Реферат по физике на тему: «Использование оптической модуляции света для передачи информации по оптоволокну»

Гимназия № 1505

Москва

2009_год

Article I.

I. Содержание:

1. Содержание .......................................................................................................2

2. Введение ............................................................................................................3

3. Историческая справка ......................................................................................4

4. Свет ....................................................................................................................7

1. Скорость света ..........................................................................................7

2. Электромагнитная природа света ...........................................................8

3. Закон преломления .................................................................................10

4. Двойное лучепреломление .....................................................................12

5. Компоненты установки для демонстрации передачи информации по оптоволокну. Принцип их действия ...........................................................14

1. Модуляция света. Ячейка Керра ...........................................................14

2. Световод ..................................................................................................17

3. Фотодиод .................................................................................................18

5. Установка для демонстрации передачи информации по оптоволокну ........19

6. Заключение ........................................................................................................20

7. Список литературы ...........................................................................................21

• 
  Историческая справка – история развития вопроса передачи информации на расстояние, описание преимуществ оптоволокна и передачи информации с помощью света в целом, достижения в области развития технологии оптоволокна на данный момент.
  
• 
  Раздел, посвящённый теории, необходимой для понимания процесса передачи информации с помошью света. Данный раздел включает в себя подразделы, посвящённые характеристикам света и законам преломления и двойного лучепреломления.
  
• 
  Раздел посвящённый строению оптоволоконного кабеля (световода), фотодиода и процессу модуляции света.
  
• 
  В заключение идёт раздел в котором рассматриваеться устройство установки для демонстрации передачи информации по оптоволокну.
  

1. Скорость света

2. Электромагнитная природа света

• 
  n₁ — показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела;
  
• 
  α₁ — угол падения света — угол между падающим на поверхность лучом и нормалью к поверхности;
  
• 
  n₂ — показатель преломления среды, в которую свет попадает, пройдя границу раздела;
  
• 
  α₂ — угол преломления света — угол между прошедшим через поверхность лучом и нормалью к поверхности.
  

2 n₁>n₂

> <



рис 4 рис 5

Рассмотрим более подробно случай, когда свет идет из среды с большим показателем преломления проникает в среду с меньшим показателем преломления (рис. 6).



рис 6

По мере увеличения угла падения увеличивается и угол преломления. При некотором значении угла падения _пр(назовем его предельным) преломленный луч распространяется вдоль границы раздела ( =). Если световой луч пустить на границу под углом > _пр, то он вообще не проникает во вторую среду. Вся световая энергия отражается, что и является полным внутренним отражением.

Итак, условия наблюдения  явления полного внутреннего отражения:

• 
  n₁ < n₂, т.е. свет идет из среды более плотной в среду менее плотную;
  
• 
  угол падения больше предельного угла > _пр. При этом выполняется соотношение: sin(_пр) = n₂/n₁.
  

4. Двойное лучепреломление

Двойное лучепреломление – эффект расщепления пучка света в анизотропной¹ среде (например, в кристалле) на два слагающих, распространяющихся с разными скоростями и поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Двойное лучепреломление было впервые обнаружено и описано профессором Копенгагенского университета Э. Бартолином в 1669 в кристалле исландского шпата. Если световой пучок падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то он распадается на 2 пучка, один из которых продолжает путь без преломления, как и в изотропной среде, другой же отклоняется в сторону, нарушая обычный закон преломления света (рис. 7). Соответственно этому лучи первого пучка называются обыкновенными, второго — необыкновенными. Угол, образуемый обыкновенным и необыкновенным лучами, называется углом Двойного лучепреломления. Если в случае перпендикулярного падения пучка поворачивать кристалл вокруг пучка, то след обыкновенного луча остаётся на месте, в центре, а след необыкновенного луча вращается по кругу.



рис 7

Двойное лучепреломление можно наблюдать и при наклонном падении пучка света на поверхность кристалла. В исландском шпате и некоторых других кристаллах существует только одно направление, вдоль которого не происходит двойное лучепреломление. Оно называется оптической осью кристалла, а такие кристаллы — одноосными.

