量子理论对光通信的贡献

1 量子理论对光通信的贡献量子理论对光通信的贡献 谢立存 崔志敏 郭青剑 青龙广播电视局 摘要 本文回顾了量子理论的发展过程和以量子理论为摘要 本文回顾了量子理论的发展过程和以量子理论为 基础激光的产生 发展 应用状况 阐述了量子理论对光基础激光的产生 发展 应用状况 阐述了量子理论对光 通信的贡献 通信的贡献 关键词 量子理论关键词 量子理论 激光激光 光通信光通信 1 1 前言 前言 通信的基本问题就是在一点重新准确地或近似地再现 另一点所选择的消息 香农的信息论为通信技术的发展奠 定了数学模型 贝尔发明电话 1876年 后 于1880年以 弧光灯为光源 以大气为传输介质 由硒晶体作为光接收 器件 成功地进行了人类首次光电话实验 虽然通信距离 仅仅213米 但在贝尔看来 这是他所有发明中最伟大的发 明 正如贝尔所希望的一样 现代通信技术正以光通信为 基础 成为人们生活中不可或缺的重要组成部分 同时向 数字化 宽带化 综合化 智能化 个人化 开放性和标 准化方向发展 由于光源和传输介质两方面因素的困扰 贝尔的光电话 一直没有得到实际应用 后人着眼于传输介质的损耗特点 不断提高光纤的制造工艺 使光可以传输更远的距离 着 眼于光源要满足频率稳定 单色性好等等苛刻的条件便于 利用复杂的声像信号对光进行调制 使光 可以传输更多的信息 量子理论为寻找合适的光源提供了革 命性的支持 2 2 量子理论的起源和发展 量子理论的起源和发展 2 1普朗克量子假说 量子光学的萌芽从基尔霍夫定律不能 解释绝对黑体的单色辐出度按波长分布的 2 曲线开始 基尔霍夫定律 1860年 指出 任何物体的单 色辐出度和单色吸收比之比 等于同一温度绝对黑体的单 色辐出度 这是经典物理学重要的定律之一 但后来大量 的实验却与上述定律不相吻合 真实的实验结果是 当绝 对黑体的温度增高时 单色辐出度的最大值向短波方向移 动 右图 经典物理学受到了挑战 当时物理学的课题要求如何从 理论上找出符合实验曲线的具体函数 但40年的努力遭到 失败 这时量子假说登上了物理史的舞台 通过深入分析 普朗克于1900年提出能量子假说 辐射 物质中具有带电的线性谐振子 由于带电的关系 能够和 周围磁场交换能量 这些谐振子 与古典物理学中不同 只可能处于某些特殊的状态 在这些状态中 相应的能量 是某一最小能量 的整数倍 即 2 3 n n为正整数 对于频率为 的谐振子来说 最小能量为 h 式中h 特为普朗克恒量 量值为6 63 10 34J S 为光频率 在辐射或吸收能量时 振子从这些状态中的某个状态跃迁 到其它的一个状态 同时普朗克推导出全新的黑体辐射公 式 并完全符合困扰经典物理学很长时间的实验曲线 普朗克假说打破了经典热力学对能量的描述 经典理论 认为能量是连续的 而量子假说认为能量是不连续的 人 们第一次意识到在微观领域 存在着与客观现象截然不同 的规律和概念 2 2爱因斯坦方程 早在电子被发现之前 就发现了光电效应 通过对光 电效应的研究 人们得出三条基本定律 一是 单位时间 内 受光照射的电极上释出的电子数和入射光的强度成正 比 二是 光电子的初动能随入射光的频率线性增加 而 与入射光的强度无光 三是无论光的强度如何 如果入射 光的频率小于受照电极的红限 就不会产生光电效应 三 条定律均来源于严谨的实验 而后两条与光的波动说形成 3 深刻的矛盾 波动说对光电效应实验中有关光强 红限以 及照射时间等内容几乎完全不能解释 1905年 爱因斯坦在普朗克假说的基础上 进一步提出 了光子假说 他认为 光不仅象普朗克已指出过的 在发 射和吸收时 具有粒子性 而且光在空间传播时 也具有 粒子性 光是一粒一粒运动的粒子流 并且每个光子的能 量也是 h 能流密度 单位时间内通过单位面积的光 能 表达式为S Nh 式中N为单位时间内通过单位面积的 光子数 爱因斯坦的光子假说对光电效应解释如下 金属中的自 由电子 吸收一个入射光的光子能量h 时 一部分用于消 耗逸出功A 一部分转换为光电子的动能 即爱因斯坦光电 效应方程 h 1 2mv2 A 爱因斯坦成功地解释了光电子的动能与入射光频率之间 的线性关系 圆满地解释了光电效应的伏安特性曲线等与 光的波动说不相容的现象 2 3玻尔理论 对于原子的结构 曾引起许多争论 1911年 卢瑟福 在粒子散射实验的基础上提出正确的核型结构 原子中全 部正电荷和几乎全部质量集中在称为原子核的很小范围内 电子在周围绕核运动 卢瑟福的核型结构虽然建立在充分 