量子理論對(duì)光通信的貢獻(xiàn)

1、量子理論對(duì)光通信的貢獻(xiàn)謝立存崔志敏郭青劍 青龍廣播電視局摘要：本文回顧了量子理論的發(fā)展過(guò)程和以量子理論為 基礎(chǔ)激光的產(chǎn)生、發(fā)展、應(yīng)用狀況，闡述了量子理論對(duì)光通 信的貢獻(xiàn)。關(guān)鍵詞：量子理論 激光光通信1、前言“通信的基本問(wèn)題就是在一點(diǎn)重新準(zhǔn)確地或近似地再現(xiàn)另一點(diǎn)所選擇的消息”，香農(nóng)的信息論為通信技術(shù)的發(fā)展奠定 了數(shù)學(xué)模型。貝爾發(fā)明電話（1876年）后，于1880年以弧光 燈為光源，以大氣為傳輸介質(zhì)，由硒晶體作為光接收器件， 成功地進(jìn)行了人類首次光電話實(shí)驗(yàn)。雖然通信距離僅僅213 米，但在貝爾看來(lái)，這是他所有發(fā)明中最偉大的發(fā)明。正如 貝爾所希望的一樣，現(xiàn)代通信技術(shù)正以光通信為基礎(chǔ)，成為 人們生活中

2、不可或缺的重要組成部分，同時(shí)向數(shù)字化、寬帶 化、綜合化、智能化、個(gè)人化、開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。由于光源和傳輸介質(zhì)兩方面因素的困擾，貝爾的光電話 一直沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用。后人著眼于傳輸介質(zhì)的損耗特點(diǎn)， 不斷提高光纖的制造工藝，使光可以傳輸更遠(yuǎn)的距離；著眼 于光源要滿足頻率穩(wěn)定、單色性好等等苛刻的條件便于利用 復(fù)雜的聲像信號(hào)對(duì)光進(jìn)行調(diào)制，使光可以傳輸更多的信息。量子理論為尋找合適的光源提供了革 命性的支持。2、量子理論的起源和發(fā)展2.1普朗克量子假說(shuō)量子光學(xué)的萌芽從基爾霍夫定律不能解 釋絕對(duì)黑體的單色輻出度按波長(zhǎng)分布的曲 線開(kāi)始?；鶢柣舴蚨桑↖860年）指出：任 何物體的單色輻出度和單色吸收比之

3、比，等 于同一溫度絕對(duì)黑體的單色輻出度。這是經(jīng)典物理學(xué)重要的 定律之一，但后來(lái)大量的實(shí)驗(yàn)卻與上述定律不相吻合，真實(shí) 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度增高時(shí)，單色輻出度的最 大值向短波方向移動(dòng)。（右圖）經(jīng)典物理學(xué)受到了挑戰(zhàn)，當(dāng)時(shí)物理學(xué)的課題要求如何從 理論上找出符合實(shí)驗(yàn)曲線的具體函數(shù)，但40年的努力遭到失 敗。這時(shí)量子假說(shuō)登上了物理史的舞臺(tái)。通過(guò)深入分析，普朗克于1900年提出能量子假說(shuō)：輻射 物質(zhì)中具有帶電的線性諧振子，由于帶電的關(guān)系，能夠和周 圍磁場(chǎng)交換能量，這些諧振子，與古典物理學(xué)中不同，只可 能處于某些特殊的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，相應(yīng)的能量是某一 最小能量8的整數(shù)倍，即：8、28、38、 n

4、8、 （n為正整數(shù)）對(duì)于頻率為u的諧振子來(lái)說(shuō)，最小能量為& =hu （式中h 特為普朗克恒量，量值為6.63 X 1 0-34J.S, u為光頻率），在 輻射或吸收能量時(shí)，振子從這些狀態(tài)中的某個(gè)狀態(tài)躍遷到其 它的一個(gè)狀態(tài)。同時(shí)普朗克推導(dǎo)出全新的黑體輻射公式，并 完全符合困擾經(jīng)典物理學(xué)很長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)曲線。普朗克假說(shuō)打破了經(jīng)典熱力學(xué)對(duì)能量的描述：經(jīng)典理論 認(rèn)為能量是連續(xù)的，而量子假說(shuō)認(rèn)為能量是不連續(xù)的。人們 第一次意識(shí)到在微觀領(lǐng)域，存在著與客觀現(xiàn)象截然不同的規(guī) 律和概念。2.2愛(ài)因斯坦方程早在電子被發(fā)現(xiàn)之前，就發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。通過(guò)對(duì)光電 效應(yīng)的研究，人們得出三條基本定律：一是，單位時(shí)間內(nèi)， 受光照