Направление колебаний электрического вектора у необыкновенного луча лежит в плоскости главного сечения (проходящей через оптическую ось и световой луч), которая является плоскостью поляризации. Нарушение законов преломления в необыкновенном луче связано с тем, что скорость распространения необыкновенной волны, а, следовательно, и её показатель преломления n_е зависят от направления. Для обыкновенной волны, поляризованной в плоскости, перпендикулярной главному сечению, показатель преломления n_о одинаков для всех направлений. Если из точки О откладывать векторы, длины которых равны значениям n_е и n_о в различных направлениях, то геометрические места концов этих векторов образуют сферу для обыкновенной волны и эллипсоид для необыкновенной (поверхности показателей преломления).

  В общем случае кристалл может иметь две оптических оси, т. е. два направления, вдоль которых двойное лучепреломление отсутствует. В двуосных кристаллах оба луча, появляющиеся при двойном лучепреломлении, ведут себя, как необыкновенные.

 Двойное лучепреломление объясняется особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах. Электрическое поле световой волны E, проникая в вещество, вызывает вынужденные колебания электронов в атомах и молекулах среды. Колеблющиеся электроны, в свою очередь, являются источником вторичного излучения света. Таким образом, прохождение световой волны через вещество — результат последовательного переизлучения света электронами. В анизотропном веществе колебания электронов легче возбуждаются в некоторых определённых направлениях. Поэтому волны с различной поляризацией будут распространяться в анизотропном веществе с разными скоростями.

  Помимо кристаллов, двойное лучепреломление наблюдается в искусственно анизотропных средах (в стеклах, жидкостях и др.), помещенных в электрическое поле (эффект Керра), в магнитное поле (эффект Коттона — Мутона), под действием механических напряжений (Фотоупругость) и т. п. В этих случаях среда становится оптически анизотропной, причём оптическая ось параллельна направлению электрического поля, магнитного поля и т. п.

V. Компоненты установки для демонстрации передачи информации по оптоволокну. Принцип их действия

1. Модуляция света. Ячейка Керра.

Модуляция света – модуляция колебаний электромагнитного излучения оптического диапазона (видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучений). При модуляции света изменяются амплитуда (и следовательно, интенсивность), фаза, частота или поляризация световых колебаний. В любом из этих случаев в конечном счёте меняется совокупность частот, характеризующая излучение, — его гармонический состав.

Модуляция света позволяет «нагружать» световой поток информацией, которая переносится светом и может быть затем извлечена и использована. В принципе количество информации, которое можно передать, модулируя колебания какого-либо вида, тем больше, чем выше частота этих колебаний (в частности, потому, что с возрастанием частоты модулируемых колебаний — несущей частоты — появляется возможность увеличить ширину полосы частот модулирующих сигналов; частоты модулирующих колебаний должны быть меньше несущей). Частоты видимого света 10¹⁵—10¹⁶ гц, а всего диапазона оптического излучения — от 10¹² до 10²⁰ гц, т. е. значительно выше, чем у других колебаний, модулируемых с целью передачи информации. Это (а также нередко невозможность решить техническую или научную задачу, не используя оптическое излучение) обусловливает важность и перспективность модуляции света.

Простейшими модуляторами света являются механические устройства, позволяющие прерывать на некоторые заданные интервалы времени световой поток. К ним относятся вращающиеся диски с отверстиями (обтюраторы), растры, колеблющиеся или вращающиеся заслонки, зеркала, призмы, а также устройства, в которых происходит управляемое модулирующим (не оптическим) сигналом нарушение оптического контакта.

Механические модуляторы обеспечивают максимальную прозрачность и глубину модуляции, но работают при частотах модулирующего сигнала не свыше 10⁷ гц и не допускают быстрой перестройки частоты (узкополосны).

Наиболее часто для модуляции света используют эффекты, приводящие к изменению преломления показателя оптической среды под действием внешнего поля (модулирующего сигнала), например эффект Керра¹.

Эффект Керра – возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах, например жидкостях и газах, под воздействием однородного электрического поля. Открыт Дж. Керром в 1875. В результате эффекта Керра газ или жидкость в электрическом поле приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль поля.

Объяснение эффекта Керра было дано П. Ланжевеном (1910) и М. Борном (1918). Электрическое поле стремится повернуть молекулы вещества так, чтобы их электрический дипольный момент был направлен вдоль поля Е. Электрическое поле не только ориентирует молекулы, но и создаёт в молекулах дополнительный дипольный момент. Это существенно, например, для инертных газов, атомы которых в отсутствии поля не обладают дипольным моментом. В результате действия поля в веществе возникает определённая ориентация частиц. При этом условия распространения в веществе световых волн, поляризованных вдоль и поперёк поля, оказываются.