的实验基础之上 但与经典电磁理论产生了冲突 即从两 个方面不能解释原子是稳定系统的实际 电子既然绕核运 动 必然辐射能量 一是原子系统能量会逐渐少 频率也 将逐渐改变 因此应该得到连续的光谱 但事实上掌握的 氢原子光谱并不是这样 得到的是断开的谱线 二是电子 本身辐射能量后 应沿螺旋线接近原子核 最后落到核上 这样说来卢瑟福模型理应不是稳定的系统 1913年玻尔在卢瑟福原子模型的基础上 把量子概念 应用于原子系统 他提出定态的假设 即原子中的电子运 转轨道不是随意的 动量矩必须满足量子化条件 玻尔又 提出原子发光过程是电子在不同的稳定轨道之间的不连续 的跃迁过程 玻尔进一步推导原子系统的能量是不连续的 4 也是量子化的 原子从较高能级En跃迁到较低能级Ek时 就发出单色光 其波长 kn 1 ch En Ek 这一波长将成为 后文中产生激光的目标波长 玻尔理论简明地解释了氢原 子谱线并直观地解释了元素周期律 导致了72号元素铪 Hf 的发现 2 4量子理论的进一步发展 1916年密立根验证了光量子说的正确性 1923年康普 顿效应 x射线被电子散射时频率变小的现象 也证实了 爱因斯坦方程的正确性 1924年 泡利不相容原理 发表 泡利认为 原子中 不能有两个或两个以上的电子具有完全相同的量子状态 他建议对原子中电子轨道态 除已有的与经典力学对应的 三个量子数外引进第四个量子数 即乌仑贝克和高德斯密 特提出的 自旋 量子数 同年 德布罗意提出了表达波粒二象性的爱因斯坦 德布罗意关系 即实物粒子的运动既可用动量 能量来描 述 也可用波长 频率来描述 有的情况下 其粒子性表 现得突出一些 有的情况下 其波动性表现得突出些 这 种波被称为德布罗意波或物质波 这一观点在电子衍射照 片中 得到统计学上的证明 海森伯 约旦 玻尔等人几乎同时于1925年建立了短阵 力学 1926年 薛定愕提出描述波粒二象性的薛定愕方程 给出了量子论的又一个数学描述 波动力学 矩阵力学 与波动力学统一起来 统称量子力学 1927年 海森伯提出测不准关系 说明粒子的坐标和动 量不可能同时地 准确地测量 这正是微观粒子具有波粒 二象性的必然反映 其运动不能沿用经典的坐标 动量 轨道概念精确描述 力与加速度方程 F ma 对微观粒子 也不再适用 自1897年发现电子并确认电子是原子的组成粒子以后 物理学的中心问题之一就是探索原子内部的奥秘 逐步弄 清原子的结构及其运动变化的规律 认识了微观粒子的波 粒二象性 建立了描述分子 原子等微观系统运动规律的 5 理论体系 任何新理论 特别是与传统认知内容不相一致 的自然科学 最初都受到难以想象的怀疑和攻击 量子理 论的起源和发展更不是一帆风顺 通过大量的 严谨的验 证 才逐渐被人们接受 量子理论与相对论一起成为近代 物理学的理论支柱之一 对固体的能带结构 原子核物理 基本粒子的研究产生深刻影响 量子理论的产生和发展 标志着人类认识自然从宏观世界向微观领域飞跃 同时对 光通信技术产生了划时代的影响 3 3 激光的产生 激光的产生 3 1自发辐射与受激辐射 根据能量最小原理 高能级粒子会迅速跃迁到低能级 上 同时以光子的形成释放能量 这一过程完全是自发的 自发辐射产生的光子数量有限 并且光的频率 相位和方 向呈现杂乱无章的特性 因此只能发出普通光源低亮度的 光 除了自然界常见的自发辐射 爱因斯坦早在1917年就预 言了原子发生受激吸收和受激辐射的可能性 受激辐射是 指电子开始处于高能级E2 正好一个外来光子 携带能量 满足E h E2 E1 则这个电子会在外来光子诱发下从高 能级E2跃迁到低能级E1轨道 同时发射一个与外来光子相 同的光子 受激辐射的特点本身不是自发跃迁 必须受外 来光子的刺激产生 激光的发光机理正是受激辐射引发的 光放大 LASER 受激辐射的光放大 Light Amplification by Stimutated of Radiation 3 2产生激光的条件 受激辐射和受激吸收在粒子系统中同时存在 由玻尔 兹曼分布规律可知 处于低能级的粒子总数多于处于高能 级的粒子总数 受激吸收占有绝对的优势 显然 为了产 生激光 必须打破粒子的平衡态实现数子数的反转 3 2 1激光工作物质 实现粒子数反转 首先要选择具备合适能级结构的工 作物质 即激活物质 要求激活物质必须具备亚稳态能级 性质 6 3 2 2外界激励源 使激光工作物质达到粒子数反转 必须有足够的能量 输入系统 传给处于低能级的粒子以能量 促使它尽可能 