Моделирование процесса

что направление вектора H0 совпадает с направлением вектора v волны (рис. 23).

Заметим, что при продольном действии внешнего постоян-

ного поля векторы E и H волны перпендикулярны направлению внешнего поля:

E v; E H0; H v; H H0.

Из дифференциальных уравнений Максвелла следуют выражения:

для постоянной распространения волны

k± = ω εaµa (µ±µa );

для фазовой скорости распространения волны

ченность при насыщении.

Знак плюс соответствует правокругополяризованной волне, знак минус – левокругополяризованной волне.

Плоская волна с линейной поляризацией распадается на две кругополяризованные волны с разными направлениями круговой поляризации: левой и правой. Заметим, что фазовые скоро-

сти волн не совпадают (vф+ ≠ vф− ).

Волна пройдет вдоль оси Х3 на расстояние l, вектор E (соответственно и H ) повернется на угол v:

Это явление носит название «эффект Фарадея» – поворот плоскости поляризации.

Заметим, что в обоих случаях как для однонаправленных векторов H0 и v, так и направленных противоположно для гиротропной среды реализуется угол один и тот же ( v = const).

2.2. Поперечное внешнее постоянное поле

Направление вектора внешнего поля перпендикулярно вектору v скорости волны (рис. 24).

Векторы E и H волны параллельны направлению внешнего поля.

Дифференциальные уравнения Максвелла распадаются на две системы:

54

Явление распада плоской поляризованной волны на обыкновенную и необыкновенную, то есть явление двойного лучепреломления, известно под названием:

1)«эффект Коттона–Мутона» при действии внешнего постоянного магнитного поля;

2)«эффект Керра» при действии внешнего постоянного электрического поля.

3. Применение эффектов

Эффект Коттон–Мутона обнаруживается в природе. Например, ионосферная плазма находится в постоянном магнитном поле Земли. Во время ионосферных магнитных бурь диагностируется их влияние на распространение радиоволн, особенно коротковолновых.

Зависимость параметров материала от напряженности внешнего постоянного магнитного (H0 ) либо электрического

(Е0 ) поля позволяет создавать на их основе управляющие уст-

ройства. Под действием любого из этих полей вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением внешнего поля, то есть вещество становится двоякопреломляющим. Причем с ростом напряженно-

сти H0 либо Е0 меняется степень анизотропии.

Использование эффекта Фарадея позволяет создавать различные устройства для регулирования фаз передаваемых сигналов, например фазовращатели: отражательные, проходные, волноводные и пр. Фазовращатели служат для осуществления фазовой модуляции электромагнитных волн, самых сложных ее видов, а следовательно, для кодирования передаваемой информации.

Эффект Керра и Коттона–Мутона применяют в управляющих устройствах для регулирования амплитуд, для изменения пути сигналов. На основе этих эффектов создают различные вы-

56

ключатели, коммутаторы в быстропротекающих процессах: в оптоволоконной технике (оптическая локация, оптическая телефония и др.), в звукозаписывающей и воспроизводящей технике, в скоростной фотосъемке, в диагностике скорости распространения света и т.д.

Вопросы для самоконтроля

1.Как связаны параметры D и E в изотропной среде?

2.Как связаны параметры B и H в изотропной среде?

3.Как связаны параметры D и E в анизотропной среде?

4.Как связаны параметры B и H в анизотропной среде?

5.В чем заключается эффект Фарадея?

6.При каком виде внешнего воздействия в изотропной среде возникает эффект Фарадея?

7.Почему при продольном подмагничивании возникает эффект Фарадея?

8.В чем заключается эффект Коттона–Мутона?

9.При каком виде внешнего воздействия в изотропной среде возникает эффект Коттона–Мутона?

10.Почему при поперечном подмагничивании возникает эффект Коттона–Мутона?

Глава 6

ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ ОПТОВОЛОКОННОЙ СВЯЗИ

При объяснении проблемы распространения света по волноводу неизбежно используют представления и геометрической оптики, и волновой модели света, то есть электромагнитной волны.

1.Полное внутреннее отражение

иволоконная оптика

Зачем нужно передавать куда-то свет по волноводу? Для того, чтобы можно было обойти его свойство распространяться прямолинейно и заглянуть в какое-то малодоступное место, например за угол. С такой проблемой справляются системы зеркал, но их нельзя сделать гибкими. И чтобы разглядеть, скажем, внутренность желудка, они не подходят. Однако гораздо более обширное применение находит передача не изображения, а закодированной информации.

