5 марта 2017 г.

Чернов Б.К. "Особенности применения Закона Повышения Динамичности для анализа оптических систем" Стендовое сообщение

 

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАКОНА ПОВЫШЕНИЯ ДИНАМИЧНОСТИ ДЛЯ АНАЛИЗА ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Б.К. Чернов

В работе рассмотрены особенности применения Закона Повышения Динамичности для анализа технических систем, принципы работы которых основаны на использовании электромагнитных полей, в частности, оптических полей. Проведено обобщение широко известной традиционной трактовки Закона с учетом различных уровней рассмотрения оптических систем (лучевого приближения, волнового приближения и приближения квантовой оптики). Приведены конкретные примеры анализа оптических систем.

Законы развития технических систем, повышение динамичности системы, полевые системы, оптические системы.

В работах [1-3] отмечается, что поля обладают большей управляемостью и изменчивостью, чем вещества, поэтому полевые системы являются наиболее динамичными. В свою очередь, полевые системы в процессе развития также проходят несколько этапов повышения динамичности. В работе [2] приведена широко используемая в настоящее время трактовка Закона Повышения Динамичности для полевых систем. В соответствии с этой трактовкой полевые системы последовательно проходят следующие ступени динамизации:

1. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что новая полевая система обычно содержит постоянное поле.

2. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит переход к системе с полем, имеющим градиент.

3. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит переход к системе с нарастающим или убывающим полем (плавная регулировка освещенности).

4. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит переход к системе с переменным во времени или импульсным полем.

5. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит переход к системе с переменным полем в режиме резонанса.

6. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит переход к системе с интерференцией полей.

Нам представляется, что, в общем случае, этапы повышения динамичности связаны с последовательным углублением и детализацией анализа свойств и параметров полей, используемых в системе. На наш взгляд, можно выделить три основных этапа или уровня развития оптических систем. Первый уровень соответствует системам, для описания основных принципов работы которых достаточно использования приближения геометрической оптики (лучевого приближения). Второй уровень соответствует системам, описываемым с достаточной полнотой в приближении физической оптики (волновом приближении), и третий уровень - системам, для описания которых необходимо использовать приближение квантовой оптики (рис. 1). Следуя трактовке Закона Повышения Динамичности, приведенной в работе В. Петрова [3], можно отметить, что переход к рассмотрению системы на третьем уровне в некотором смысле подобен переходу от анализа структуры на макро уровне к анализу на микро уровне.

В свою очередь, на каждом уровне можно выделить несколько "подуровней" развития. Каждому "подуровню" соответствует определенная совокупность свойств и параметров полей, рассмотрение которых позволяет объяснить принцип работы системы (рис. 1).

Подобное распределение оптических систем по уровням не означает, что оптическая система первого уровня всегда менее совершенна, чем любая система второго или третьего уровня. Это означает только, что наиболее вероятное направление совершенствования данной системы связано с переходом к анализу системы с учетом "подуровней", стоящих дальше в ряду развития на данном уровне, а затем и с переходом на следующий уровень анализа.

 

Рис. Обобщение Закона Повышения Динамичности для анализа оптических систем

Представленный на рис.1 порядок следования "подуровней" соответствует последовательному увеличению степени детализации и сложности описания световой волны. Очевидно, что выбор порядка следования "подуровней" в пределах одного уровня во многом субъективен. Поэтому при проведении анализа системы по изложенной выше методике следует убедиться, что в анализируемой системе в достаточной степени использованы возможности совершенствования, заложенные в предыдущих "подуровнях" данного уровня.

Определенный субъективизм в выборе последовательности "подуровней" или ступеней развития полевых систем присутствует и в опубликованных ранее работах [1,2]. Так в работе Ю.П. Саламатова [1] рассматривается последовательный переход от постоянного поля к импульсному полю, затем к переменному полю, однако на наш взгляд, импульсное поле является частным случаем переменного. В работе [2] переменные и импульсные поля соответствуют одной ступени динамизации полевых систем, с этим нельзя не согласиться. Однако, нарастающие или убывающие поля в работе [2] соответствуют другой ступени динамизации, несмотря на то, что их также можно рассматривать как частный случай переменных во времени полей.

Важно подчеркнуть, что предложенная в работе [2] последовательность ступеней динамизации полностью совпадает с последовательностью соответствующих им "подуровней", представленной на рис. 1. Так ступень 1 (постоянное поле ) соответствует первому "подуровню" на рис.1, ступень 2 (поле, имеющее градиент в пространстве) соответствует третьему "подуровню", ступени 3 и 4 (переменные во времени поля) соответствуют первому "подуровню" второго уровня. Приведенный в работе [2] пример цветомузыкальной системы может быть отнесен одновременно и к первому и ко второму "подуровням" второго уровня. Ступень 5 (поле в режиме резонанса) может быть поставлена в соответствие третьему "подуровню" второго уровня. Это связано с тем, что условием волноводного распространения световой волны является наличие поперечного резонанса в волноводе. Ступень 6 (интерференция полей) соответствует четвертому "подуровню" второго уровня. Таким образом, приведенная на рис.1 трактовка Закона Повышения Динамичности оптических систем может рассматриваться как некое обобщение формулировки закона, приведенной в работе [2].

