Общие физические принципы передачи сигналов по волокну

1. Анастази А. Психологическое тестирование. т. 1-2, М., 1982.
2. Бажин Е.Ф., Эткинд А.М. Цветовой тест отношений (ЦТО). Методические рекомендации. Л., 1985. 18 с.
3. Базыма Б.А. Исследование отношения к цвету как метода в диагностике эмоциональных нарушений при шизофрении. Диссертация и автореферат на соискание ученой степени кандидата психологических наук. Ленинград, 1991.
4. Блейхер В.М., Крук И.В. Патопсихологическая диагностика. Киев, 1986. 280 с.
5. Бразман М.Э., Дорофеева Э.Т., Щербатов В.А. О дифференциации некоторых эмоциональных состояний методом измерения цветовой чувствительности. //Проблемы моделирования психической деятельности. Новосибирск, 1967. с. 171-174.
6. Бурлачук Л.Ф., Морозов С.М. Словарь-справочник по психологической диагностике. Киев, 1989. 200 с.
7. Дашков И.М., Устинович Е.А. Экспериментальные исследования валидности шкалы субъективного предпочтения цвета (тест Люшера). //Проблемы моделирования. Диагностика психических состояний в норме и патологии. Л., 1980. с. 115-126.
8. Дорофеева Э.Т. О возможных критериях распознавания эмоциональных состояний. //Проблемы моделирования психической деятельности. Новосибирск, 1968. вып. 2. с. 279-280.
9. Дорофеева Э.Т., Карпинский А.М., Случевский Ф.И., Щербатов Б.А. Некоторые пути объективных дифференцировок особенностей эмоционального фона при различных психопатологических состояниях. //Актуальные вопросы клинической психопатологии и лечения душевных болезней. Л., 1969. с. 47-52.
10. Дорофеева Э.Т. Сдвиги цветовой чувствительности как индикатор эмоциональных состояний. //Психические заболевания. Л., 1970. с. 319-326.
11. Дорофеева Э.Т., Постников В.А., Плишко Н.К. и др. К проблеме объективации клинических картин психологическими методами исследований. //Психология и медицина. М., 1978. с. 82-88.
12. Кравков С.В. Цветовое зрение. М., 1951.
13. Люшер М. Сигналы личности. Воронеж, 1993. 160 с.
14. Магия цвета. Харьков. 1996.
15. Марищук В.Л., Блудов Ю.М., Плахтиенко Г.А. и др. Методы психодиагностики в спорте. М., 1984. 192 с.
16. Плишко Н.К. Особенности сенсомотрных реакций при изменении эмоционального состояния. //Диагностика психического состояния в норме и патологии. Л., 1980. с. 126-134.
17. Плишко Н.К. О некоторых особенностях выбора цветов и сенсомоторных реакциях на световые стимулы различной модальности при изменении эмоционального состояния. //Диагностика психического состояния в норме и патологии. Л., 1980. с. 135-140.
18. Руденко В.Е. Цвет — эмоции — личность. //Диагностика психических состояний в норме и патологии. Л., 1980. с. 107-115.
19. Румянцева А.Н. Экспериментальная проверка методики исследования индивидуального предпочтения цвета. //Вестник МГУ. М., 1986. серия 14. «Психология». N 1. с. 67-69.
20. Соловьева Е.А., Тутушкина М.К. Психосемиотический подход к проблеме цвета в практической психологии. //Актуальные проблемы современной психологии (Материалы научных чтений, посвященных 60-летию Харьковской психологической школы). Харьков, 1993. с. 429-432.
21. Урванцев Л.П. Психология восприятия цвета. Методическое пособие. Ярославль, 1981. 65 с.
22. Шварц Л.А. Изменения цветоощущения в эмоциональных состояниях. //Проблемы физиологической оптики. М, 1948. т. 6. с. 314-320.
23. Эткинд А.М. Цветовой тест отношений и его применение в исследовании больных неврозами. //Социально-психологические исследования в психоневрологии. Л., 1980. с. 110-114.
24. Эткинд А.М. Разработка медико-психологических методов исследования эмоциональных компонентов отношений и их применение в изучении неврозов и аффективных расстройств. Диссертация и автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата психологических наук. Л., 1985.
25. Эткинд А.М. Цветовой тест отношений. //Общая психодиагностика. М., 1987. с. 221-227.
26. Bassano J.L. Le test des cuuleurs de Luscher dans le profil de descriptears de la personalite psyschosomatique. Psuchol. med., 1977, v. 9-10, p. 1951-1960.
27. Berlin B., Kay P. Basic Color Terms. Berkeley, 1969.
28. Bunham R.W., Hanes R.M., Bartleson C.J. Color: A guide to basic facts and concepts. — N.Y., 1963.
29. Luscher M. Psychologie der Farben. Basel, 1949.
30. Luscher M. Psychologie und Psychotherapie als Kultur. Basel, 1955.
31. Luscher M. The Luscher color test. — L., 1970.
32. Meili R. Lehrbuch der psycholodischen diagnostik. — Bern: Huber Verlog, 1961, 465 s.
33. Nakano M., Jap N. Psychol., 1972. 43(1), 22.
34. Rachman S. Neuzosen-Ursachen und heilmethoden — Berlin: Deutsch. Verlogd. Wissenschaften, 1968. 290 s.
35. Stolper J.H. Color induced physiological response. — Man-En-viron. Syst., 1977. v. 7, n. 2. p. 101-108.