Электромагнитные волны используют для такой передачи информации со времен изобретения радиосвязи А.С. Поповым. При этом применяют метод модуляции. Собственно информация закодирована в изменениях либо амплитуды, либо частоты, либо фазы колебаний несущей волны. Чем выше частота этой волны, тем больше информации можно передать в единицу времени. У света частота гораздо больше, чем у радиоили СВЧизлучения. Однако чтобы этой возможностью воспользоваться, нужны технические устройства – источник излучения, приемник и волновод для доставки сигнала по назначению.

Такой волновод использует принцип полного внутреннего отражения. Иначе говоря, в основе оптоволоконной связи лежит физический эффект, называемый полным внутренним отражением: если свет идет из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем, то существует предель-

58

ный угол падения луча на границу, при котором свет выйдет наружу. При большем угле свет отразится внутрь и, таким образом, выйти из оптически более плотной среды не сможет, а станет распространяться внутри ее. Величина предельного угла зависит от соотношения показателей преломления обеих сред.

Теория этого явления создана давно. С научной точки зрения проблему рассмотрел Исаак Ньютон. Уже после его работы можно было бы создать систему передачи света по оптическому волокну, если бы у человечества имелись технические возможности и потребность в этом.

Отсюда следует, что для передачи информации требуется не абы какой световой луч, а монохроматический, поскольку показатель преломления зависит от длины волны света. Белый свет в длинном волноводе разложится на спектр, и сигнал исчезнет. Следовательно, в качестве излучателя сигнала нужен лазер. Пока лазеров не было, разговоры о передаче информации по оптическому волокну на большие расстояния носили теоретический характер. А с 1960 года, когда лазеры были созданы, стало можно браться за практическое воплощение проблемы передачи всерьез.

2. Оптическое волокно как волновод. Моды

Свет, волна которого состоит из электрической и магнитной компонент, при распространении в волноводе может вести себя несколькими способами, называемыми модами. В главе 4 рассмотрено подробно явление возникновения различных мод. Здесь вкратце резюмируем результаты. Во-первых, возможна поперечная волна ТЕМ, у которой векторы напряженности обоих полей направлены перпендикулярно оси распространения света. Такая волна не распространяется по волноводу. Вовторых, у одной из компонент вектор может быть направлен так, что имеет составляющие и вдоль и поперек луча. Это будет либо электрическая Е, либо магнитная Н мода. В-третьих, у обеих компонент векторы могут быть направлены и вдоль,

59

и поперек. Тогда возникает гибридная мода НЕ. Кроме того, поле может еще и меняться несколько раз по диаметру и окружности волокна, создавая моды более высоких порядков. Надо учесть, что, как отмечено в главе 4, разные моды распространяются с разными скоростями – при передаче на большие расстояния сигнал может размыться. Однако можно управлять всем этим разнообразием, изменяя диаметр волокна и нанося на него покрытие с несколько меньшим показателем преломления.

А нельзя ли сделать волокно, пропускающее только одну моду? Да, можно! Нужно уменьшать диаметр волокна и разницу между показателями преломления волокна и покрытия. В итоге можно оставить только одну моду, и это будет низшая гибридная мода НЕI либо НЕII. Именно на ней сейчас держится вся оптоволоконная связь, проходящая по одномодовым световодам. Этот результат получили еще в 1960-х годах Нариндер Сингх Капани из Чикаго («Armour Research Foundation») и Элиас Шнитцер («American Optical Company»). Они рассмотрели тео-

ретически и экспериментально продемонстрировали прохождение света сквозь диэлектрическое волокно. Мода НЕII даже при полном внутреннем отражении сильно выходит за пределы волновода без покрытия и фактически значительную часть времени путешествует вне его, что чревато потерями. Чтобы от них избавиться, нужно нанести на оптическое волокно покрытие, причем с толщиной гораздо большей, чем длина волны света.

3. Роль покрытия оптоволокна

Вскоре после окончания Первой мировой войны (начало XX века) многие инженеры пытались использовать волоконные световоды для передачи изображений. Кларенс Ханселл из США надеялся таким способом создать системы телевидения. Он запатентовал передачу изображения по оптическому волокну, но не создал никакого устройства. Генрих Ламм из Германии разрабатывал гастроскоп из волокон кварцевого стекла и весьма преуспел в этом деле. Он первым в начале 30-х годов ХХ века

60