎo)體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)的全光邏輯門和基于非線性光纖的全光邏輯門兩類。SOA中載流子恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，限制了信號(hào)處理的速度，并且SOA工作時(shí)將不可避免地引入自發(fā)輻射噪聲。然而基于非線性光纖的全光邏輯門因其響應(yīng)速度快，將成為全光處理的關(guān)鍵元件［4］。所謂的光學(xué)邏輯門是通過控制信號(hào)對(duì)介質(zhì)透射的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，這種光邏輯運(yùn)算能力還處在早期的發(fā)展階段［5］。研究表明，非對(duì)稱光纖耦合器比對(duì)稱耦合器具有更好的陡峭性。本文對(duì)基于非線性非對(duì)稱耦合器對(duì)光學(xué)邏輯門進(jìn)行了研究，通過選擇不同的輸入功率組合，能實(shí)現(xiàn)不同的邏輯運(yùn)算功能，從而實(shí)現(xiàn)各種邏輯運(yùn)算。

1 理論模型

根據(jù)Maxwell電磁理論，忽略損耗的非線性薛定諤方程進(jìn)行歸一化得到耦合模方程如下:

2）十二指腸支架：該種支架放置后由于腸蠕動(dòng)的影響本身就存在移位的可能。鎳鈦合金類支架與MRI兼容，對(duì)移位的附加力影響不大，不銹鋼支架對(duì)于移位的參與度多少不清楚，通常要禁行MRI檢查。

忽略時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，由式1、2可得到在非對(duì)稱耦合器中傳輸?shù)姆蔷€性耦合模方程為:

如果以dB作單位，則:

仿真中，取k=0.4，d2=1，dn=1，dp=0.1，LD=/2k(為一個(gè)耦合長(zhǎng)度)，對(duì)式3、4 進(jìn)行數(shù)值求解，并利用式5可得出耦合器開關(guān)特性曲線，如圖2所示。

式中，ui(xL，t)表示波導(dǎo)在耦合長(zhǎng)度為xL處的功率，開關(guān)的開斷由消光比來(lái)定義，參考了文獻(xiàn)7的說(shuō)明，直通臂與交叉臂，或者交叉臂與直通臂的輸出能量之比為:

教師可以在課堂上開展各種活動(dòng)來(lái)調(diào)動(dòng)小學(xué)生的積極性，例如用游戲來(lái)活躍課堂氣氛，小學(xué)生年齡小，大都喜歡玩游戲，教師可以利用小學(xué)生這一心理特征將知識(shí)貫穿于游戲中，使小學(xué)生在游戲中潛移默化地收獲知識(shí)。游戲可以把枯燥的學(xué)習(xí)變得生動(dòng)有趣，也可以讓學(xué)生輕松愉快地學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。利用游戲開展詞匯教學(xué)是一種很好的教學(xué)策略，教師在游戲教學(xué)中必須注重的一點(diǎn)是怎樣引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，如發(fā)起詞匯記憶比賽，給出一定的時(shí)間限制，使學(xué)生全身心地投入進(jìn)去，鼓勵(lì)學(xué)生踴躍參加，用獎(jiǎng)懲措施激發(fā)學(xué)生展現(xiàn)出自己最大的能力，使學(xué)生融入到游戲的學(xué)習(xí)方法中。

2 結(jié)果和討論

2.1 耦合器開關(guān)特性曲線

兩芯光纖耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。圖1中，當(dāng)以低于閾值功率從第一纖芯輸入時(shí)，輸入功率完全轉(zhuǎn)移到第二個(gè)纖芯中，即所謂的交叉態(tài);然而當(dāng)輸入功率超過閾值功率時(shí)，幾乎沒有功率轉(zhuǎn)移到第二個(gè)纖芯中，即所謂的直通態(tài)。同理當(dāng)以低于閾值功率從第二纖芯輸入時(shí)，輸入功率完全轉(zhuǎn)移到第一纖芯中(交叉態(tài));當(dāng)以高于閾值功率輸入時(shí)，幾乎沒有功率轉(zhuǎn)移到第一纖芯(直通態(tài))。這樣因輸入功率的不同，一束光就能從一個(gè)輸出端口切換到另一個(gè)輸出端口，實(shí)現(xiàn)開關(guān)效應(yīng)［4］。

在低入射光功率的情況下，耦合器呈線性特性，在一個(gè)耦合長(zhǎng)度內(nèi)，通過消逝場(chǎng)的耦合，光信號(hào)從直通臂轉(zhuǎn)移到交叉臂輸出。但隨著光功率的增加，非線性效應(yīng)將改變耦合長(zhǎng)度，達(dá)到臨界功率時(shí)，分光比將接近1∶1，當(dāng)光功率大于臨界值時(shí)，非線性效應(yīng)將阻止光信號(hào)從一個(gè)纖芯轉(zhuǎn)移到另一個(gè)纖芯，幾乎所有的光都從入射光纖的端口輸出。這樣，入射光在高于和低于臨界功率某個(gè)值之間變化時(shí)，光就從耦合器的一個(gè)端口轉(zhuǎn)移到另一個(gè)端口輸出，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)效應(yīng)［8］。

