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光纤通信系统 组成部分三大里程碑技术实例分析 激光器 定义自振荡器的特性组成输出特性应用领域 受激辐射、自然辐射与吸收 LASER的定义受激辐射的特点光与物质的相互作用能量守恒与材料特性净增益条件 谐振器 定义组成部分性能描述 F-P谐振器法布里-珀罗谐振器 定义传输公式应用 光纤通信系统
组成部分 激光源Laser Source 作用产生高强度、单色性的光信号。举例高功率激光器类似于集中光束的手电筒。 电吸收或电光调制器Modulator 作用将电信号转换为光信号。举例像调节音量旋钮控制信号的强度和频率。 多路复用设备Multiplexer 作用将多种波长的光信号合并到一根光纤中。技术波分复用Wavelength Division Multiplexing, WDM。举例多条水管汇聚到一根大管道中。 光纤Optical Fiber 作用传输光信号具有高带宽和低损耗。举例光信号的高速公路。 掺铒光纤放大器EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier 作用放大光信号补偿长距离传输中的信号衰减。举例高速公路上的加油站为光信号提供能量补给。 解复用设备Demultiplexer 作用将合并的光信号分离成不同波长发送到不同接收端。举例汇聚后的多条水管在目的地分开。 光电探测器Photodetector 作用将光信号转换回电信号。举例将光信号“接收”并转换为电子信号。
三大里程碑技术 光纤Optical Fiber 描述基础技术通过全内反射实现长距离光传输。 掺铒光纤放大器EDFA 描述关键技术提升长距离传输的信号质量。 波分复用WDM, Wavelength Division Multiplexing 描述提升光纤传输容量多个信号在不同波长上传输。举例如果一根光纤像是一条高速公路WDM就像是在不同车道上同时行驶多辆车每辆车代表一个不同的信号。
实例分析
Infinera公司开发的100 Gbit/s光子集成电路 描述通过将多种光学元件集成在一个芯片上提高系统效率和性能。类比多功能手机集成多个功能节省空间并提升效率。 激光器
定义
激光器Laser 一种自振荡器通过受激辐射产生相干光。
自振荡器的特性 不稳定条件当 |glf| 1 时系统由噪声触发导致不稳定。 解释这里的 g 代表增益l 代表环路长度f 代表频率。当系统增益足够大使得 |glf| 大于1时任何微小的噪声都会被放大导致系统产生不稳定的振荡。 饱和状态功率足够大时放大器达到饱和增益 g 减小。 解释随着功率的增加放大器的增益会逐渐减小直到达到饱和状态。在饱和状态下系统的增益不再增加保持稳定。 稳定状态当 glf 1 时系统达到稳定的激光状态。 解释当系统的增益刚好补偿了环路中的损耗使得 glf 等于1时系统达到平衡产生稳定的激光输出。类比想象一个吉他弦当弦的振动被反复反馈并放大直到达到一个稳定的音高。如果反馈过强|glf| 1弦会发出不稳定的噪音如果反馈不足弦不会持续振动只有在适当的反馈强度下弦才能产生稳定的音调。
组成 反馈机制 由谐振器提供通常由两个反射镜组成的光学腔。 光增益介质 提供光的放大常用材料包括掺镱、掺铒等。 类比反馈和放大相当于一个放大器和扬声器的组合反馈机制确保声音光在空间中不断放大和增强直到达到稳定的音量激光输出。
输出特性 高单色性 描述激光器产生的光具有非常纯净的波长颜色单一。举例类似于单色的LED灯只发出特定颜色的光而不像普通白炽灯发出多种颜色的光。 高方向性 描述激光光束能够在很小的角度范围内传播几乎不扩散。举例激光指示器发出的光束细而集中而手电筒的光束则会逐渐扩散。 高强度 描述激光器能够产生高功率的光束能量密度高。举例激光切割机利用高强度激光束能够切割金属而普通的光源则无法实现这种效果。
应用领域
电信用于光纤通信中的光信号传输。数据互连数据中心中用于高速数据传输。光盘存储CD、DVD等光存储设备使用激光读取和写入数据。精密计量激光干涉仪用于精密测量。传感技术激光雷达用于测距和环境扫描。医疗手术激光用于切割组织和治疗疾病。工业焊接与切割利用激光进行精密焊接和切割材料。 实例LASIK眼科手术使用高精度激光矫正视力手术过程既快速又精确减少了对周围组织的损伤。 受激辐射、自然辐射与吸收
LASER的定义
LASER 缩写自“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”即“受激辐射光放大器”。由爱因斯坦提出受激辐射概念Gordon Gould命名为LASER。
受激辐射的特点
