Геометрическая и волновая оптика, приём и передача сигналов в оптическом волокне (волоконных световодах)

Принцип Гюйгенса: каждая точка, до которой  доходит волна, служит центром вторичных  волн, а огибающая этих волн даёт положение волнового фронта в  следующий момент времени. На основании принципа Гюйгенса это отверстие можно считать новым точечным источником полусферических волн. Эти волны падают на два малых отверстия S₁ и S₂ в следующем экране, которые в свою очередь становятся новыми точечными источниками волн. 

 

 

 

 

 

 

 

Таким способом в опыте  Юнга достигается разделение исходной волны на две. Эти волны налагаются друг на друга в области за отверстиями  и могут интерферировать, так  как источники S₁ и S₂ когерентны. На экране В образуется интерференционная картина.

Разделение волны от первичного некогерентного источника на две  когерентные волны, т. е. получение  двух вторичных когерентных источников, может осуществляться разными способами. Но расчёт интерференционной картины  во всех таких случаях производится одинаково, так же, как и в схеме  Юнга. Если в излучении первичного источника все независимые цуги волн характеризуются одной и  той же длиной волны λ, то для излучения  вторичных источников S₁ и S₂ можно использовать монохроматическую идеализацию, несмотря на то, что их излучение также представляет собой ту же хаотическую последовательность отдельных цугов. Замена такой последовательности цугов бесконечной синусоидальной волной возможна здесь потому, что точечные вторичные источники когерентны, а разность хода излучаемых ими волн в любой точке экрана В меньше протяжённости отдельного цуга. Для этого разумеется, экран В должен быть удалён от источников S₁ и S₂ на значительное расстояние L, а расстояние d между источниками S₁ и S₂ должно быть достаточно мало.

Схема расчёта  интерференционной картины:

 

 

 

 

 

 

 

В точке О, расстояния до которой от источников S1 и S2 одинаковы, приходящие волны усиливают друг друга, так как колебания поля в этой точке происходят в одинаковой фазе. Результат сложения колебаний  в произвольной точке Р определяется разностью хода l волн, приходящих в  Р из S1 и S2. Если l равно целому числу  длин волн λ, то колебания в Р усиливают  друг друга; если l равно нечётному  числу полуволн, то колебания взаимно  ослабляются.

Выразим разность хода l волн, приходящих в точку Р, через угол θ между осью и направлением на точку Р и расстояние d между  источниками.

Будем считать, что d<<L. Тогда  при малых θ разность хода можно  найти, опуская из S1 перпендикуляр  на прямую S2Р:  l=dθ.

Эта формула даёт возможность  определить угловое положение максимумов и минимумов на экране В. направление  на максимумы получим, полагая что l=nλ: θmax=nλ/d, n=0, ±1, ±2,…

Полагая, что l=(2n+1)λ/2, получим  направления на минимумы: θmin=(n+1/2)λ/d, n=0, ±1, ±2,…

Угловое расстояние Δθ между  соседними максимумами или минимумами, как видно из этих формул, равно  λ/d, а расстояние h между ними на экране В, равно h=LΔθ=λL/d

Интерференция света имеет  самое широкое применение: для  измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей  преломления и дисперсионных  свойств веществ, для измерения  углов, линейных размеров деталей в  длинах световой волны, для контроля качества оптических систем и многого  другого. На использовании интерференции  света основано действие интерферометров  и интерференционных спектроскопов; метод голографии также основан  на интерференции света. Интерференцию  поляризованных лучей широко используют в кристаллооптике для определения  структуры и ориентации осей кристалла, в минералогии для определения  минералов и горных пород, для  обнаружения и исследования напряжений и деформаций в твердых телах, для создания особо узкополосных светофильтров и др.

 

                                 3.3. Поляризация

Поляризация – физический процесс создания определенного направления колебаний вектора напряженности в электромагнитной волне.

