Двумерный оптический сигнал и его информационная структура
Оптическим сигналом называют световую волну, несущую определенную информацию. Особенностью световой волны по сравнению с радиоволной является то, что вследствие малости l можно практически реализовать прием, передачу и обработку сигналов, промодулированных не только по временам, 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 -
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 Е и магнитного Н 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 
- единичный вектор, определяющий в пространстве прямую, вдоль которой осуществляется колебание электрического поля в точке пространства с координатами и характеризующий плоскость поляризации в данной точке. Функция 
– скалярная функция координат пространства и времени, численно равная мгновенному значению модуля вектора напряжённости электрического поля 
- амплитуда колебания напряженности электрического поля в точке , 
- частота колебаний, 
- фаза световой волны в точке с координатами . Начальную фазу можно принять равной нулю в любой произвольной точке пространства. Тогда функция координат будет характеризовать разность фаз напряженности в этой точке и точке . Кроме того параметры 
; не зависят от времени, так как рассматриваются только когерентные волны, а модуляция осуществляется по пространственным координатам.
Из (1) следует скалярная форма записи уравнения световой волны
(2)
Oбычно используют комплексную форму записи, которая является наиболее удобного для выполнения математических операций и преобразований; например, 
записывают в виде 
. Согласно формуле Эйлера 
так что действительная функция y может быть получена из комплексной: 
, где символ Re обозначает действительную часть комплексной функции. Тогда :
Величину
называют комплексной амплитудой световой волны. Она описывает пространственное распределение амплитуд A(xyz) и фаз j(xyz) световой волны и является важной характеристикой, монохроматической волны.
Временной множитель 
, являющийся гармонической функцией времени, обычно опускают. Он может быть введен на любом этапе преобразований. Поэтому в дальнейшем оптический сигнал будем представлять в виде (4). Таким образом, основными характеристиками световой волны являются амплитуда , фаза и поляризация, определяемая единичным вектором. В оптических системах хранения и обработки информации, как правило, используют двумерный оптический сигнал, который описывается распределением комплексной амплитуды, фазы или поляризации световой волны по точкам пространства, летящим в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Если в этой плоскости ввести координаты 
, то информации, содержащим в двумерном сигнале будет определяться комплексной амплитудой
и поляризацией 
. Итак, информация в световую волну может быть введена путем модуляции амплитуды, фазы и поляризации по двум пространственным координатам x и y.
Distributed by BRS Corporation
http://www.osu.ru/~BRS