王國(guó)明

(1.浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江 金華 321000;2.嘉興教育學(xué)院桐鄉(xiāng)校區(qū),浙江 桐鄉(xiāng) 314500)

圖1

從高中物理可以知道,當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí),且當(dāng)入射角i≥臨界角C的時(shí)候,折射光線消失,僅剩下反射光線,這種現(xiàn)象就是全反射現(xiàn)象(如圖1).其中,臨界角C是當(dāng)折射角為90°時(shí)的入射角大小,即是光密介質(zhì)的折射率,n1是光疏介質(zhì)的折射率).光導(dǎo)纖維是全反射現(xiàn)象的最重要的應(yīng)用之一,也是現(xiàn)在和未來(lái)對(duì)信息通訊作用巨大的應(yīng)用技術(shù).根據(jù)全反射原理,當(dāng)光密介質(zhì)的折射率n0越大,光疏介質(zhì)的折射率n1越小時(shí),臨界角越小,光線也越容易發(fā)生全反射,并由于不斷的反射而向前傳播(如圖2).但要明確的是,全反射原理并不是利用光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)信息傳播的全部,要實(shí)現(xiàn)以光導(dǎo)纖維為媒介的信息傳播,還要討論以下幾個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題.

圖2

1 用什么材料來(lái)制作光導(dǎo)纖維

圖3

物理學(xué)家廷德耳早在1870年就做過(guò)光線在一個(gè)拋物線狀的水流中傳播的實(shí)驗(yàn),眾所周知,水的折射率高于空氣,根據(jù)“全反射”原理,實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了光波在水流中多次反射,并隨水流傳播.但這作為光傳播的媒介還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,直到20世紀(jì)60年代中期,高琨博士的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)用硅基玻璃(SiO2)制造了最初的光纖,實(shí)現(xiàn)了讓光纖像銅絲傳導(dǎo)電子那樣導(dǎo)光,如果將“光路”和“電路”進(jìn)行對(duì)比,那么最簡(jiǎn)單的模型應(yīng)該如圖3.然而,對(duì)于遠(yuǎn)距離通信技術(shù)而言,光纖的最主要的問(wèn)題是它的高損耗,即光波在光纖中迅速衰減,無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸.

當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,光纖損耗必須小于20dB/km,也就是說(shuō),20dB相當(dāng)于光強(qiáng)度下降到0.01,然而當(dāng)時(shí)最好的光纖損耗約為1000dB/km.高琨實(shí)驗(yàn)小組認(rèn)為這樣的損耗來(lái)源于雜質(zhì),而不是光纖本身,所以他們不斷的實(shí)驗(yàn)以減小衰減.也就是在1966年,他們向外宣布:“近距離測(cè)量表明光波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)具有承載及傳遞信息的能力,其容量可以達(dá)到1000MHz,相當(dāng)于200個(gè)電視頻道或20多萬(wàn)條電話.”

2 怎樣得到理想的光源

離高琨他們宣布實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅一年的時(shí)間,美國(guó)康寧公司就制造出了用于氦氖激光器譜線的單模光纖,衰減低于20dB/km,開(kāi)啟了通信光纖發(fā)展的大門(mén).然而,奠定光纖通信基礎(chǔ)的光源卻是半導(dǎo)體激光器.物理學(xué)分析表明,“量子阱”型半導(dǎo)體激光器是現(xiàn)階段光通信光源的最佳選擇.半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出應(yīng)滿足如下3個(gè)基本條件.

圖4

(1)受激吸收和自發(fā)輻射.原子中的電子會(huì)吸收外來(lái)能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí),即原子被激發(fā).激發(fā)的過(guò)程是一個(gè)“受激吸收”過(guò)程.處在高能級(jí)(E2)的電子壽命很短(一般為10－8～10－9s),在沒(méi)有外界作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)(E1)躍遷,躍遷時(shí)將產(chǎn)生光(電磁波)輻射.輻射光子能量為:hν＝E2－E1,這種輻射稱為自發(fā)輻射.圖4是氫原子能級(jí)圖.原子的自發(fā)輻射過(guò)程完全是一種隨機(jī)過(guò)程,各發(fā)光原子的發(fā)光過(guò)程各自獨(dú)立,互不關(guān)聯(lián),即所輻射的光在發(fā)射方向上是無(wú)規(guī)則的射向四面八方,另外其位相、偏振狀態(tài)也各不相同.由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度,所以發(fā)射光的頻率也不是單一的,而有一個(gè)范圍.

(2)受激輻射和光的放大.原子開(kāi)始處于高能級(jí)E2,當(dāng)一個(gè)外來(lái)光子所帶的能量hν正好為某一對(duì)能級(jí)之差E2－E1,則這原子可以在此外來(lái)光子的誘發(fā)下從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1躍遷.這種受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn),就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子,不僅頻率(能量)相同,而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣.于是,入射一個(gè)光子,就會(huì)出射兩個(gè)完全相同的光子.這意味著原來(lái)光信號(hào)被放大,這種在受激過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光,就是激光.

(3)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布.在外力正向偏壓作用下,不斷的注入電子,在PN結(jié)上就會(huì)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的前提.兩能級(jí)間受激輻射幾率與兩能級(jí)粒子數(shù)差有關(guān).在通常情況下,處于低能級(jí)E1的原子數(shù)大于處于高能級(jí)E2的原子數(shù),這種情況得不到激光.為了得到激光,就必須使高能級(jí)E2上的原子數(shù)目大于低能級(jí)E1上的原子數(shù)目,因?yàn)镋2上的原子多,發(fā)生受激輻射,使光增強(qiáng)(也叫做光放大).為了達(dá)到這個(gè)目的,必須設(shè)法把處于基態(tài)的原子大量激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)E2,處于高能級(jí)E2的原子數(shù)就可以大大超過(guò)處于低能級(jí)E1的原子數(shù).這樣就在能級(jí)E2和E1之間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn).