Под воздействием внешнего постоянного или переменного электрического поля в среде может наблюдаться двойное лучепреломление, вследствие изменения поляризации вещества. Пусть коэффициент преломления для обыкновенного луча равен n_o, а для необыкновенного — n_e.

Величина двойного лучепреломления прямо пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля: n_e – n_o = B λE² (закон Керра). Где λ — длина волны света в вакууме; B — постоянная Керра, зависящая от природы вещества, длины волны λ₀ и температуры. Отметим, что B > 0 для большинства веществ, т.е. n_e > n_o , что соответствует положительному кристаллу. Правда, встречаются и вещества (гораздо реже), у которых B < 0 , например: этиловый эфир, спирт.

Для жидкостей постоянная Керра имеет порядок (1÷10) пм/В² (1 пм = 10^-12 м). Для газов постоянная значительно меньше, например, у кислорода при нормальных условиях B = 0,45 ∙10^-15 м/В². Связано это с тем, что эффект Керра – молекулярный эффект (определяется непосредственно свойствами молекул) и усиливается с повышением концентрации молекул. Рекордсменом здесь является нитробензол – B = 2.2 ∙10^-10 см/В².

Керра ячейка - электрооптическое устройство, основанное на эффекте Керра, применяемое в качестве оптического затвора или модулятора света. Является наиболее быстродействующим устройством для управления интенсивностью светового потока (скорость срабатывания 10^-9-10^-12 сек). Ячейка Керра состоит из сосуда с прозрачными стенками, заполненного жидкостью, в которой имеет место эффект Кера. В жидкость погружены два электрода, образующие плоский конденсатор. Между электродами проходит световой луч. Сосуд помещается между поляризатором и анализатором света, находящимися в скрещенном положении (рис. 8).



рис 8

В отсутствии электрического поля анализатор не пропускает света. При включении электрического поля в жидкости возникает двойное лучепреломление. В результате этого ячейка Керра становится прозрачной для проходящего света. В зависимости от заполняющей жидкости (применяются жидкости с большой постоянной Керра, например нитробензол) и размеров ячейки максимальная прозрачность достигается при напряжении на электродах U от 3 до 30 кв.

Керра ячейка ранее использовалась в кинематографии для записи звука на звуковую дорожку (тагефон), однако в дальнейшем была вытеснена другими устройствами. Применяется в скоростной фото- и киносъёмках, в оптической телефонии, в оптической локации, геодезических дальномерных устройствах и в схемах управления оптических квантовых генераторов (лазер). Быстродействие Керра ячейка позволяет использовать ее и для измерения скорости света в лабораторных условиях: свет, пройдя Керра ячейка, отражается от зеркала и снова проходит ячейку в обратном направлении с опозданием, обусловленным длиной пути от ячейки до зеркала и обратно. Этот метод имеет историческое значение и эффектен как лекционная демонстрация.

2. Световод

Световод, светопровод, световой волновод, устройство для направленной передачи световой энергии. Использование для этой цели открытых световых пучков в воздушной среде часто неэффективно или невозможно. Передачу на значительные расстояния затрудняет главным образом наличие в атмосфере случайно распределённых неоднородностей, приводящих к отклонению и расхождению пучка. Поэтому применяют световод различных типов. Одним из типов световод является линзовый волновод – система заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях (обычно через 50-100 м) стеклянных линз, которые служат для периодической коррекции волнового фронта светового пучка. В качестве корректоров могут также применяться газовые линзы или зеркала определённой формы. Наиболее перспективный тип световод – стеклянный волоконный световод. Он представляет собой тонкую нить, состоящую из сердцевины радиуса d₁ с показателем преломления n₁, окруженную оболочкой с внешним радиусом d₂, показателем преломления которой n₂1 (рис. 9). При прохождении света по волокну лучи испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине, хотя и сердцевина, и оболочка изготовляются из оптически прозрачного материала.



рис 9

3. Фотодиод

Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд (ЭДС)) называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой изолятора i. P-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.



рис 10 Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Ф — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; R_H — нагрузка.