5、射的電極上釋出的電子數(shù)和入射光的強(qiáng)度成正比；二 是，光電子的初動(dòng)能隨入射光的頻率線性增加，而與入射光 的強(qiáng)度無(wú)光；三是無(wú)論光的強(qiáng)度如何，如果入射光的頻率小 于受照電極的紅限，就不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。三條定律均來(lái)源 于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)，而后兩條與光的波動(dòng)說(shuō)形成深刻的矛盾，波 動(dòng)說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中有關(guān)光強(qiáng)、紅限以及照射時(shí)間等內(nèi)容 幾乎完全不能解釋。1905年，愛(ài)因斯坦在普朗克假說(shuō)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出 了光子假說(shuō)，他認(rèn)為：光不僅象普朗克已指出過(guò)的，在發(fā)射 和吸收時(shí)，具有粒子性，而且光在空間傳播時(shí)，也具有粒子 性，光是一粒一粒運(yùn)動(dòng)的粒子流，并且每個(gè)光子的能量也是 &= hu,能流密度（單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的光

6、能）表達(dá) 式為$=業(yè)。（式中N為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的光子數(shù)）。愛(ài)因斯坦的光子假說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)解釋如下：金屬中的自 由電子，吸收一個(gè)入射光的光子能量hu時(shí)，一部分用于消耗 逸出功A, 部分轉(zhuǎn)換為光電子的動(dòng)能，即愛(ài)因斯坦光電效 應(yīng)方程：hu=1/2mv2+A愛(ài)因斯坦成功地解釋了光電子的動(dòng)能與入射光頻率之間 的線性關(guān)系，圓滿地解釋了光電效應(yīng)的伏安特性曲線等與光 的波動(dòng)說(shuō)不相容的現(xiàn)象。2.3玻爾理論對(duì)于原子的結(jié)構(gòu)，曾引起許多爭(zhēng)論。1911年，盧瑟福在 粒子散射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出正確的核型結(jié)構(gòu)：原子中全部正 電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在稱為原子核的很小范圍內(nèi)，電子 在周圍繞核運(yùn)動(dòng)。盧瑟福的核型結(jié)構(gòu)雖然建立在

7、充分的實(shí)驗(yàn) 基礎(chǔ)之上，但與經(jīng)典電磁理論產(chǎn)生了沖突，即從兩個(gè)方面不 能解釋原子是穩(wěn)定系統(tǒng)的實(shí)際。電子既然繞核運(yùn)動(dòng)，必然輻 射能量，一是原子系統(tǒng)能量會(huì)逐漸少，頻率也將逐漸改變， 因此應(yīng)該得到連續(xù)的光譜，但事實(shí)上掌握的氫原子光譜并不 是這樣，得到的是斷開(kāi)的譜線；二是電子本身輻射能量后， 應(yīng)沿螺旋線接近原子核，最后落到核上。這樣說(shuō)來(lái)盧瑟福模 型理應(yīng)不是穩(wěn)定的系統(tǒng)。1913年玻爾在盧瑟福原子模型的基礎(chǔ)上，把量子概念應(yīng) 用于原子系統(tǒng)。他提出定態(tài)的假設(shè)，即原子中的電子運(yùn)轉(zhuǎn)軌 道不是隨意的，動(dòng)量矩必須滿足量子化條件。玻爾又提出原 子發(fā)光過(guò)程是電子在不同的穩(wěn)定軌道之間的不連續(xù)的躍遷 過(guò)程。玻爾進(jìn)一步推導(dǎo)原子系統(tǒng)