3 如何減小光損耗

物理學(xué)研究表明,光纖中的光波傳輸損耗原因是散射和吸收,對(duì)于吸收主要有兩類(lèi):(1)OH離子吸收.這是光纖中最主要的吸收,最強(qiáng)的吸收帶在1350～1450nm,在短波的瑞利吸收限和長(zhǎng)波的振動(dòng)吸收限之間出現(xiàn)了3個(gè)衰減小、適合于光波傳播的頻率區(qū)段,俗稱“窗口”,即850 nm、1310nm、1550nm.以1550nm為例,典型吸收系數(shù)可以達(dá)到0.154dB/km,這就意味著經(jīng)過(guò)20km的傳播,光強(qiáng)僅下降一半.(2)非主要的吸收包括紅外和紫外吸收,還有金屬離子吸收等,但通過(guò)改進(jìn)都可以將損耗減小到最小值,以金屬離子吸收為例,我們可以利用氟化鋯優(yōu)化整個(gè)石英系光纖的吸收問(wèn)題.

而散射是怎樣產(chǎn)生的呢？原來(lái)組成物質(zhì)的分子、原子、電子等微小粒子是以某些固有頻率進(jìn)行振動(dòng)的,并能釋放出波長(zhǎng)與該振動(dòng)頻率相應(yīng)的光.粒子的振動(dòng)頻率由粒子的大小來(lái)決定.粒子越大,振動(dòng)頻率越低,釋放出的光的波長(zhǎng)越長(zhǎng);粒子越小,振動(dòng)頻率越高,釋放出的光的波長(zhǎng)越短.這種振動(dòng)頻率稱做粒子的固有振動(dòng)頻率.但是這種振動(dòng)并不是自行產(chǎn)生,它需要一定的能量.一旦粒子受到具有一定波長(zhǎng)的光照射,而照射光的頻率與該粒子固有振動(dòng)頻率相同,就會(huì)引起共振.粒子內(nèi)的電子便以該振動(dòng)頻率開(kāi)始振動(dòng),結(jié)果是該粒子向四面八方散射出光,入射光的能量被吸收而轉(zhuǎn)化為粒子的能量,粒子又將能量重新以光能的形式射出去.因此,對(duì)于在外部觀察的人來(lái)說(shuō),看到的好像是光撞到粒子以后,向四面八方飛散出去了.

光纖內(nèi)也有瑞利散射,由此而產(chǎn)生的光損耗就稱為瑞利散射損耗.鑒于目前的光纖制造工藝水平,可以說(shuō)瑞利散射損耗是無(wú)法避免的.但是,由于瑞利散射損耗的大小與光波長(zhǎng)的4次方成反比,所以光纖工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)時(shí),瑞利散射損耗的影響可以大大減小.

當(dāng)然,僅僅解決損耗的問(wèn)題是不夠的,因?yàn)椴还軗p耗減小到多少,但損耗是無(wú)法消失的,就像電路中的電阻存在而有電能消耗一樣,而且這種損耗隨著傳播距離的增加而不斷增加,所以要實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的通信傳播,如洲際光纜,就必須還要一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù),就是中繼放大器,也叫信號(hào)再生器.

我們現(xiàn)在用的最多的技術(shù)是摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA),如圖5.在通信光纖中隔一段距離就包括一段摻鉺石英光纖,由波長(zhǎng)為0.98μm或1.48μm的半導(dǎo)體激光器抽運(yùn),通過(guò)耦合器與以1.55μm傳輸?shù)男盘?hào)耦合,一起輸入摻鉺光纖,光信號(hào)通過(guò)受激輻射放大并通過(guò)單向器輸出.這樣一來(lái),光信號(hào)不斷獲得中繼——再生——放大,傳輸距離就會(huì)大大加長(zhǎng).

圖5

為了實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的洲際傳播,工程師們?cè)谕ㄐ殴饫|發(fā)射端(或發(fā)射、接收雙端)將通信信號(hào)和泵浦信號(hào)同時(shí)輸入兩個(gè)光纖,每隔一段距離,就把泵浦信號(hào)耦合到摻鉺光纖中,對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程中繼放大,從而實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信.直到1995年,世界上第一條使用EDFA中繼器的傳輸速率為5Gb/s的信息高速公路全線貫通.

通過(guò)對(duì)以上問(wèn)題的研究,我們可以大致了解光纖通訊的基本原理.我們有理由相信,隨著社會(huì)科技的進(jìn)步,光纖通訊將會(huì)越來(lái)越廣泛被人們應(yīng)用于生活中,我們也將迎來(lái)光纖通訊新的明天.

1 顧超英.世界光導(dǎo)纖維的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)應(yīng)用與發(fā)展前景分析.化工文摘,2008.

2 竇光宇.揭秘光導(dǎo)纖維.百科知識(shí),2008(15).

3 林鴻溢.光導(dǎo)纖維——光線隧道.現(xiàn)代物理知識(shí),1998(04).

4 volter di Dio,王寶泉.光纖上的未來(lái).科學(xué)世界,2003(07).