• Серый
  Если вы предпочитаете серый цвет - вы сознательно отгораживаетесь от внешних воздействий, чтобы сохранить идеальный покой и внутреннюю стабильность. Если серый цвет для вас на последнем месте - вы - особа, скорее, агрессивная, очень деятельная и увлеченная. Вы стремитесь к ярким впечатлениям.
• Голубой
  Голубой цвет - это символ впечатлительности, привязанности, верности. Тот, кто поставил его на первое место, в минуты неудач легко впадает в уныние. Если вы решительно отбрасываете голубой цвет, то это означает внутреннее беспокойство и желание перемен, которые помогут избавиться от депрессии и пассивности.
• Зеленый
  Тот, кто поставил этот цвет на первое место, прямолинеен, обнаруживает тенденцию к идеализации самого себя, одновременно имея склонность "насильно улучшать других". Человек, решительно отбросивший зеленый цвет, часто жалуется на то, что окружающие слишком многого от него требуют.
• Красный
  Если вы помещаете красный цвет на первое место, значит, хотите интенсифицировать свои эмоциональные ощущения. Все, кто исключает красный цвет, делают это в основном потому, что ощущают неприязнь к агрессивности.
• Желтый
  Тот, кто помещает желтый цвет на первое место, обнаруживает стремление к независимости и надежду на счастливую жизнь. Противникам этого цвета не хватает стабильности и психологической самостоятельности.
• Фиолетовый
  Тот, кто любит фиолетовый цвет, создает вокруг себя атмосферу гармонии и согласия, однако нередко колеблется, принимая решения. Тот, кто помещает фиолетовый цвет на последнее место, высказывает бессознательную тоску по чувственным переживаниям.
• Коричневый
  Как любимый цвет, он означает сильную потребность в отдыхе и расслаблении. Как нелюбимый цвет он означает то, что вы решительно отбрасываете всякую повседневность и рутину.
• Черный
  Тот, кто помещает черный цвет на первое место, часто терпит поражения в поединках с судьбой. Если вы помещаете черный цвет на последнее место, вы не собираетесь ни от чего отказываться, но тем самым рискуете, ожидая от жизни слишком многого.

Общие физические принципы передачи сигналов по волокну

1.1. Строение волокна

Рис.1.1. Строение волокна

Современное волокно имеет двухслойную структуру: сердцевину диаметром от нескольких до нескольких десятков микрометров и внешний слой диаметром 125 мкм и более (рис.1.1). Как будет показано ниже, для нормальной передачи сигналов коэффициент преломления сердцевины должен быть больше коэффициента преломления внешнего слоя: n₁ > n₂. В русской литературе для обозначения внешнего слоя сложилось название “оболочка”, хотя на самом деле поверх двухслойного стекла имеется ещё несколько покрытий, которые являются настоящей изолирующей оболочкой. В англоязычной литературе наружный слой стекла обозначается термином “cladding” (“кладка”).

Коэффициент преломления в волокне может меняться скачком при переходе границы

между оболочкой и сердцевиной, и такое волокно называется ступенчатым. Если коэффициент преломления в сердцевине не остаётся постоянным, а изменяется плавно, например, по параболе, то такое волокно называется градиентным (рис.1.2).

