从电子通信走向全光子通信

1、从电子通信走向全光子通信    2012-04-13     论文导读:电子技术在本世纪的通信领域里大显神威，占了主导地位，所以说二十世纪是电子时代。但在七十年代中期光纤通信发展以来，光子与电子结合成为通信的载体，使人们看到光子作为信息载体的巨大潜力，如果说由此开创了光电子时代的话，那么二十一世纪将是光子时代.    电子技术在本世纪的通信领域里大显神威，占了主导地位，所以说二十世纪是电子时代。但在七十年代中期光纤通信发展以来，光子与电子结合成为通信的载体，使人们看到光子作为

2、信息载体的巨大潜力，如果说由此开创了光电子时代的话，那么二十一世纪将是光子时代，光子将是信息的主要载体，在通信中占主导地位。本文在比较光子与电子的不同特性的基础上，分析了光子作为信息载体的优越性;在比较光子通信与光电子通信的不同模式的基础上，展现了光子通信的美好前景;在引入光纤光栅元件的基础上，介绍它可以构成的有关光子器件以及由这些器件所构成的全光纤一维光子集成波分复用通信系统。在容量上，由十光子没有电荷，彼此不存在排斥力，因此具有极好的空间相容性，其信息传输的复用能力是极为乐观的。此外，光子还有极大的存储能力、抗干扰能力和保密能力等。光子的所有这些特性，都是电子望尘莫及的，所以光子是比电子更

3、为优越的信息载体。全光子通信将占主导地位迄今为止，人们认识到有砚种通信的物理模式，如图l所示。在光纤通信以前所采用的电户通信，是将电子作为信息的载体，经调制后传至受信端，解调后再传给受信者。光纤通信首先是以电子作为信息的载体，经过电光转换，再以调制后的光子作为信息的载体;在受信端，经过光电转换并解调后再一、光子是比电子更为优越的信息载体识，它带有电荷，其静止质量为mo，运动质量为m。它只能在真空中传播，传播速度小于光速。光子的概念是从量子论而来的，量子论认为，各种频率的电磁波，包括光，只能以一定份量的能量自振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子则称为光子。光子不带电荷，具有能量E=h。，h为

4、普朗克常数，u为频率。它可在空气中传播，其速度即光速C，光在真空中的速度为3、1口"厘米/秒。光子的静止质量为零，运动质量mp则为h，/C，。光子与电子的这些特性的比较可见表1。由表l可见，光子在传输信息的效率、速率和容量上均优于电子。在效率方面，从理论上讲，一个光子可以携带无穷多个比特量的信息传送给无穷多个受信者。在速率方面，光子的电荷量为零，可在空气中传播，所以光子的响应能力极强。光子脉冲可轻易地做到脉宽为ps(皮秒)级，甚至达到几个fs(飞秒)，因此光子传输信息的速率可达几个、几十个表l电子与光子特性的比较通信是借助信息载体而实现的。电子作信息载体已经经过近百年的研究、开发和应

5、用。应当说，电子是信息的良好载体。但是，随着光纤通信的研究和应用，人们对光子作为信息载体的优越性有了更多的认识。电子的特性早已为人们所认性性质质电子子光子电荷特性静止质量m。运动质量光子通信(.玻示电子，O表示艘祝侧的电子，O表示光子.口表示被祝翻的光子.)图1以电子和光子为载休的通信模式外，所用的器件有两大类，一类是无源器件，另一类是有源器件。无源器件是指光与光之间的直接连接、分路、转换、波长分割复用或衰减等，不存在电/光或光/电的转换问题，所以大都能直接引入全光子通信。有源器件，传给受信者，所以这种通信模式可称光电子通信。显而易见，在光电子通信中，由于在通信系统的部分环节中，光子作为信息载

6、体参与了传输和处理，所以通信的能力和质量比电子通信有了大幅度的提高，但是，还要受到部分环节的电子技术的局限，如通信的容量、速率和信噪比等。随着光纤通信技术的发展，人们开始设想，如果直接以光子作为信息的载体，经调制后传至受信端，解调后即可直接传给受信者。这样，就可以彻底摒弃部分环节电子技术的局限性，充分发挥光子作为信息载体的优越性，使光纤通信获得更为巨大的进展。这种通信模式又称为全光子通信。现在已经成为光纤通信研究的热点，已经有相当的科研成果。可以说明全光子通信将在二十一世纪的通信中占主导地位。光纤光栅在当前的光纤通信中除光纤尤其是激光二极管、发光二极管等光源，它们的电/光转换是电子技术局限性的

7、主要原因，所以采用全光纤器件来代替这些光源是实现全光子通信的关键。光纤光栅目前已经研制成功，看来在这方面可以大有作为。光纤光栅的现象和机理光纤光栅是光纤放大器之后光纤主动性的又一次出色的显示。1978年Hill等人首次观察到掺锗光纤中的光感应光栅效应。十余年后，Melt:等人又发展r紫外光侧面写入光折变光纤光栅技术。所谓光纤中的光折变，即掺锗光纤中通过激光时，光纤的折射率随光强的空间分布而发生相应的变化，即光强强的部分比暗的部分折射率变化大。如用特定波长的激光干涉条纹(全息照相)从侧面照掺锗光纤，就会使其内部的折射率呈现周期性的分布，并被保存下来，成为光纤光栅。这种光栅在约500以下稳定不变，

8、用500以七的高温可以擦抹。一般认为，光纤光栅的光致机理是由于诱导光使掺锗光纤中的某些键受到破坏，释放出自由电子。这些自由电子进入色心陷阱，它们改变了掺锗光纤的吸收等光学特性，使之产生光折变效应。这种效应主要发生在光谱区的近紫外波段，如紫光写入为周期型分布、则光纤内部的折射率也将产生相应周期的分布。这时所形成的光栅又称为布喇格(Bragg)光栅。制作光纤光栅的光纤和光源制作光纤光栅的光纤必需是光敏光纤。除了应用掺锗光纤等高光敏性光纤外，也可将通信用的普通标准单模光纤作敏化处理:即去掉光纤的保护层，将其置于几十汉105Pa至巧0火1厅Pa的氢气高压容器中，在常温下渗氢JL天，使普通光纤的光敏性提高几十倍至几百倍。至于制作光纤光栅的光源，由于光纤的光致折射率变化