Дисперсионное уширение луча в волоконном световоде.

Фазовая скорость – распространение фазы

Групповая скорость – распространение пакета

Если говорить о синусоиде, то фазовая скорость – скорость изменения фазы

Фазовая скорость не зависит от дисперсионных характеристик материала.

Групповая скорость – движение от пика.

. ВеличинаNсвязана с тем, что в среде, в зависимости от длины волны, скорость разная.

Любой источник (даже лазерный) обладает некоторым частотным излучением, т.е. шириной волн.

Лазерные источники: Остальные источники:

- когда среда дисперсионная

Из соотношения следует, что:

связана с уширением

- это связано с дисперсионным соотношением

В градиентных волокнах, у которых показатель преломления меняется по определенному закону, луч постепенно меняет свою траекторию.

За счет того, что на краях показатель преломления меньше, чем в центре, на краях скорость будет выше, чем в центре. Если показатель преломления рассчитать правильно, то временной путь с центром будет один.

энергия потерь.

С участков забирается только часть энергии Ф

вся вышедшая энергия

Ф – энергия, вышедшая в смещенное волокно.

;

Найдем

ЕслиS=0– потерь нет

Разъединение на потери влияет меньше, чем поперечное смещение.

Источники энергии для волоконно-оптических линий связи.

Источниками энергии для волоконно- оптических линий связи служат полупроводниковые приборы. Под воздействием электрического поля эти приборы начинают излучать световую энергию. Излучение может быть спонтанным, вынужденным.

Существует так называемая зонная структура, которая состоит из двух зон: зона проводимости и валентная зона. Расстояние между двумя зонами называется запрещенной зоной.

Любой материал обладает спектром энергетических уровней.

Полупроводники отличаются от проводников и диэлектриков тем, что у них есть доля свободных электронов. Под действием поля электроны перескакивают из одного атома в другой. В валентной зоне – связанные электроны. Полупроводники бывают двух типов: n- иp- типа.

Лазерные источники. Принцип построения лазерного источника.

Любой атом обладает определенными энергетическими уровнями. Спектр уровней – дискретный. Существуют орбиты, с радиусом константа, связанные с некоторым электроном. Энергия электрона образует полную энергию атомов.

Чтобы разрушить ядро нужна большая энергия.

Электроны на ближнем уровне при энергии равной энергии на втором уровне переходят на второй уровень скачками.

Больцмановское распределение

N=Nexp(-E/ kT),k- постоянная Больцмана,N- количество атомов.

Теория Бора: Если происходит переход с низкого уровня на более высокий, то атом поглощает энергию. Если же атом переходит с высокого уровня на низкий, то энергия освобождается.

Теория Эйнштейна: Е- Е=hν, h – постоянная Планка (энергия единичного фотона).

Атомы находятся в постоянном движении. Если посчитать все молекулы с определенной скоростью, то получится что существует некое распределение. На нижнем энергетическом уровне самое большое количество атомов.

Любое тело подчиняется этому распределению. Тело самопроизвольно не излучает. Чтобы тело излучало само надо создать инверсную населенность. Но простым вкачиванием энергии создать её не возможно. У инверсной населенности кривая распределения обратно кривой распределения Больцмана.

Состояние с отрицательной температурой у атома есть время жизни на каждом уровне.

Физики сделал следующие: между некоторыми уровнями создали такое соотношение – атомы с низких уровней перескакивали на более высокие. Если мы создадим такие условия то это и будет инверсной населенностью. Также сделаем так , чтобы время жизни более низкого уровня будет меньше, чем время жизни на более высоком уровне. Тогда между энергетическими уровнями возникает излучение. Тело будет излучать. Величина этой энергии будет определятся соотношением:

Е- Е=hν, ν=1/T= c/λ

Чтобы поддержать это состояние, чтобы сделать вынужденное излучение, надо сделать соответствующую инверсную населенность и поместить тело в обратную среду.

Создается резонатор. Он будет усиливать волны. Основным недостатком всех лазеров является маленькая КПД.

Одно из зеркал должно быть полупрозрачны, а другое обычным. В этом резонаторе все моды синхронизированы и происходит удлинение пакета.

Для полупроводников действует другая схема. В полупроводниках существует зонная структура, но все же существует запрещенная зона. Используя запрещенную зону в полупроводнике создается инверсная населенность. Полупроводниковые лазеры обладают самым большим КПД. От разных полупроводников можно получить разное свечение. Существует два способа излучения:

• Электрозатратный;

• Полупроводники p- иn- типа.

Зонная структуру:

• n-типа: большое количество свободных электронов

• p-типа: очень мало свободных электронов.

В обычных полупроводниках уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны и характеризуется средней энергией свободных электронов.

р – типа: уровень Ферми приближается к валентной зоне

n- типа: уровень Ферми приближается к зоне проводимости.

Если соединяются два таких полупроводника возникает электрический ток. Возникает барьерU.

Если уровень Ферми смещается ниже уровня валентной зоны, то образуются дырки. Для использования полупроводников как лазерных источников, берется кристалл и на него осуществляется бомбардировка.

Энергия электронов должна быть достаточной чтобы перебросить электроны в зону проводимости. Полупроводники начинает излучать. Происходит излучение на частоте

hν=Е-Е. Чтобы поток излучения был однородным, надо чтобы кристаллы были однородными.

Схема накачки:

• поперечная

• продольная

1. поперечная.

Слой излучает во всех направлениях. На выходе получается мощное, усиленное излучение. Слой возбуждения составляет несколько микрон. Иногда бомбадирюущую поверхность покрывают металлическим покрытием, но так чтобы все электроны проходили. Таким образом увеличивая энергию можно увеличить слой возбуждения. Но всему есть предел.

Такой способ называется поперечным способом возбуждения.

Нельзя ли сделать так чтобы излучение шло вверх? Можно, но основная масса излучения будет сбрасываться в бок.

θ≈λ∕D – угловое расхождение.

Поперечная накачка неэффективна с точки зрения потерь энергии.

2. п

   hν

   родольная.

е

Разбиваем на кристаллы с небольшим объемом. Луч света не успевает усиливаться. Тогда энергия излучения пойдет вверх – это продольная накачка. Это направленный мощный источник излучения.

Такие схемы использовались для создания первых полупроводниковых лазеров. Обладают высоким КПД ≈ 30 %.

Инжекционные системы.

, , /E/=q / r

U =

Средняя энергия и потенциал сравнимы. Часть электронов из nпереходит в р, но некоторые возвращаются назад. Образуется запорный слой.

Если к полупроводнику подключить батарею, то поле будет направленно от + к -. Происходит смещение системы – обратное включение.

Если поле направленно в другую сторону от – к +, то система будет смещаться вниз. При снятииU(выравнивание двух проводников) все электроны, перебегая изnв р излучают излучениеhν.

КПД такой системы ≈100% (по теории).

Это инжекционный метод накачки. Для вынужденного излучения полупроводники необходимо синхронизировать.

Все полупроводники обладают малой инерционностью.