光导纤维几个扩展性问题的探讨

2012-05-10王国明

物理教师 2012年6期

王国明

(1.浙江师范大学数理与信息工程学院,浙江金华 321000;2.嘉兴教育学院桐乡校区,浙江桐乡 314500)

图1

从高中物理可以知道,当光从光密介质射向光疏介质时,且当入射角i≥临界角C的时候,折射光线消失,仅剩下反射光线,这种现象就是全反射现象(如图1).其中,临界角C是当折射角为90°时的入射角大小,即是光密介质的折射率,n1是光疏介质的折射率).光导纤维是全反射现象的最重要的应用之一,也是现在和未来对信息通讯作用巨大的应用技术.根据全反射原理,当光密介质的折射率n0越大,光疏介质的折射率n1越小时,临界角越小,光线也越容易发生全反射,并由于不断的反射而向前传播(如图2).但要明确的是,全反射原理并不是利用光导纤维实现信息传播的全部,要实现以光导纤维为媒介的信息传播,还要讨论以下几个至关重要的问题.

图2

1 用什么材料来制作光导纤维

图3

物理学家廷德耳早在1870年就做过光线在一个抛物线状的水流中传播的实验,众所周知,水的折射率高于空气,根据“全反射”原理,实验实现了光波在水流中多次反射,并随水流传播.但这作为光传播的媒介还远远不够,直到20世纪60年代中期,高琨博士的实验团队用硅基玻璃(SiO2)制造了最初的光纤,实现了让光纤像铜丝传导电子那样导光,如果将“光路”和“电路”进行对比,那么最简单的模型应该如图3.然而,对于远距离通信技术而言,光纤的最主要的问题是它的高损耗,即光波在光纤中迅速衰减,无法实现远距离传输.

当时的实验数据表明,光纤损耗必须小于20dB/km,也就是说,20dB相当于光强度下降到0.01,然而当时最好的光纤损耗约为1000dB/km.高琨实验小组认为这样的损耗来源于杂质,而不是光纤本身,所以他们不断的实验以减小衰减.也就是在1966年,他们向外宣布:“近距离测量表明光波导实验具有承载及传递信息的能力,其容量可以达到1000MHz,相当于200个电视频道或20多万条电话.”

2 怎样得到理想的光源

离高琨他们宣布实验结果仅一年的时间,美国康宁公司就制造出了用于氦氖激光器谱线的单模光纤,衰减低于20dB/km,开启了通信光纤发展的大门.然而,奠定光纤通信基础的光源却是半导体激光器.物理学分析表明,“量子阱”型半导体激光器是现阶段光通信光源的最佳选择.半导体激光器产生激光输出应满足如下3个基本条件.

图4

(1)受激吸收和自发辐射.原子中的电子会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级,即原子被激发.激发的过程是一个“受激吸收”过程.处在高能级(E2)的电子寿命很短(一般为10－8～10－9s),在没有外界作用下会自发地向低能级(E1)跃迁,跃迁时将产生光(电磁波)辐射.辐射光子能量为:hν＝E2－E1,这种辐射称为自发辐射.图4是氢原子能级图.原子的自发辐射过程完全是一种随机过程,各发光原子的发光过程各自独立,互不关联,即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方,另外其位相、偏振状态也各不相同.由于激发能级有一个宽度,所以发射光的频率也不是单一的,而有一个范围.

(2)受激辐射和光的放大.原子开始处于高能级E2,当一个外来光子所带的能量hν正好为某一对能级之差E2－E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁.这种受激辐射的光子有显著的特点,就是原子可发出与诱发光子全同的光子,不仅频率(能量)相同,而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样.于是,入射一个光子,就会出射两个完全相同的光子.这意味着原来光信号被放大,这种在受激过程中产生并被放大的光,就是激光.

(3)粒子数反转分布.在外力正向偏压作用下,不断的注入电子,在PN结上就会形成粒子数反转分布.粒子数反转是激光产生的前提.两能级间受激辐射几率与两能级粒子数差有关.在通常情况下,处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数,这种情况得不到激光.为了得到激光,就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目,因为E2上的原子多,发生受激辐射,使光增强(也叫做光放大).为了达到这个目的,必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2,处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数.这样就在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转.

3 如何减小光损耗

物理学研究表明,光纤中的光波传输损耗原因是散射和吸收,对于吸收主要有两类:(1)OH离子吸收.这是光纤中最主要的吸收,最强的吸收带在1350～1450nm,在短波的瑞利吸收限和长波的振动吸收限之间出现了3个衰减小、适合于光波传播的频率区段,俗称“窗口”,即850 nm、1310nm、1550nm.以1550nm为例,典型吸收系数可以达到0.154dB/km,这就意味着经过20km的传播,光强仅下降一半.(2)非主要的吸收包括红外和紫外吸收,还有金属离子吸收等,但通过改进都可以将损耗减小到最小值,以金属离子吸收为例,我们可以利用氟化锆优化整个石英系光纤的吸收问题.

而散射是怎样产生的呢？原来组成物质的分子、原子、电子等微小粒子是以某些固有频率进行振动的,并能释放出波长与该振动频率相应的光.粒子的振动频率由粒子的大小来决定.粒子越大,振动频率越低,释放出的光的波长越长;粒子越小,振动频率越高,释放出的光的波长越短.这种振动频率称做粒子的固有振动频率.但是这种振动并不是自行产生,它需要一定的能量.一旦粒子受到具有一定波长的光照射,而照射光的频率与该粒子固有振动频率相同,就会引起共振.粒子内的电子便以该振动频率开始振动,结果是该粒子向四面八方散射出光,入射光的能量被吸收而转化为粒子的能量,粒子又将能量重新以光能的形式射出去.因此,对于在外部观察的人来说,看到的好像是光撞到粒子以后,向四面八方飞散出去了.

光纤内也有瑞利散射,由此而产生的光损耗就称为瑞利散射损耗.鉴于目前的光纤制造工艺水平,可以说瑞利散射损耗是无法避免的.但是,由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比,所以光纤工作在长波长区时,瑞利散射损耗的影响可以大大减小.

当然,仅仅解决损耗的问题是不够的,因为不管损耗减小到多少,但损耗是无法消失的,就像电路中的电阻存在而有电能消耗一样,而且这种损耗随着传播距离的增加而不断增加,所以要实现超远距离的通信传播,如洲际光缆,就必须还要一项至关重要的技术,就是中继放大器,也叫信号再生器.

我们现在用的最多的技术是掺铒(Er)光纤放大器(EDFA),如图5.在通信光纤中隔一段距离就包括一段掺铒石英光纤,由波长为0.98μm或1.48μm的半导体激光器抽运,通过耦合器与以1.55μm传输的信号耦合,一起输入掺铒光纤,光信号通过受激辐射放大并通过单向器输出.这样一来,光信号不断获得中继——再生——放大,传输距离就会大大加长.