Структура

Оптическим сигналом называют световую волну, несущую определенную информацию. Особенностью световой волны по сравнению с радиоволной является то, что вследствие малой длины волны в ней может быть практически осуществлена передача, прием и обработка сигналов, модулированных не только по времени, но и по пространственным координатам. Это позволяет значительно увеличить объем вносимой в оптический сигнал информации.

Таким образом, оптический сигнал в общем случае является функцией четырех переменных: трех пространственных координат (x, у, z) и времени (t). Рассмотрим его математическое описание.

Электромагнитная волна представляет собой изменение во времени в каждой точке пространства электрического и магнитного полей, которые связаны между собой по закону индукции. Изменение магнитного поля создает переменное электрическое поле, которое в свою очередь порождает переменное магнитное поле. Электромагнитная волна распространяется в пространстве от одной точки к другой. Она характеризуется взаимно перпендикулярными векторами напряженностей электрического E и магнитного H полей, которые изменяются во времени по одному и тому же гармоническому закону:

(1)

Световую волну можно представить с помощью электрического либо магнитного поля. В оптике чаще всего для этой цели используют электрическое поле, поскольку оно играет более важную роль. Например, в оптической голографии в результате действия электрического поля можно получать голограммы. Поэтому в дальнейшем будем считать, что (1) описывает электрическое поле световой волны. В этом случае R(x, y, z) -единичный вектор, определяющий прямую, вдоль которой совершается колебание электрического поля в точке пространства с координатами (x, y, z) характеризует плоскость поляризации в данной точке. Функция U(x, y, z, t)- скалярная функция координат пространства и времени, численно равная мгновенному значению модуля вектора напряженности электрического поля E(x, y, z, t); A(x, y, z)-амплитуда колебания напряженности электрического поля в точке (x, y, z); n- частота колебаний; j (x, y, z)-фаза световой волны в точке пространства с координатами (x, y, z). Начальную фазу можно принять равной нулю в любой произвольной точке пространства. Тогда функция координат j (x, y, z) будет характеризовать разность фаз напряженности в этой точке и точке (x, y, z). Кроме того, параметры n=const; R(x, y, z),A(x, y, z), j (x, y, z) не зависят от времени t, так как рассматриваются только когерентные волны, а модуляция осуществляется по пространственным координатам.

Из (1) следует скалярная форма записи световой волны:

(2)

Обычно используют комплексную форму записи, которая является наиболее удобной для выполнения математических операций и преобразований. Тогда (2) можно представить в комплексной форме:

(3)

Величину

(4)

называют комплексной амплитудой. Она описывает пространственное распределение амплитуд A(x, y, z)и фаз j (x, y, z) световой волны и является важной характеристикой монохроматической волны. Временной множитель exp(i2pnt), являющийся гармонической функцией времени, обычно опускают. Он может быть введен, если это необходимо, на любом этапе преобразований. Поэтому в дальнейшем оптический сигнал будем представлять в виде (4). Таким образом, основными характеристиками световой волны являются амплитуда A(x, y, z), фаза j (x, y, z) и поляризация, определяемая единичным вектором R(x, y, z). В оптических системах хранения и обработки информации, как правило, работают с двумерным оптическим сигналом, который описывается распределением комплексной амплитуды, фазы или поляризации световой волны по точкам пространства, лежащим в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Если в рассматриваемой плоскости ввести координаты x, y, то информация, содержащаяся в двумерном сигнале, будет определяться комплексной амплитудой

(5)

и поляризацией R(x, y,), являющимися функциями двух пространственных координат. Следовательно, информация в световую волну может быть введена путем модуляции ее амплитуды, фазы и поляризации по двум пространственным координатам x, y.