Явления  интерференции  и  дифракции, послужившие для  обоснования волновой природы света, не дают еще полного представления  о характере световых волн. Новые  черты открывает нам опыт над  прохождением света через кристаллы, в частности через турмалин. 
Возьмем две одинаковые прямоугольные пластинки турмалина, вырезанные так, что одна из сторон прямоугольника совпадает с определенным направлением внутри кристалла, носящим название оптической оси. Наложим одну пластинку на другую так, чтобы оси их совпадали по направлению, и пропустим через сложенную пару пластинок узкий пучок света от фонаря или солнца. Так как турмалин представляет собой кристалл буро-зеленого цвета, то след прошедшего пучка на экране представится в виде тёмно-зеленого пятнышка. Начнем поворачивать одну из пластинок вокруг пучка, оставляя вторую неподвижной. Мы обнаружим, что след пучка становится слабее, и когда пластинка повернётся на 900, он совсем исчезнет. При дальнейшем вращении пластинки проходящий пучок вновь начнет усиливаться и дойдет до прежней интенсивности, когда пластинка повернется на 1800, т. е. когда оптические оси пластинок вновь расположатся параллельно. При дальнейшем вращении турмалина пучок вновь слабеет. 
Можно объяснить все наблюдающиеся явления, если сделать следующие выводы: 
1. Световые колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны).

2. Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси.

3.В свете фонаря (солнца) представлены поперечные колебания,  любого направления в одинаковой  доле, так, что ни одно   направление           не        является  преимущественным. 
Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходит через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен пропускать световые колебания только определенного направления. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представлять собой совокупность поперечных колебаний одного направления, определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет мы будем называть линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось светового пучка, — плоскостью поляризации. 
        Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка поляризует проходящий через неё пучок света, оставляя в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т. е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет полностью задержан. Если направление колебаний в поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмалином, то колебания будут пропущены лишь частично.

Явление поляризации света  лежит в основе ряда методов исследования структуры вещества с помощью  многочисленных поляризационных приборов. По изменению степени поляризации (деполяризации) света при рассеянии  и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях  в веществе, флуктуациях концентрации растворов, о внутри- и межмолекулярной  передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т.д. Широко применяется поляризационно-оптический метод исследования напряжений в объёмах и на поверхностях твёрдых тел, в котором эти (механические) напряжения определяются по изменению поляризации отражённого или прошедшего через тело света. В кристаллооптике поляризационные методы используются для изучения структуры кристаллов, в химической промышленности - как контрольные при производстве оптически-активных веществ, в минералогии и петрографии - для идентификации минералов, в оптическом приборостроении - для повышения точности отсчётов приборов (например, фотометров).

 

 

4.Приём  и передача сигналов в оптическом  волокне

Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну  было внедрено в 1975 году. Основу передатчика  составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 0.85 мкм  в многомодовом режиме. 
В течение последующих трех лет появилось второе поколение – одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм. 
В 1982 году родилось третье поколение передатчиков - диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм. Исследования продолжались, и вот появилось четвертое поколение оптических передатчиков, давшее начало когерентным системам связи - то есть системам, в которых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такие системы связи обеспечивают гораздо большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили безрегенераторную когерентную волоконно-оптическую линию связи STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в 300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223км. 
         Появление оптических усилителей на основе световодов способных усиливать проходящие по световоду сигналы, дало начало пятому поколению систем оптической связи. В настоящее время быстрыми темпами развиваются системы дальней оптической связи на расстояния в тысячи километров. Успешно эксплуатируются трансатлантические линии связи США-Европа ТАТ-8 и ТАТ-9,Тихоокеанская линия США-Гавайские острова-Япония ТРС-3. Ведутся работы по завершению строительства глобального оптического кольца связи Япония – Сингапур – Индия - Саудовская Аравия-Египет-Италия. 
          В последние годы наряду с когерентными системами связи развивается альтернативное направление: солитоновые системы связи. Солитон - это световой импульс с необычными свойствами: он сохраняет свою форму и теоретически может распространяться по "идеальному" световоду бесконечно далеко. Солитоны являются идеальными световыми импульсами для связи. Длительность солитона составляет примерно 10 трилионных долей секунды (10 пс). Солитоновые системы, в которых отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием солитона, могут иметь пропускную способность не менее 5 Гбит/с на расстоянии 10 000 км. Такую систему связи предполагается использовать на уже построенной трансатлантической линии ТАТ-8. Для этого придется поднять подводный ВОК, демонтировать все регенераторы и срастить все волокна напрямую. В результате на подводной магистрали не будет ни одного промежуточного регенератора.

 

                

 

 

 

                 5.Преимущества и недостатки  ВОЛС

Передача информации по ВОЛС имеет  целый ряд достоинств перед передачей  по медному кабелю. Стремительное  внедрение в информационные сети Волс является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения  сигнала в оптическом волокне.

Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014 Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно "одеть" в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить "взламываемый" канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.