8、的能量是不連續(xù)的，也是量 子化的。原子從較高能級(jí)En躍遷到較低能級(jí)Ek時(shí)，就發(fā)出單 色光，其波長(zhǎng)Ln=1/ch（En-Ek）,這一波長(zhǎng)將成為后文中產(chǎn)生 激光的目標(biāo)波長(zhǎng)。玻爾理論簡(jiǎn)明地解釋了氫原子譜線并直觀 地解釋了元素周期律，導(dǎo)致了72號(hào)元素鉿（Hf ）的發(fā)現(xiàn)。2.4量子理論的進(jìn)一步發(fā)展1916年密立根驗(yàn)證了光量子說(shuō)的正確性，1923年康普頓 效應(yīng)（x射線被電子散射時(shí)頻率變小的現(xiàn)象），也證實(shí)了愛(ài) 因斯坦方程的正確性。1924年，“泡利不相容原理”發(fā)表，泡利認(rèn)為：原子中不 能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的量子狀態(tài)。他建 議對(duì)原子中電子軌道態(tài)，除已有的與經(jīng)典力學(xué)對(duì)應(yīng)的三個(gè)量 子數(shù)外引進(jìn)第四個(gè)

9、量子數(shù)，即烏侖貝克和高德斯密特提出的 “自旋”量子數(shù)。同年，德布羅意提出了表達(dá)波粒二象性的愛(ài)因斯坦 德布羅意關(guān)系，即實(shí)物粒子的運(yùn)動(dòng)既可用動(dòng)量、能量來(lái)描述， 也可用波長(zhǎng)、頻率來(lái)描述。有的情況下，其粒子性表現(xiàn)得突 出一些，有的情況下，其波動(dòng)性表現(xiàn)得突出些，這種波被稱 為德布羅意波或物質(zhì)波。這一觀點(diǎn)在電子衍射照片中，得到 統(tǒng)計(jì)學(xué)上的證明。海森伯、約旦、玻爾等人幾乎同時(shí)于1925年建立了短陣 力學(xué)。1926年，薛定愕提出描述波粒二象性的薛定愕方程， 給出了量子論的又一個(gè)數(shù)學(xué)描述波動(dòng)力學(xué)。矩陣力學(xué)與 波動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，統(tǒng)稱量子力學(xué)。1927年，海森伯提出測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，說(shuō)明粒子的坐標(biāo)和動(dòng) 量不可能同時(shí)地、準(zhǔn)

10、確地測(cè)量，這正是微觀粒子具有波粒二 象性的必然反映。其運(yùn)動(dòng)不能沿用經(jīng)典的坐標(biāo)、動(dòng)量、軌道 概念精確描述。力與加速度方程（F=ma）對(duì)微觀粒子也不再 適用。自1897年發(fā)現(xiàn)電子并確認(rèn)電子是原子的組成粒子以后， 物理學(xué)的中心問(wèn)題之一就是探索原子內(nèi)部的奧秘。逐步弄清 原子的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律，認(rèn)識(shí)了微觀粒子的波粒二 象性，建立了描述分子、原子等微觀系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論體 系。任何新理論，特別是與傳統(tǒng)認(rèn)知內(nèi)容不相一致的自然科 學(xué)，最初都受到難以想象的懷疑和攻擊。量子理論的起源和 發(fā)展更不是一帆風(fēng)順，通過(guò)大量的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)證，才逐漸被 人們接受。量子理論與相對(duì)論一起成為近代物理學(xué)的理論支 柱之一，對(duì)固體

11、的能帶結(jié)構(gòu)、原子核物理、基本粒子的研究 產(chǎn)生深刻影響。量子理論的產(chǎn)生和發(fā)展，標(biāo)志著人類認(rèn)識(shí)自 然從宏觀世界向微觀領(lǐng)域飛躍，同時(shí)對(duì)光通信技術(shù)產(chǎn)生了劃 時(shí)代的影響。3、激光的產(chǎn)生3.1自發(fā)輻射與受激輻射根據(jù)能量最小原理，高能級(jí)粒子會(huì)迅速躍遷到低能級(jí) 上，同時(shí)以光子的形成釋放能量，這一過(guò)程完全是自發(fā)的。 自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子數(shù)量有限，并且光的頻率、相位和方向 呈現(xiàn)雜亂無(wú)章的特性，因此只能發(fā)出普通光源低亮度的光。除了自然界常見(jiàn)的自發(fā)輻射，愛(ài)因斯坦早在1917年就預(yù) 言了原子發(fā)生受激吸收和受激輻射的可能性。受激輻射是指 電子開(kāi)始處于高能級(jí)E2,正好一個(gè)外來(lái)光子（攜帶能量滿足 E=hu=E2-E1），則這個(gè)