Рис.1.2. Профиль показателя преломления

Коэффициент преломления определяется из формулы

n = (εμ)^1/2,

где ε и μ – относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости материала волокна. Так как для стекла μ = 1, то n = ε^1/2.

1.2. Апертура волокна

Свет, входя в волокно с торца под некоторым углом, внутри волокна испытывает

отражение и преломление (рис.1.3).

Рис.1.3. Вход света в волокно под разными углами

Рассмотрим, например, ход луча 1. Под углом φ к вертикали луч подходит к границе между сердцевиной и оболочкой, где часть света преломляется под углом ψ и переходит в оболочку, а часть отражается и остаётся в сердцевине. Если мы уменьшим угол θ между лучом и осью волокна (луч 2), то угол ψ возрастёт, и преломленный луч будет распространяться ближе к поверхности сердцевины. Ещё больше угол ψ будет в случае 3, и преломленный луч в оболочке будет распространяться почти параллельно поверхности сердцевины. При дальнейшем уменьшении угла входа θ до θ = θ_кр наступит момент, когда угол преломления ψ = 90º, и преломленный луч будет распространяться вдоль поверхности сердцевины и не заходить в оболочку. С этого момента при θ < θ_кр лучи вообще не будут выходить в оболочку и распространяться только по сердцевине. Наступает режим полного внутреннего отражения. Этот угол θ_кр называется апертурным углом или просто апертурой волокна. Определим величину этого угла.

Из закона Снелля следует:

sin θ / sin (90 – φ) = n₁ / n₀ ; sin θ = sin (90-φ)∙ (n₁ / n₀) == cos φ ∙ (n₁ / n₀) .

sin φ / sin ψ = n₂ / n₁ ; sin φ = sin ψ ∙ (n₂/ n₁) .

Если имеем полное внутреннее отражение, то ψ = 90 º и sin ψ = 1, тогда sin φ = n₂ /n₁ , a cos φ = (n₁² - n₂² )^1/2 / n₁ , откуда

sin θ _кр = (n₁ / n₀ ) ∙ (n₁² - n₂² )^1/2 / n₁ = (n₁² - n₂² )^1/2 . Так как этот угол маленький, то

θ_кр ≈ sin θ_кр = (n₁² - n₂² )^1/2 = NA (Number Aperture – числовая апертура).

Если луч вводится под углом, меньшим θ_кр , то внутри волокна существует режим полного внутреннего отражения, и луч полностью распространяется по сердцевине волокна, ничего наружу не выходит, при этом апертура волокна равна

NA = (n₁² - n₂² )^1/2 .

1.3. Понятие о дисперсии

При распространении по волокну сигнал испытывает затухание и растяжение (рис.4).

Рис.1.4. Затухание и растяжение сигнала при распространении по волокну

Если на входе в волокно мы имеем прямоугольный импульс, то после пробега некоторого расстояния на выходе имеем колоколообразный импульс, длительность которого обычно определяют на уровне 0.5.

Величина τ = называется дисперсией сигнала в волокне. Практически это означает растяжение сигнала после его прохождения по волокну. Дисперсия имеет очень большое значение, поскольку ограничивает скорость передачи сигналов (рис.1.5).

Рис.1.5. Деформация серии сигналов при распространении по волокну

При большой скорости (частоте) передачи сигналов в результате дисперсии сигналы начинают сливаться, и передача с частотой свыше, чем 1/τ невозможна.

1.4. Распространение света по волокну

Распространение лучей света по ступенчатому и градиентному волокнам показано на рис.1.6 и 1.7. Будем считать, что оба луча на этих рисунках испытывают полное внутренне отражение. Два луча выходят из одной точки расширяющимся конусом и под разными углами входят в торец волокна. Какой из них на рис.1.6 придёт к выходу раньше?