VI. Рассмотрение установки для демонстрации

передачи информации по оптоволокну

В данном разделе будет рассмотрена установка для демонстрации передачи по оптоволокну с помошью света. Данная установка состоит из:

1. 
   Источника света
   
2. 
   Поляризатора
   
3. 
   Ячейки Керра (или любой другой модулятор света)
   
4. 
   Оптоволокна
   
5. 
   Анализатора
   
6. 
   Фотодиода
   

Вот схема этой установки:



рис 11

В отсутствии электрического поля свет не проходит через анализатор так как угол φ между разрешенными направлениями поляризатора и анализатора равен . Как только мы включаем электрическое поле в ячейке Керра в жидкости возникает двойное лучепреломление, в следствии чего часть света, проходя через ячейку Керра поляризуеться таким образом что угол между плоскостью поляризации света и плоскостью анализатора уже не равен , следовательно часть света попадёт на фотодиод и мы сможем это зафиксировать (например, если включим фотодиод в цепь с лампочкой). При прохождении света через оптоволокно интенсивность света не изменяеться так как у внешнего слоя оптоволокна показатель преломления света меньше чем у внутреннего (подробнее строение оптоволокна разобрано в главе «Световод»), следовательно при прохождении света по волокну лучи испытывают полное внутреннее отражение и интенсивность света не изменяеться.

Данный принцип передачи информации используеться и в более серьёзных, например компьютерных, сетях.

VII. Заключение

В процессе написания реферата я узнал много нового из такого раздела физики как оптика. Так как изучение оптоволокна не входит в школьную программу, я думаю, мой реферат может послужить хорошим дополнением для изучения данной темы на элективных курсах.

Помимо написания реферата целью моей работы так же являлось создание демонстрационной установки, но по стечению некоторых обстоятелств данная цель не была полностью выполнена. В рамках продолжения данной исследовательской работы возможно создание данной установки и применение её на элективных курсах в гимназии.

VIII. Список литературы:

1. 
   Бабичев А. П., Бабушкина Н. А., Братковский А. М. и др.;под ред. Григорьева И. С., Мейлихова Е. З. М.: Энергоатомиздат, Физические величины: Справочник. 1991, — 1232 с — ISBN 5-28304013-5
   
2. 
   Вафиади В. Г., Попов Ю. В., Скорость света и ее значение в науке и технике, Минск, 1970;
   
3. 
   Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М. — Л., 1951;
   
4. 
   Волькенштейн М. В., Строение и физические свойства молекул, М., 1955;
   
5. 
   Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. «Физика: Учеб. для 11 кл. сред. шк. – 2-е изд., дораб. – М.: Просвещение, 1993. – 254 с.: ил.
   
6. 
   Поль Р. В., Оптика и атомная физика, пер. с нем. , М. , 1966.
   
7. 
   Розенберг Г. В., Скорость света в вакууме, «Успехи физических наук», 1952, т. 48, в. 4;
   
8. 
   Савельев И. В. «Курс общей физики, том III. Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц.», Издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, М., 1971.
   
9. 
   Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Издание 3-е, стереотипное. — М.: Физматлит, МФТИ, 2002. — Т. IV. Оптика. — 792 с. — ISBN 5-9221-0228-1
   
10. 
    Соколов А. В., О магнетооптических явлениях в ферромагнетиках, «Успехи физических наук», 1953, т. 50, в. 2, с. 161;
    
11. 
    Соколов А. В., Оптические свойства металлов, М., 1961.
    
12. 
    Тейлор Б. Н., Паркер В., Лангенберг Д., Фундаментальные константы и квантовая электродинамика, пер. с англ., М., 1972;
    
13. 
    Щепина Н. С. «Основы светотехники: Учебник для техникумов.» – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 344 с.: ил.
    

1 Анизотропи́я (от греч. ánisos — неравный и trópos — направление) — неодинаковость физических (физико-химических) свойств среды (например, упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука и др.) по различным направлениям внутри этой среды (в противоположность изотропии).

1 Керра эффект, Кeppa явление, возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах, например жидкостях и газах, под воздействием однородного электрического поля. Открыт Дж. Керром в 1875.

Двойное лучепреломление – расщепление пучка света в анизотропной среде (например, в кристалле) на два слагающих, распространяющихся с разными скоростями и поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.