12、電子會(huì)在外來(lái)光子誘發(fā)下從高能級(jí)E2 躍遷到低能級(jí)E1軌道，同時(shí)發(fā)射一個(gè)與外來(lái)光子相同的光 子。受激輻射的特點(diǎn)本身不是自發(fā)躍遷，必須受外來(lái)光子的 刺激產(chǎn)生。激光的發(fā)光機(jī)理正是受激輻射引發(fā)的光放大。（LASER受激輻射的光放大，Light Amplification by Stimulated of Radiation.）3.2產(chǎn)生激光的條件受激輻射和受激吸收在粒子系統(tǒng)中同時(shí)存在，由玻爾茲 曼分布規(guī)律可知，處于低能級(jí)的粒子總數(shù)多于處于高能級(jí)的 粒子總數(shù)，受激吸收占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。顯然，為了產(chǎn)生激光， 必須打破粒子的平衡態(tài)實(shí)現(xiàn)數(shù)子數(shù)的反轉(zhuǎn)。3.2.1激光工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，首先要選擇具備合適能級(jí)結(jié)

13、構(gòu)的工作 物質(zhì)，即激活物質(zhì)。要求激活物質(zhì)必須具備亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)性質(zhì)。3.2.2外界激勵(lì)源使激光工作物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須有足夠的能量輸 入系統(tǒng)，傳給處于低能級(jí)的粒子以能量，促使它盡可能快地、 盡可能多的躍遷到高能級(jí)態(tài)去，即實(shí)現(xiàn)泵浦過(guò)程，滿足閥值 條件。3.2.3光學(xué)諧振腔具備了上述必要條件（但不是產(chǎn)生激光的充分條件）， 還要具備損耗極小的諧振腔，在工作物質(zhì)兩端加上一對(duì)互相 平行且垂直于工作物質(zhì)軸線的反射鏡，反射鏡之間構(gòu)成光學(xué) 諧振腔（反射鏡之間距離為所需激光半波長(zhǎng)的整數(shù)倍）。被 激勵(lì)物質(zhì)先產(chǎn)生自發(fā)輻射，產(chǎn)生方向任意的光子，偏離諧振 腔軸線的光子經(jīng)控制從側(cè)面逸出腔外。只有符合沿軸線方向 的光子，允

14、許在腔內(nèi)的反射面之間振蕩，在其前進(jìn)過(guò)程中與 腔內(nèi)受激粒子作用，產(chǎn)生相同量子態(tài)的光子，以此類推，光 子數(shù)量呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，最終形成激光。綜上所述，產(chǎn)生激光需要具備亞能級(jí)結(jié)構(gòu)的激活物質(zhì)， 在外界激勵(lì)作用下實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，經(jīng)諧振腔的控制并放 大。3.3第一臺(tái)激光器第一臺(tái)激光器誕生于I960年7月，由美國(guó)加利福尼亞休 斯航空公司的研究員西奧多梅曼設(shè)計(jì)完成。此前許多人先后 嘗試制造激光器，但在發(fā)明的過(guò)程中卻出現(xiàn)了諸多的實(shí)際問(wèn) 題，特別是在諧振腔的制造上，正如前文提到的，必須使其 適應(yīng)極短的波長(zhǎng)，按當(dāng)時(shí)的工藝水平確實(shí)困難很大。據(jù)說(shuō)查 爾斯.湯斯研制的“微波激射器”被稱為“錢泵”，說(shuō)他的研究工 作花費(fèi)大量的

15、金錢，從側(cè)面反映出激光器的研制非常困難。 在這種情況下，梅曼用一年多的時(shí)間重新研究紅寶石的性 質(zhì)，他發(fā)現(xiàn)含有鉻離子的氧化鋁是適合制造激光的好材料。 經(jīng)過(guò)詳細(xì)的準(zhǔn)備工作，梅曼的紅寶石激光器產(chǎn)生了第一束人 造激光。這臺(tái)激光器是一種固體激光器，由螺旋形閃光管構(gòu)成激 勵(lì)系統(tǒng)，經(jīng)突然爆發(fā)的強(qiáng)光，刺激4厘米長(zhǎng)的圓柱形紅寶石 棒，通過(guò)光學(xué)諧振腔的加強(qiáng)和調(diào)節(jié)后，發(fā)出強(qiáng)力的激光。此后，氦氖激光器也實(shí)驗(yàn)成功，即出現(xiàn)氣體激光器。以 氦（He）和氖（Ne）按4:110:1的比例混合做為工作物質(zhì), 加以千伏高壓，以玻璃管兩端反射鏡形成諧振腔。接下來(lái)，各種不同形狀、不同大小，能產(chǎn)生不同功率、 不同波長(zhǎng)的激光器相繼出現(xiàn)，其

