用一束光连接全世界
大家有没有看过有线电视呢？其能够满足用户对高清电视、视频点播和互联网接入等多媒体服务的需求，但你知道电视的信息是靠什么传输的吗？是通过地下或海底的线路网络也就是光纤来完成的，而现今世界的大多数信息都是通过光纤来传递，光纤还用于医疗器械，让我们了解一下光纤是怎么工作的，以及它是怎么改变了我们周边世界的，光缆由数以千计的光纤维组成，而每根光纤的粗细跟人的头发丝差不多，光缆以光的形式承载信息。
让我们先学习一些光的基础行为，来理解光纤的原理。光在不同介质之间传播的速度是不一样的，这个变化的速度，用折射率来表示。而光的速度变化导致一个有趣的现象——折射，要理解折射我们可以想象一个有趣的实验，假设光穿过一个三棱镜，你可以看到光在三棱镜的表面发生了弯折而不是直走，这种现象就叫折射。折射发生在光通过不同折射率的介质时，光在从高折射率介质通过低折射率介质时会被折向表面，折射会导致放在水杯里的铅笔看上去是折弯的。
图1 折射
光纤就是有效利用了折射原理。现在，我们进一步推演这个三棱镜实验。假设用一些添加剂不断地提升玻璃的折射率，当我们提高折射率的时候，光线会越来越接近玻璃表面，过一段时间你会发现光沿着玻璃表面传播。如果我们继续提高折射率，光线会突然回到原介质内部而形成纯粹的反射，这个被叫做全反射。我们可以通过改变入射角的反射来实现全反射，而不必去提高折射率，这个特定角度就叫做临界角，光线将回到原介质。这种全反射现象被应用于光纤的光传输。
图2 全反射
这是一个光纤的简化模型，高折射率的玻璃圆柱体，如果激光以超越临界角的角度进入光纤就会形成全反射，光线会一直到达另一端，这意味着光可以在光纤中长距离运输，无论光纤本身是什么形状，请记住全反射会在较高折射率的玻璃和较低折射率的空气间发生，然而光纤需要保护铠甲，铠甲可不是这样的折射率。所以需要在中间加上特殊的材料取代空气实现全反射。一个简单的办法就是在玻璃芯外层镀上低反射率玻璃，从而实现全反射效应还能保护光纤，光纤芯和镀层都是二氧化硅材料。不同的折射率是通过不同的添加物实现的，我们刚刚做的光纤是不能传输超过100公里的，这是因为在光纤中发生的各种损失，这种信号强度损失称为衰减，吸收和散光是衰减的主要原因，这就是为什么你会看到有放大器的存在，它们增强信号强度，以使得信号传递更远，放大器需要从附近的电源取电。
图3 光纤模型
现在回归原来的主题，光纤是如何传递诸如电话或者互联网类的信息呢？任何信息都可以用0和1的序列来表示，假设你想从你的手机上发一个HELLO的短信，首先这个单词会被转化成二进制序列，转化完毕后你的手机会把这一串二进制以电磁波发射出去，简单假设1用高频波表示，0用低频波表达，本地的基站塔会接受到这些电磁波，在基站塔中高频电磁波会产生一个光脉冲，否则没有光脉冲。现在这些光脉冲就可以通过光纤方便地传递了，承载信息的光脉冲将通过复杂的光纤网络到达目的地，因此地球表面部署了很多光缆，这些光缆位于地面以及海底，主要是移动运营商等机构维护这些光纤，例如AT&T，ORANGE，VERIZON等全球运营商拥有和维护海底光缆。
下面是一个海底光缆的横断截面示意图，你可以看到只有很小一部分用来放置光纤，其他部分都是用来保护和增强的机械结构，那么放大器在海底是怎么取电的呢？是因为在光缆的中间有一个薄薄的铜壳，沿着光缆给放大器供电，也就是说如果某个地方不通过光缆，那个地方将成为电话和互联网的孤岛。如果我们把光纤和传统铜缆电线相比较，光纤在各个方面都具有优势，光纤可以提供更大的带宽，而且传输速度大大快于铜缆，铜缆中的电流会产生电磁场，甚至会在导线外部从而导致电磁干扰，而光纤中的光会一直被保护在光纤内部，因此不存在受外界信号干扰的情况；光缆的另一特征是，从侧壁进入的光极少概率会沿着光纤继续传播，因此光纤有着更高的数据安全性。
图4 海底光缆的横断截面示意图