Рис.1.6. Распространение света по ступенчатому волокну

В ступенчатом волокне скорость лучей в сердцевине одинакова и равна v = c /n₁, где с- скорость света в вакууме. Так как луч 1 проходит по более короткому пути, то он к выходу доберётся первым; луч 2 придёт позже, и возникнет дисперсия сигнала. Рассмотрим теперь рис.7: те же два луча распространяются по градиентному волокну. Так как коэффициент преломления в сердцевине градиентного волокна непрерывно изменяется, то лучи испытывают непрерывное отклонение. При этом луч 1 идёт

Рис.1.7. Распространение света по градиентному волокну

вблизи сердцевины, где коэффициент преломления примерно равен n₁, а скорость распространения v₁ = c/n₁ . Луч 2 идёт больше по периферии волокна ближе к краю, где коэффициент преломления равен n₂ , а скорость распространения v₂ ≈ c/n₂ . Луч 1 идёт по короткому пути, зато скорость его распространения меньше, в то время как луч 2 идёт по более длинному пути, но с большей скоростью, так как n₁ > n₂ . В результате оба луча к выходу приходят примерно одновременно, и дисперсия в градиентном волокне существенно меньше, чем при том же сечении в ступенчатом волокне.

1.5. Понятие о моде.

Световая волна в пространстве имеет определённую длину волны, в пределах которой изменяются векторы электрического и магнитного поля. Волна может иметь различные размеры и форму, а так же различным образом ориентирована по отношению к выбранной системе координат среды распространения, то есть поляризована. Возможно также различное соотношение между длиной волны и поперечными размерами среды распространения. Свет в сердцевине волокна может распространяться только под определёнными углами, когда введённые волны при их сложении усиливаются, и возникает так называемая конструктивная интерференция. Тип волны, характеризуемый определённой пространственной и временной структурой, который может распространяться в оптическом волокне, называется модой. Математически разрешённые моды могут быть получены с помощью решений уравнений Максвелла для оптического волокна с учётом граничных условий. Можно сказать также, что мода – это собственная волна, имеющая поперечное распределение поля независимо от направления распространения. В случае волокна простейшей модой является волна с продольными линиями электрического поля, расположенными вдоль волокна (рис.1.8) и линиями магнитного поля, которые представляют собой концентрические окружности в сечении волокна.

Рис.1.8. Простейший случай размещения моды в волокне

Линии электрического поля вдоль волокна показаны пунктиром. С торца волокна линии электрического поля представляют собой линии, направленные в данном случае к оси волокна. Магнитные силовые линии в сечении этой моды представляют собой концентрические окружности (на чертеже не показаны). На рис.1.8 показано так же, как изменяется в этом случае величина электрического поля вдоль сечения волокна. Это пример волны, в котором электрическое поле продольно, а магнитное поперечно. Но может быть и наоборот, когда магнитное поле продольно, а электрическое поле поперечно. В сечении может размещаться несколько периодов (см., например, рис.1.9), и волна может быть (в большинстве случаев) гибридной, когда имеются и продольные и поперечные составляющие и электрического и магнитного полей.

Рис.1.9. Пример моды.

Важно отметить, что количество полупериодов, размещающихся в сечении волокна, должно быть целым. Не может существовать мода с не целым числом полупериодов в сечении волокна. Такая мода распадётся на моды с меньшей величиной полупериода. Обычно в волокне могут существовать множество мод. Если уменьшать диаметр волокна, то можно прийти к такому размеру, когда в волокне останется только одна мода с данной длиной волны. Такое волокно называется одномодовым.

1.6. Типы волокна.

Таким образом, по профилю коэффициента преломления существуют три основных типа волокна: ступенчатое, градиентное и одномодовое. Профили показателя преломления ступенчатого и градиентного волокон показаны на рис.1.2. Ход кривой показателя преломления градиентного волокна обычно представляет собой параболу. Диаметр сердцевины многомодовых ступенчатого и градиентного волокон равен 50 мкм, а полный диаметр волокна 125 мкм. Стандарты допускают также изготовление многомодовых волокон с диаметром сердцевины 65 мкм. Одномодовое волокно в своём классическом варианте является ступенчатым волокном, но диаметр сердцевины порядка 10 мкм. Одномодовое волокно обладает существенно меньшей дисперсией даже по сравнению с градиентным волокном, о чём будет рассказано в следующем разделе. Стандарты допускают изготовление волокон с другими параметрами для ряда специфических случаев, например, оптических систем летательных аппаратов и т.п. О некоторых других типах волокон, в частности, о волокнах из полимеров, халькогенидных стёклах и фотонно-кристаллических будет рассказано позже.