16、波長(zhǎng)涵蓋了從紅外到紫外以 至倫琴射線的全部區(qū)域。其功率不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷廣泛。目前激光正以日新月異的速度發(fā)展，大量的科學(xué)工作 者還在全力拓展激光領(lǐng)域的廣度和深度。4、光通信中激光器的應(yīng)用貝爾光電話不能產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用的原因之一在于沒(méi)有解 決良好的光源。當(dāng)激光器出現(xiàn)后，對(duì)通信領(lǐng)域產(chǎn)生了很大的 鼓舞，很快就在通訊業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用，光通訊技術(shù)得以 迅速發(fā)展。激光廣泛應(yīng)用于通訊在于它具備了良好的特性。4.1激光的特性4.1.1好的單色性普通白光經(jīng)牛頓棱鏡折射后，可分解為不同頻率的7種 顏色，可見(jiàn)普通光源的頻率范圍很寬。頻率范圍寬的光波由 于色散的影響，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信。激光不同，激光是一 種單色

17、光，其譜線寬度極窄，在傳輸中產(chǎn)生的噪聲很小，適 宜長(zhǎng)距離通信，加上中繼技術(shù)的發(fā)展，光通信有了可能。4.1.2強(qiáng)的方向性激光束的方向性很強(qiáng)，其發(fā)散角可以達(dá)到10-3 10-5弧度。 有資料稱，如果用激光測(cè)量地月距離，其精確度可達(dá)到厘米 級(jí)。好的方向性，決定了高的亮度，可以把光高度集中，使 激光廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科技、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。4.1.3高的相干性相干性用來(lái)描述波的疊加特性，即干涉。由于激光可以 產(chǎn)生頻率相同、振動(dòng)方向相同、周相相同的兩列光波，使得 激光的相干性很高，比較接近干理想的完全相干的電磁波。光波的相干長(zhǎng)度與譜線寬度成反比，所以激光的相干長(zhǎng)度可 達(dá)幾十公里。激光的相干性，普遍應(yīng)用于檢測(cè)、校檢

18、、高精 度測(cè)量和全息攝影等技術(shù)之中。4.2光纖傳輸對(duì)激光的特殊要求4.2.1光纖的損耗理論和實(shí)踐均證明，能 量損耗是光纖的普遍特性 之一。信息在光纖中傳輸一 定的距離之后，均產(chǎn)生損 耗。研究發(fā)現(xiàn)，光纖的損耗 除光纖本身產(chǎn)生的以外，與輸入光的波長(zhǎng)有密切的關(guān)系。右 圖反映石英類光纖在傳輸不同波長(zhǎng)的光波時(shí)，每公里損耗與 輸入波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。顯然，圖中指出三個(gè)低損耗點(diǎn)，即波 長(zhǎng)分別為850nm、1310nm、1550nm時(shí)，有三個(gè)極小的損耗值, 損耗最小處的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1550nm。目前應(yīng)用的光纖選擇的傳 輸波長(zhǎng)即為1310nm和1550nm。理論上光纖要求必須產(chǎn)生上述 兩個(gè)波長(zhǎng)的激光，最終形成1310和1550兩個(gè)光系統(tǒng)。以上從 光纖損耗的角度對(duì)激光的波長(zhǎng)提出特殊要求。4.2.2光纖的色散色散是指輸入信號(hào)，由于頻率不同的單色光在光纖中傳 輸速度的不同，引起的波形失真。色散限制了一次性傳輸距 離，應(yīng)盡力克服。前文述及激光的單色性特征，符合降低色 散的條件。雖然激光的譜線寬度極窄，但仍有一定的寬度， 必須達(dá)到要求的譜線寬度，滿足光纖色散特性的要求。光纖制