光纤被广泛应用于全球通信网、各国的公共电信网等领域。但是保证光纤高速、可靠的基石又是什么呢？答案就是激光器。激光器是一种产生高度聚焦、单色、相干光束的光源。它能够将电能转换为光能，并产生具有特定波长和方向的光束。在光纤通信系统中，激光器通常用于将信息转化为光信号，并通过光纤传输到目标地点，这些光信号经过调制和编码后，通过光纤传输到目标地点，然后再被解调和解码。在光纤通信中，最常见且广泛应用的激光器类型是半导体激光器。
半导体激光器是利用半导体材料作为工作介质的激光器。随着半导体激光技术的进步，其功率不断提升，应用场景也更加丰富。增加发光区的面积和二维堆叠是提高激光器系统总输出功率的常用方法，但会导致光束质量下降，并且难以直接应用。目前主要采用几何光束整形、光束合束等方法来提高光束质量和功率，并进一步将光束耦合到光纤中。
因此，如何提升半导体激光器的光束质量，实现高功率、高效率、高可靠性等性能指标，并使其能够直接应用，是近年来国内外研究的热点[1]。半导体激光器采用半导体材料作为工作物质，是一种通过电注入实现激光放大器的设备，其核心部分是PN结。半导体激光器产生激光需要满足三个必要条件：激励源、增益介质和具有稳定的光学谐振腔。在半导体激光器工作时，通过施加正向电压在PN结上，减小p区和n区之间的势垒差，电子和空穴分别从n区和p区注入到有源区，最终导致大量电子和空穴在有源区实现粒子数的反转。它们结合在一起产生受激辐射，并生成新的光子，然后这些光子通过光学谐振腔的反馈输出激光。
图5 光增益示意图
提高激光器的输出功率可以通过两种方法：增加单管的输出功率或增加激光发光点的数量。提高单管的输出功率可以通过优化结构和提高芯片制作工艺等技术来实现。而增加激光发光点的数量通常被统称为激光合束技术，其中包括激光器线阵等与之相关的技术。过去的激光合束技术主要依赖于光斑、偏振和光谱特性，并从外部光学系统的角度考虑。通过利用空间合束、波长合束和偏振合束等方法，对单管、线阵甚至迭阵进行能量合束和光束整形[2]。此外，外腔光谱合束技术通过实用光栅对外部光学反馈进行光谱合束。这样的方法不仅可以提高功率，还可以确保良好的光束质量。一般情况下，改变芯片结构和工艺手段是提高半导体激光器光光束质量的常见方法。通过限制激光出射面，可以确保激光的模式单一和稳定。外腔反馈技术也可以用于提高光束质量。外腔半导体激光器具有精确控制波长、低功耗、工作稳定和简单结构等优势，通常采用脊形波导（RW）来提高侧面的光束质量。
图6 外腔反馈光谱合束技术原理
在半导体激光器中，快轴和慢轴是指半导体材料的两个主要传播方向，也称为主要振荡模式。快轴是指在半导体激光器中传播速度较快的方向。在半导体材料中，由于晶格结构的限制，光在此方向上传播的速度较快，故称为快轴。光在快轴方向上的传播速度较高，也具有较小的发散角度。慢轴是指在半导体激光器中传播速度较慢的方向。相对于快轴，光在慢轴方向上传播的速度较慢，故称为慢轴。光在慢轴方向上的传播速度较低，同时也具有较大的发散角度。快轴和慢轴之间光束质量的不匹配是影响高效率和高亮度光纤耦合的主要限制因素。要实现有效的耦合，需要利用相应的光束整形方法来使快轴和慢轴的光束质量达到平衡。这是设计紧凑的高亮度光纤耦合系统的前提[3]。
如果说光纤通信系统可以让一束光连接整个世界，那激光器在光纤通信系统中的光源，是保证光纤传输高速和可靠性的基石。随着半导体激光技术的不断发展和进步，激光器的功率和性能得到了提升，使得光纤通信系统能够实现更高的传输速度和更远的传输距离。
参考文献
[1] 罗雨中.光纤耦合输出半导体激光器光束整形系统的设计[D].扬州大学,2023.DOI:10.27441/d.cnki.gyzdu.2023.001424
[2] 杨砚方.大功率半导体激光器研究[J].电子元器件与信息技术,2022,6(07):41-43+51.DOI:10.19772/j.cnki.2096-4455.2022.7.011.
[3] 朱尚典.高亮度半导体激光泵浦源光纤耦合系统设计[D].长春理工大学,2023.
原文标题 : 科普征文 | 用一束光连接全世界