圖1 兩芯光纖耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

定義第i波導(dǎo)的能量轉(zhuǎn)換系數(shù)為:

圖2(a)為端口1有輸入，端口2沒輸入時(shí)，得到的開關(guān)特性曲線，圖2(b)為端口1無(wú)輸入，端口2有輸入時(shí)，得到的開關(guān)特性曲線。由于是非對(duì)稱耦合器，不同的模傳輸常數(shù)引起兩纖芯間的相對(duì)移動(dòng)，并阻礙兩者間發(fā)生完全的功率轉(zhuǎn)移，即便線性傳輸常數(shù)相同，自相位調(diào)制也能感應(yīng)兩個(gè)纖芯間的相對(duì)相移。因此從圖2中可看出兩種方式輸入的閾值功率不同，分別為1.1和1.35。

圖2 耦合器的開關(guān)特性曲線

目前應(yīng)用程序基本上分為4種模式，其中：第一種是需安裝的Native APP模式；第二種是借助手機(jī)瀏覽器運(yùn)行的網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用(Web APP)模式；第三種是融合上述2種模式得到的混合模式(Hybrid APP)，這種APP雖然也需獨(dú)立安裝，但部分功能是借助內(nèi)置瀏覽器Web頁(yè)面運(yùn)行的。近年來(lái)，隨著移動(dòng)應(yīng)用用戶的大量累積，有些移動(dòng)應(yīng)用本身轉(zhuǎn)變成了應(yīng)用平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出基于特定應(yīng)用擴(kuò)展方式的寄生模式，即無(wú)需獨(dú)立安裝新的應(yīng)用，依賴于特定的應(yīng)用環(huán)境運(yùn)行，如支付寶應(yīng)用和微信小程序等。表1為這些移動(dòng)應(yīng)用類型的對(duì)比[4-6]。

2.2 實(shí)現(xiàn)的開關(guān)邏輯功能

根據(jù)選擇不同的輸入功率組合，實(shí)現(xiàn)不同的邏輯運(yùn)算功能。計(jì)算時(shí)兩個(gè)輸入和輸出信號(hào)光的功率組合如表1所示。當(dāng)輸入端口有功率輸入且超過閾值功率時(shí)，為邏輯“1”;當(dāng)沒有功率輸入時(shí)，為邏輯“0”。根據(jù)式6算出相對(duì)應(yīng)情況下的輸出端口的消光比，再根據(jù)消光比判定對(duì)應(yīng)的邏輯值。

研究對(duì)象選用皖電東送1 000 kV淮南至上海特高壓交流輸電示范工程的SZ3021特高壓雙回鼓型鋼管塔,建立輸電塔有限元模型進(jìn)行分析.該鋼管塔呼稱高度為45m,整體塔高為101 m,塔底根開尺寸為19.71 m.輸電塔主要由Q235和Q345兩種鋼管構(gòu)件組成,只有塔頭和塔腿的輔材使用了Q235角鋼構(gòu)件.如圖1(a)和圖1(b)所示為特高壓鋼管塔順線路方向和垂直線路方向的立面圖.

由表1可知，當(dāng)輸入功率取1.5W時(shí)，該功率超過2個(gè)閾值功率，所以當(dāng)從端口1輸入時(shí)，由圖2(a)可知超過了閾值功率，所以幾乎沒有功率轉(zhuǎn)移到第二纖芯，即輸入功率組合為(1，0)時(shí)，端口3輸出消光比為18.67dB，相應(yīng)邏輯值為“1”。當(dāng)從端口2輸入時(shí)，同樣的也超過了該閾值功率，所以同樣幾乎沒有功率轉(zhuǎn)移到第一纖芯，即輸入功率組合為(0，1)，端口4的輸出消光比為－53.96dB，相應(yīng)的邏輯值為“0”。當(dāng)端口1和端口2同時(shí)輸入時(shí)，由于輸入功率超過了閾值功率，計(jì)算得出端口3、4的輸出消光比相差不大，為0.686dB，所以判定兩端口輸出消光比X12與X21所對(duì)應(yīng)的邏輯值都為“1”。根據(jù)表1可知，選擇不同的輸入功率組合，實(shí)現(xiàn)了“與或”門的邏輯運(yùn)算。

表1 輸入功率取1.5W時(shí)的非對(duì)稱光纖邏輯門真值表

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)非線性薛定諤方程進(jìn)行歸一化化簡(jiǎn)，忽略其時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，對(duì)其進(jìn)行Matlab仿真，得出非對(duì)稱非線性耦合器的開關(guān)閾值功率，由于是非線性非對(duì)稱光纖，所以當(dāng)從第一纖芯輸入或從第二纖芯輸入時(shí)，得到的閾值功率不同。然后根據(jù)輸入功率的不同組合，利用輸出功率的消光比來(lái)判定對(duì)應(yīng)輸出的邏輯值，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)不同的邏輯運(yùn)算功能。

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