光導纖維幾個擴展性問題的探討

王國明

(1.浙江師范大學數理與信息工程學院,浙江 金華 321000;2.嘉興教育學院桐鄉校區,浙江 桐鄉 314500)

圖1

從高中物理可以知道,當光從光密介質射向光疏介質時,且當入射角i≥臨界角C的時候,折射光線消失,僅剩下反射光線,這種現象就是全反射現象(如圖1).其中,臨界角C是當折射角為90°時的入射角大小,即是光密介質的折射率,n1是光疏介質的折射率).光導纖維是全反射現象的最重要的應用之一,也是現在和未來對信息通訊作用巨大的應用技術.根據全反射原理,當光密介質的折射率n0越大,光疏介質的折射率n1越小時,臨界角越小,光線也越容易發生全反射,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纖維實現信息傳播的全部,要實現以光導纖維為媒介的信息傳播,還要討論以下幾個至關重要的問題.

圖2

1 用什么材料來制作光導纖維

圖3

物理學家廷德耳早在1870年就做過光線在一個拋物線狀的水流中傳播的實驗,眾所周知,水的折射率高于空氣,根據“全反射”原理,實驗實現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遠不夠,直到20世紀60年代中期,高琨博士的實驗團隊用硅基玻璃(SiO2)制造了最初的光纖,實現了讓光纖像銅絲傳導電子那樣導光,如果將“光路”和“電路”進行對比,那么最簡單的模型應該如圖3.然而,對于遠距離通信技術而言,光纖的最主要的問題是它的高損耗,即光波在光纖中迅速衰減,無法實現遠距離傳輸.

當時的實驗數據表明,光纖損耗必須小于20dB/km,也就是說,20dB相當于光強度下降到0.01,然而當時最好的光纖損耗約為1000dB/km.高琨實驗小組認為這樣的損耗來源于雜質,而不是光纖本身,所以他們不斷的實驗以減小衰減.也就是在1966年,他們向外宣布:“近距離測量表明光波導實驗具有承載及傳遞信息的能力,其容量可以達到1000MHz,相當于200個電視頻道或20多萬條電話.”

2 怎樣得到理想的光源

離高琨他們宣布實驗結果僅一年的時間,美國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,開啟了通信光纖發展的大門.然而,奠定光纖通信基礎的光源卻是半導體激光器.物理學分析表明,“量子阱”型半導體激光器是現階段光通信光源的最佳選擇.半導體激光器產生激光輸出應滿足如下3個基本條件.

圖4

(1)受激吸收和自發輻射.原子中的電子會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級,即原子被激發.激發的過程是一個“受激吸收”過程.處在高能級(E2)的電子壽命很短(一般為10－8～10－9s),在沒有外界作用下會自發地向低能級(E1)躍遷,躍遷時將產生光(電磁波)輻射.輻射光子能量為:hν＝E2－E1,這種輻射稱為自發輻射.圖4是氫原子能級圖.原子的自發輻射過程完全是一種隨機過程,各發光原子的發光過程各自獨立,互不關聯,即所輻射的光在發射方向上是無規則的射向四面八方,另外其位相、偏振狀態也各不相同.由于激發能級有一個寬度,所以發射光的頻率也不是單一的,而有一個范圍.

(2)受激輻射和光的放大.原子開始處于高能級E2,當一個外來光子所帶的能量hν正好為某一對能級之差E2－E1,則這原子可以在此外來光子的誘發下從高能級E2向低能級E1躍遷.這種受激輻射的光子有顯著的特點,就是原子可發出與誘發光子全同的光子,不僅頻率(能量)相同,而且發射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣.于是,入射一個光子,就會出射兩個完全相同的光子.這意味著原來光信號被放大,這種在受激過程中產生并被放大的光,就是激光.

(3)粒子數反轉分布.在外力正向偏壓作用下,不斷的注入電子,在PN結上就會形成粒子數反轉分布.粒子數反轉是激光產生的前提.兩能級間受激輻射幾率與兩能級粒子數差有關.在通常情況下,處于低能級E1的原子數大于處于高能級E2的原子數,這種情況得不到激光.為了得到激光,就必須使高能級E2上的原子數目大于低能級E1上的原子數目,因為E2上的原子多,發生受激輻射,使光增強(也叫做光放大).為了達到這個目的,必須設法把處于基態的原子大量激發到亞穩態E2,處于高能級E2的原子數就可以大大超過處于低能級E1的原子數.這樣就在能級E2和E1之間實現了粒子數的反轉.

3 如何減小光損耗

物理學研究表明,光纖中的光波傳輸損耗原因是散射和吸收,對于吸收主要有兩類:(1)OH離子吸收.這是光纖中最主要的吸收,最強的吸收帶在1350～1450nm,在短波的瑞利吸收限和長波的振動吸收限之間出現了3個衰減小、適合于光波傳播的頻率區段,俗稱“窗口”,即850 nm、1310nm、1550nm.以1550nm為例,典型吸收系數可以達到0.154dB/km,這就意味著經過20km的傳播,光強僅下降一半.(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,但通過改進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化整個石英系光纖的吸收問題.

而散射是怎樣產生的呢？原來組成物質的分子、原子、電子等微小粒子是以某些固有頻率進行振動的,并能釋放出波長與該振動頻率相應的光.粒子的振動頻率由粒子的大小來決定.粒子越大,振動頻率越低,釋放出的光的波長越長;粒子越小,振動頻率越高,釋放出的光的波長越短.這種振動頻率稱做粒子的固有振動頻率.但是這種振動并不是自行產生,它需要一定的能量.一旦粒子受到具有一定波長的光照射,而照射光的頻率與該粒子固有振動頻率相同,就會引起共振.粒子內的電子便以該振動頻率開始振動,結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,對于在外部觀察的人來說,看到的好像是光撞到粒子以后,向四面八方飛散出去了.

光纖內也有瑞利散射,由此而產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,可以說瑞利散射損耗是無法避免的.但是,由于瑞利散射損耗的大小與光波長的4次方成反比,所以光纖工作在長波長區時,瑞利散射損耗的影響可以大大減小.

當然,僅僅解決損耗的問題是不夠的,因為不管損耗減小到多少,但損耗是無法消失的,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,所以要實現超遠距離的通信傳播,如洲際光纜,就必須還要一項至關重要的技術,就是中繼放大器,也叫信號再生器.

我們現在用的最多的技術是摻鉺(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,由波長為0.98μm或1.48μm的半導體激光器抽運,通過耦合器與以1.55μm傳輸的信號耦合,一起輸入摻鉺光纖,光信號通過受激輻射放大并通過單向器輸出.這樣一來,光信號不斷獲得中繼——再生——放大,傳輸距離就會大大加長.

圖5

為了實現更遠距離的洲際傳播,工程師們在通信光纜發射端(或發射、接收雙端)將通信信號和泵浦信號同時輸入兩個光纖,每隔一段距離,就把泵浦信號耦合到摻鉺光纖中,對傳輸信號進行遠程中繼放大,從而實現超遠距離通信.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.

通過對以上問題的研究,我們可以大致了解光纖通訊的基本原理.我們有理由相信,隨著社會科技的進步,光纖通訊將會越來越廣泛被人們應用于生活中,我們也將迎來光纖通訊新的明天.

1 顧超英.世界光導纖維的開發生產應用與發展前景分析.化工文摘,2008.

2 竇光宇.揭秘光導纖維.百科知識,2008(15).

3 林鴻溢.光導纖維——光線隧道.現代物理知識,1998(04).

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