Распространение оптических волн в комплексных и периодических средах

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные системы связи уже немыслимы без применения оптических устройств, осуществляющих наиболее быструю передачу и прием больших массивов данных. Оптические технологии выходят из стен лабораторий и завоевывают все большее коммерческое признание. Продвижение вверх по частоте для оптоэлектронных устройств обработки информации происходит по закону Мура с удвоением каждые полтора года. Однако в последние годы наметилось отклонение от линейного закона развития систем связи в сторону замедления, связанное с необходимостью поиска новых фундаментальных решений. Эти решения лежат в области поиска новых сред для систем связи и разработки новых устройств на их основе. С другой стороны, для оптических устройств характерно также движение в обратную строну (вверх по длине волны), от видимого диапазона в ближнюю область ИК диапазона и даже СВЧ диапазон при демультиплексировании сигналов. Все эти тенденции развития оптоэлектронных систем связи основаны на трех «китах»: материаловедении, физике волновых процессов в комплексных и периодических средах и приборостроении.

В данном учебном пособии авторы постарались отразить эти современные тенденции развития оптоэлектронных устройств. При этом отражены как известные методы и подходы в построении устройств оптической связи, так и новые, изложенные пока только в периодической печати.

Учебное пособие написано на основе курса лекций, читаемого студентам старших курсов, проходящих подготовку на филиале кафедры радиотехники в институте радиотехники и электроники РАН (саратовский филиал) по дисциплине СД.02 «Волоконно-оптические линии связи» для специальности «Многоканальные телекоммуникационные системы» (210404). Главы 1 и 3 написаны Козиной О.Н. и Ушаковым Н.М., глава 2 – Коломейцевым В.А., Комаровым В.В., главы 4 и 5 - Ушаковым Н.М. Авторы несут консолидированную ответственность за отбор материала и форму изложения.

Авторы выражают признательность рецензентам книги, замечания и пожелания которых способствовали улучшению содержания книги и формы изложения материала.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН В КОМПЛЕКСНЫХ И ПЕРИОДИЧЕСКИХ СРЕДАХ

В данной главе мы рассмотрим оптические волны в виде бегущих электромагнитных полей, описываемых уравнениями Максвелла во временной и пространственной форме. Исходя из уравнений Максвелла и линейных соотношений между поляризацией P среды и электрическим полем E, между намагниченностью среды M и напряженностью магнитного поля H будет получено волновое уравнение и известные решения в виде плоских волн. Наряду с понятием круговой частоты гармонического сигнала будет введено понятие его пространственной частоты. Для линейной среды мы рассмотрим законы сохранения энергии и импульса. На основании теоремы Умова-Пойтинга введем понятия плотности энергии электромагнитного поля и плотности потока мощности. Мы рассмотрим запись гармонических волн в комплексной векторной и скалярной форме и покажем, что в общем случае гармонические поля имеют эллиптическую поляризацию.

Следующим нашим шагом будет изучение уравнений Максвелла в комплексной форме. В этой форме линейная среда имеет временную дисперсию. При этом, диэлектрическая константа и магнитная проницаемость функционально зависимы от круговой частоты ω. Рассматривая распространение пакета волн в среде, будет обосновано введение понятия групповой скорости. Пространственное положение плоскости колебания вектора электрического поля определяет поляризацию волны. В главе рассмотрены разные методы интерпретации поляризованного света, в частности, с помощью вектора Джонса. Особенности распространения света в периодических структурах будут рассмотрены с использованием преобразования Фурье и волнового уравнения в форме Матье. Приведены основы теоретического анализа распространения волн в периодических структурах и разные приложения.