快地 尽可能多的跃迁到高能级态去 即实现泵浦过程 满足阀值条件 3 2 3光学谐振腔 具备了上述必要条件 但不是产生激光的充分条件 还要具备损耗极小的谐振腔 在工作物质两端加上一对互 相平行且垂直于工作物质轴线的反射镜 反射镜之间构成 光学谐振腔 反射镜之间距离为所需激光半波长的整数倍 被激励物质先产生自发辐射 产生方向任意的光子 偏 离谐振腔轴线的光子经控制从侧面逸出腔外 只有符合沿 轴线方向的光子 允许在腔内的反射面之间振荡 在其前 进过程中与腔内受激粒子作用 产生相同量子态的光子 以此类推 光子数量呈几何级数增长 最终形成激光 综上所述 产生激光需要具备亚能级结构的激活物质 在外界激励作用下实现粒子数反转 经谐振腔的控制并放 大 3 3第一台激光器 第一台激光器诞生于1960年7月 由美国加利福尼亚休 斯航空公司的研究员西奥多 梅曼设计完成 此前许多人先 后尝试制造激光器 但在发明的过程中却出现了诸多的实 际问题 特别是在谐振腔的制造上 正如前文提到的 必 须使其适应极短的波长 按当时的工艺水平确实困难很大 据说查尔斯 汤斯研制的 微波激射器 被称为 钱泵 说他 的研究工作花费大量的金钱 从侧面反映出激光器的研制 非常困难 在这种情况下 梅曼用一年多的时间重新研究 红宝石的性质 他发现含有铬离子的氧化铝是适合制造激 光的好材料 经过详细的准备工作 梅曼的红宝石激光器 产生了第一束人造激光 这台激光器是一种固体激光器 由螺旋形闪光管构成激 励系统 经突然爆发的强光 刺激4厘米长的圆柱形红宝石 棒 通过光学谐振腔的加强和调节后 发出强力的激光 7 此后 氦氖激光器也实验成功 即出现气体激光器 以 氦 He 和氖 Ne 按4 1 10 1的比例混合做为工作物质 加以千伏高压 以玻璃管两端反射镜形成谐振腔 接下来 各种不同形状 不同大小 能产生不同功率 不同波长的激光器相继出现 其波长涵盖了从红外到紫外 以至伦琴射线的全部区域 其功率不断提高 其应用领域 不断广泛 目前激光正以日新月异的速度发展 大量的科 学工作者还在全力拓展激光领域的广度和深度 4 4 光通信中激光器的应用 光通信中激光器的应用 贝尔光电话不能产生实际应用的原因之一在于没有解 决良好的光源 当激光器出现后 对通信领域产生了很大 的鼓舞 很快就在通讯业界得到广泛的应用 光通讯技术 得以迅速发展 激光广泛应用于通讯在于它具备了良好的 特性 4 1激光的特性 4 1 1好的单色性 普通白光经牛顿棱镜折射后 可分解为不同频率的7种 颜色 可见普通光源的频率范围很宽 频率范围宽的光波 由于色散的影响 难以实现长距离通信 激光不同 激光 是一种单色光 其谱线宽度极窄 在传输中产生的噪声很 小 适宜长距离通信 加上中继技术的发展 光通信有了 可能 4 1 2强的方向性 激光束的方向性很强 其发散角可以达到10 3 10 5弧度 有资料称 如果用激光测量地月距离 其精确度可达到厘 米级 好的方向性 决定了高的亮度 可以把光高度集中 使激光广泛应用于工业 科技 医学领域 4 1 3高的相干性 相干性用来描述波的叠加特性 即干涉 由于激光可 以产生频率相同 振动方向相同 周相相同的两列光波 使得激光的相干性很高 比较接近干理想的完全相干的电 磁波 光波的相干长度与谱线宽度成反比 所以激光的相 干长度可达几十公里 激光的相干性 普遍应用于检测 8 校检 高精度测量和全息摄影等技术之中 4 2光纤传输对激光的特殊要求 4 2 1光纤的损耗 理论和实践均证明 能量损耗是光纤的普遍特性之一 信息在光纤中传输一定的 距离之后 均产生损耗 研究发现 光纤的损耗除 光纤本身产生的以外 与 输入光的波长有密切的关 系 右图反映石英类光纤 在传输不同波长的光波时 每公里损耗与输入波长的 关系曲线 显然 图中指 出三个低损耗点 即波长分别为850nm 1310nm 1550nm时 有三个极小的损耗值 损耗最小处的对应波长为1550nm 目前应用的光纤选择的传输波长即为1310nm和1550nm 理 论上光纤要求必须产生上述两个波长的激光 最终形成 1310和1550两个光系统 以上从光纤损耗的角度对激光的 波长提出特殊要求 4 2 2光纤的色散 色散是指输入信号 由于频率不同的单色光在光纤中 传输速度的不同 引起的波形失真 色散限制了一次性传 输距离 应尽力克服 前文述及激光的单色性特征 符合 降低色散的条件 虽然激光的谱线宽度极窄 但仍有一定 的宽度 必须达到要求的谱线宽度 满足光纤色散特性的 要求