受激辐射Stimulated Emission 激发态的原子在遇到匹配的光子时发射出一个相同状态的光子。新光子与原光子在波长、相位、偏振和方向上完全相同。举例弹簧受到外力推动后以相同方式振动。
光与物质的相互作用 自然辐射Spontaneous Emission 未受外界影响下激发态原子随机发射光子。光子的波长、相位和方向均随机。举例自然水面波动方向和幅度随机。 吸收Absorption 原子从基态吸收光子跃迁到激发态。与受激辐射过程相反。
能量守恒与材料特性 能量与动量守恒 光子的能量与物质的能级差匹配。 材料特性 直接带隙材料如砷化镓适合高效发光。间接带隙材料如硅不适合高效激光器制造。解释在直接带隙材料中电子从导带跃迁到价带时可以直接发射光子。而在间接带隙材料中电子跃迁需要同时改变晶格结构增加了发射光子的难度。实例砷化镓GaAs是一种常用的直接带隙材料用于制造红外激光器而硅Si由于是间接带隙材料目前尚不适合制作高效激光器。
净增益条件
粒子数反转Population Inversion 高能态粒子数超过低能态。实现方式通过外部能量源如电流或光泵浦将大量粒子激发到高能态从而实现数目反转。类比想象一个楼梯粒子数反转就像是更多的人站在楼梯的顶端而不是底部。只有当顶端人数超过底端时才能有人“下楼”类似于光子的发射和放大。 谐振器
定义
光学谐振器Optical Resonator 限制并存储特定频率的光通过反馈机制实现光的多次循环与增强。类比回声室中的声音反射。
组成部分 反馈机制 通常由两个反射镜组成的光学腔。 增益材料 放置在谐振器内通过外部能量源提供光的增益。
性能描述 自由光谱范围FSR, Free Spectral Range 定义相邻两个传输峰值频率之间的距离。公式 f FSR c 2 n 2 L 1 光在腔体内的往返时间 f_{\text{FSR}} \frac{c}{2n_2L} \frac{1}{\text{光在腔体内的往返时间}} fFSR2n2Lc光在腔体内的往返时间1举例如果谐振器的长度增加FSR会减小意味着频率间隔变窄。 模式寿命 τ \tau τ 定义光场能量随时间衰减的速率。公式 τ n 2 L / c 1 − R \tau \frac{n_2L/c}{1-R} τ1−Rn2L/c举例高反射率的反射镜会延长模式寿命使光在谐振器内停留更长时间。 品质因数Q因子, Quality Factor 定义 Q ω 共振 ω FWHM ω 共振 ⋅ τ Q \frac{\omega_{\text{共振}}}{\omega_{\text{FWHM}}} \omega_{\text{共振}} \cdot \tau QωFWHMω共振ω共振⋅τ解释Q因子反映了谐振器的选择性和能量损耗。Q因子越高谐振器的频率选择性越强能量损耗越低。举例高Q谐振器类似于高品质的钟表精确而稳定低Q谐振器则像是嘈杂的环境中敲击的钟声不够清晰。 Q/V比值 定义Q因子与谐振器体积V的比值。影响光场强度增强提升激光器效率。举例在微腔激光器中通过减小谐振器体积和提高Q因子可以实现更高效的光放大。 F-P谐振器法布里-珀罗谐振器
定义
F-P谐振器Fabry-Perot Resonator 由两个平面反射镜组成的光学腔光在其中多次反射形成干涉增强特定波长光。类比两个平行镜子之间的光反射与干涉。
传输公式 功率传输率Transmission, T T T 当F-P谐振器两侧的介质折射率相等 n 1 n 3 n_1 n_3 n1n3时 T F-P cavity ∣ 1 − R 1 − R e − i 2 k 2 L ∣ 2 T_{\text{F-P cavity}} \left| \frac{1-R}{1-Re^{-i2k_2L}} \right|^2 TF-P cavity 1−Re−i2k2L1−R 2参数说明 R R R反射镜的反射率。 k 2 k 0 n 2 k_2 k_0 n_2 k2k0n2介质内的波数 k 0 k_0 k0是真空中的波数 n 2 n_2 n2是谐振器内介质的折射率。 L L L谐振器腔体长度。 解释 分子部分 ( 1 − R ) (1-R) (1−R)入射光与反射光的初始干涉。分母部分 ( 1 − R e − i 2 k 2 L ) (1-Re^{-i2k_2L}) (1−Re−i2k2L)多次反射和干涉对传输光的影响。 传输特性 具有多个传输峰值共振频率增强特定频率的光。
应用 光学 激光器核心组件选择性增强特定波长光实现激光输出。光谱分析高分辨率光谱仪中选择和分析特定波长光。 电子学 微波滤波器实现对微波信号的滤波和选择。 量子隧穿 量子点与微腔系统增强量子隧穿效应提升量子器件性能。 机械学 精密测量仪器高Q因子用于高精度机械振动测量。 实例 高精度光谱仪利用F-P谐振器的多共振频率分辨极其接近的光谱线用于天文学和化学分析。