В качестве примера, подтверждающего обоснованность предложенной трактовки Закона Повышения Динамичности, рассмотрим эволюцию оптических систем передачи информации (ОСПИ). С древних времен использовались примитивные ОСПИ, в которых источником света являлся костер или факел, а приемником глаз человека ("подуровень" 1 на рис.1). Затем для увеличения дальности связи стали использоваться простейшие оптические устройства в виде зеркал, подзорных труб и биноклей ("подуровни" 2 и 3). Для описания основных принципов работы этих устройств достаточно использовать приближение геометрической оптики (лучевое приближение, уровень один на рис. 1).

Дальнейшее совершенствование ОСПИ и увеличение их пропускной способности стало возможным благодаря развитию физической оптики (волновое приближение, уровень два на рис. 1). В этом приближении свет рассматривается как электромагнитная волна, характеризуемая определенной амплитудой, частотой (длиной волны), поляризацией, формой волнового фронта и т.д. Такое представление позволило создать ОСПИ с модуляцией во времени и в пространстве интенсивности (амплитуды), частоты, фазы и поляризации световой волны ("подуровень" 1 второго уровня). Для передачи информации наряду с аналоговыми методами стали применяться цифровые методы, предполагающие использование импульсных сигналов ("подуровень"1 второго уровня). Все это позволило в тысячи раз увеличить пропускную способность отдельного оптического канала за счет использования принципов временного уплотнения каналов (TDM, Time Division Multiplexing). Последующее значительное увеличение пропускной способности ОСПИ произошло благодаря использованию принципов спектрального уплотнения каналов (WDM, Wavelength Division Multiplexing). При этом методе уплотнения передача осуществляется одновременно на нескольких оптических несущих, различающихся частотой (длиной волны) света. Разделение каналов на приемном конце осуществляется демультиплексорами, содержащими дисперсионные элементы ("подуровень" 2 второго уровня). Значительного повышения помехозащищенности и эффективности ОСПИ удалось добиться переходом от ОСПИ с открытым трактом распространения света к волоконно-оптическим системам передачи (ВОСП) с волноводным распространением световой волны ("подуровень" 3 второго уровня). Использование принципов спектрального уплотнения в этих системах потребовало разработки компактных и высокоэффективных демультиплексоров на базе объемных и рельефных решеток (в том числе голограммных решеток). Работа этих устройств основана на использовании интерференции и дифракции световых волн ("подуровень" 4 второго уровня). Еще большему увеличению пропускной способности ВОСП препятствует поляризационная модовая дисперсия импульсов в волоконном световоде. Для преодоления этого препятствия разрабатываются компенсаторы дисперсии на базе волоконных брэгговских решеток и анизотропные волокна, поддерживающие поляризацию ("подуровень" 5 второго уровня).

Следующий этап совершенствования ОСПИ связан с развитием квантовой оптики. В приближении квантовой оптики свет рассматривается не только как электромагнитная волна, но и как поток фотонов (уровень три на рис.1). Разработка теории нелинейных взаимодействий в материале световодов позволила найти методы уменьшения влияния нелинейности на пропускную способность WDM систем, а также создать экспериментальные высокоскоростные ОСПИ с солитонным распространением оптических импульсов ("подуровень" 1 третьего уровня). В настоящее время происходит переход к более экономичным, высокоскоростным, полностью оптическим сетям (AON, All Optical Networks). Ключевыми элементами этих систем являются полностью оптические волновые конверторы (преобразователи длины волны света, "подуровень" 1 третьего уровня) и волоконно-оптические усилители ("подуровень" 2 третьего уровня). Дальнейшее совершенствование ОСПИ невозможно без повышения когерентности источников света и увеличения эффективности фотоприемных устройств ("подуровень" 2 третьего уровня).

В заключение отметим, что в настоящей работе приведено описание особенностей применения Закона Повышения Динамичности для анализа оптических систем и дано обобщение традиционной трактовки Закона с учетом различных уровней рассмотрения этих систем. Практика применения изложенной выше методики анализа оптических систем при выполнении реальных консультационных проектов по оптической тематике показала ее эффективность.

Литература.

1. Саламатов Ю.П. Система законов развития техники (основы теории развития технических систем). - изд. 2-е испр. и доп., Книга для изобретателя изучающего ТРИЗ. INSTITUTE OF INNOVATIVE DESIGN: Красноярск, 1996. - 157 с.

2. Любомирский А., Литвин С. Законы развития технических систем . - GEN3 Partners, Февраль 2003. . - < http://www.metodolog.ru/00767/00767.html

3. Петров В. Закон увеличения степени динамичности . - http://www.trizland.ru/trizba/pdf-books/zrts-11-dinamiz.pdf