Уширение импульсного оптического сигнала, обусловленное расходимостью светового пучка
По современным волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) передаются высокочастотные (порядка 109 – 1014 Гц) импульсные сигналы прямоугольной формы, соответствующие «1» цифровой информации. Промежутки между «1» заполняются нулями «0». Различные сочетания между единицами и нулями битов позволяют воспроизвести любой аналоговый сигнал, то есть закодировать его и запустить в стекловолокно в виде высокочастотных оптических импульсов. К оптическим импульсам предъявляется два важнейших требования: длительность единиц и нулей битов должна быть одинакова, импульс не должен уширятся в пространстве и времени. Нарушение этих требований приводит к накладки импульсов друг на друга, то есть искажает исходную аналоговую информацию. Рассмотрим, к чему приводит расходимость пучка световых лучей, вводимых в СВ, как показано на рисунке 3.11. Согласно рисунка 3.11, между крайними лучами 2 и 3 светового пучка находится множество лучей, распространяющихся внутри конуса с углом при вершине угла ВAC. Каждому из лучей соответствует своя электромагнитная волна одной и той же частоты но различным углом падения j на границу раздела nС ® nВ. Различным углам соответствуют различные моды оптического излучения. Таким образом, в данном случае, СВ со ступенчатым профилем АПП работает во многомодовом режиме. Согласно рисунка 3.11, луч 2 распространяется вдоль оси симметрии стекловолокна, достигает сечения ВС за время (3.21) Луч 3 достигает сечения BC за время (3.22) Уширение импульсного сигнала на участке от точки A до сечения BC составит величину . (3.23) Она имеет смысл временного уширения импульсного оптического сигнала за 0,5 времени одного ПВО электромагнитной волны. Термин «дисперсия» в данном случае взят в кавычки, поскольку он является исторически сложившимся техническим термином. Реальная физическая материальная дисперсия света это – зависимость АПП от длины (или частоты) электромагнитной волны, показанная на рисунке 3.1. Уширение импульсного оптического сигнала, обусловленное зависимостью волнового числа от частоты электромагнитной волны: пусть волновой пакет распространяется по СВ в виде единственной моды (пучок параллельных лучей) с групповой скоростью . (3.24) Материальной дисперсией (зависимостью n(w)) пренебрегаем (в соответствии с рисунком 3.12). Время распространения света t вдоль траектории l = АВ определяется формулой (3.25) Временное уширение импульса tВМ за 0,5 времени одного акта ПВО определяется выражением (3.26) Операция нахождения Dt из (3.25), в данном случае, аналогична нахождению дифференциала от левой и правой части формулы (3.25) с последующей заменой dt на Dt и dw на Dw. Согласно (3.26) , (3.27) где Dw разброс значений циклических частот в волновом пакете. Величину tВМ называют внутримодовой «дисперсией». Согласно (3.27) величину tВМ можно уменьшить, повысив монохроматичность волнового пакета. Уширение импульсного оптического сигнала, обусловленное материальной дисперсией: оптическая схема соответствует рисунку 3.12. Внутримодовой «дисперсией» tВМ пренебрегаем, но учитываем материальную дисперсию n = n(w) либо n = n(l). Введем понятие абсолютного группового показателя преломления волнового пакета в виде .Поскольку групповая скорость волнового пакета , согласно (3.28) Таким образом . (3.29) Поскольку n = n(l), а l = l(w), . (3.30) Представим w в следующем виде . (3.31) Дифференцируем (3.31) по l , (3.32) Подставляем (3.32) в (3.30) (3.33) Из (3.29) и (3.33) имеем . (3.34) Согласно (3.28) и (3.34) .(3.35) По определению скорости, время распространения импульса , (3.36) поскольку уширение за счет материальной дисперсии tMD = Dt, а величина Dt находится аналогично нахождению дифференциала функции t(x), имеем согласно (3.36) .(3.37) Отбрасывая знак минус в (3.37), как не несущий никакого физического смысла, имеем .(3.38) Рефракция света
Рефракцией света называется искривление траектории светового луча в среде с переменным показателем преломления. Пусть АПП изменяется скачкообразно в многослойной структуре, показанной на рисунке 3.13. Согласно закона преломления, n1 > n2 > n3, а углы падения света на границы раздела сред j1 < j2 < j3. Рисунок 3.13 – Рефракция света в среде с переменным показателем преломления В результате, траектория светового луча представляет собой ломаную линию. Если n изменяется плавно, как показано на рисунке 3.14, траектория светового луча превращается в плавную кривую. Рисунок 3.14 – Рефракция света в среде с плавным изменением показателя преломления
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|