Министерство образования Российской Федерации
Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского

"УТВЕРЖДАЮ"
Декан радиофизического факультета
профессор ___________ С.Н.Гурбатов

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
курса
"ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ"
для направления подготовки 511500 - Радиофизика
(цикл общепрофессиональных дисциплин магистерской подготовки)
Н.Новгород - 2001

1. Организационно-методический раздел.

    Курс "Волоконно-оптические системы" является продолжением теоретических курсов "Квантовая радиофизика" и "Распространение электромагнитных волн", читаемых в системе подготовки бакалавра физических наук и специалиста по радиофизике. В данном курсе рассмотрены основные вопросы, связанные с современной элементной базы волоконной оптики и применения оптических волокон в системах радиофизических измерений и передачи информации.
    Цель курса - сформировать у студента современное представление об основных физических принципах построения различных волоконно-оптических устройств, о современной элементной базе, применяемой в волоконной технике, а также об особенностях распространения оптических электромагнитных волн в различных волоконно-оптических конфигурациях.
    Большое внимание в курсе уделено сопутствующему математическому описанию указанных явлений и систем на базе электродинамической модели распространения волн и их использованию для расчета основных характеристик волоконно-оптических устройств.

2. Содержание курса.

I. ВВЕДЕНИЕ.

Волоконная оптика в условиях современного НТП. История проблемы. Основные преимущества волоконно-оптических систем.

II. ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН В СВЕТОВОДАХ

Постановка задачи. Ввод оптического излучения в волокно. Понятие числовой апертуры. Распространение оптических волн в волоконном световоде (ВС) в приближении геометрической оптики. Основные типы световодов, их геометрические и технологические особенности. Волновая модель распространения электромагнитных волн в ВС. Волновое уравнение для цилиндрического волновода. Модовая структура полей в ВС. Дисперсионное уравнение и дисперсионные характеристики ВС. Условие отсечки мод. Одномодовый световод. Материальная дисперсия в волокне. Оценки величин. Волноводная дисперсия в ВС. Сравнение влияния разных дисперсионных механизмов на расплывание волнового пакета в ВС. Физические причины затухания в волокнах. Рэлеевское рассеяние в волокне. Количественные оценки уровня оптических потерь в ВС.

III. ОСНОВЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ.

Общая структура волоконно-оптического канала связи. Элементная база волоконно-оптического канала передачи информации. Источники оптического излучения в волоконной технике. Физические механизмы излучательной рекомбинации в полупроводниках. Инфракрасные светодиоды, их конструкция и рабочие характеристики. Согласование светодиодов с апертурой ВС. Модуляционная характеристика светодиода. Полупроводниковый инжекционный лазер, его особенности. Структуры полупроводниковых лазеров, применяемых в оптоэлектронных системах. Характеристики инжекционных лазеров. Модуляционные свойства. Перспективы и границы применения полупроводниковых инжекционных лазеров в волоконной оптике. Согласование источника излучения и волоконно-оптического канала. Постановка задачи. Общие принципы совместимости планарных волноводов и ВС. Методы согласования волноводной апертуры инжекционного лазера и ВС. Понятие фотона. Согласование одномодовых волноводных структур. Влияние нерегулярностей на эффективность согласования волноводных структур. Элементы связи как причина избыточных шумов в волоконно-оптических линиях связи. Фотоприемники в волоконной технике. Типы, общие особенности. Быстродействие и чувствительность ИК-фотодиодов. Физические основы когерентной волоконно-оптической связи. Преимущества и перспективы когерентной связи. Спектральное уплотнение каналов оптической связи.

IV. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Общее понятие о волоконно-оптических (ВО) датчиках. Основные типы измерительных ВО систем. ВО датчики с амплитудным преобразованием (температурные датчики, датчики смещения, рефрактометрические преобразователи). Датчики с волокном в качестве канала передачи информации. Поляризационные методы обработки информации. Электрооптические эффекты в волокнах. Волокна с двойным лучепреломлением. Влияние внешних воздействий на фазу излучения в ВС. Принципы построения поляризационных и фазовых ВО датчиков.

V. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ

Измерительные фазовые системы на основе волоконных интерферометров (ВОИ). Характерные схемы ВОИ и их особенности. ВОИ Фабри-Перо. Формирование выходного сигнала в ВОИ. Гетеродинный прием сигнала. Проблема снижения шумов в интерферометрических схемах измерения. Методы снижения избыточных шумов и устранения дрейфа рабочей точки в волоконных схемах. Эффект Саньяка и его использование в ВО датчиках. ВО гироскоп и его предельная чувствительность. Проблемы детектирования сигнала в ВО гироскопе.

VI. ДРУГИЕ СИСТЕМЫ ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ.

Активные волокна. Волоконный лазер. Резонансный волоконный усилитель. Волоконно-оптические системы сбора данных и обработки информации. Новые технологии в волоконной оптике.

4. Формы текущего, промежуточного и итогового контроля.

Итоговый контроль: зачет (экзамен)в конце 9-го семестра.

5. Учебно-методическое обеспечение курса.

5.1. Рекомендуемая литература (основная).

1. Адамс М. Введение в теорию оптических волноводов М. "Мир", 1984г.
2. Гауер Дж. Оптические системы связи М., 1989г.
3. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи М. "Радио и связь", 1990г.
4. Полупроводниковые инжекционные лазеры / Под ред. У.Тсанга - М. "Радио и связь", 1990г.
5. Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп М. "Радио и связь", 1987г.

Составитель программы:
доцент Маругин А.В