-
-
加入收藏
设为首页
加入收藏
设为首页
一、前言
一提到光，人们会立刻联想到太阳光和电灯光。在高中物理我们就已经知道光是一种电磁波，太阳光和电灯光可以看作是波长在可见光范围内的电磁波的混合体。在可见光波段范围外还存在非常宽的短波和长波。不同波段范围的光因其独有的特性在不同的领域均有广泛的运用。
二、光的波粒二象性
a、粒子性：
从古老的牛顿经典力学开始到现在普遍认可的量子力学，人们对光的认识经过了漫长的过程。光生热、光电效应、康普顿效应等现象可用粒子模型解释。光子——一个携带光能量的量子（Quantum）概念，跟所有运动粒子一样，光子同样遵守能量守恒和动量守恒。这种量子概念假设由普朗克（Planck）于1900年在解决黑体辐射这个困扰人们多时的问题时首先提出，他指出，必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断的，而是分成一份一份的。光子能量可用普朗克方程来描述：
E=m(c^2)
光波可以用波长、频率和传播速度来描述。频率是每秒传播的波数，波长是在介质或真空中传输一个波（波峰-波峰或波谷-波谷，一个完整周期）的距离。频率ν、波长λ和光速c的关系为：
v=c/λ
此公式在光纤通信技术上会经常用到。
b、波动性：
除了能量、粒子等特性，光波还具有反射、折射、干涉、衍射、偏振等特性，这是其波动性体现。光是一种电磁波，在均匀介质中可用麦克斯韦方程的弱导形式近似描述：
我们常说的光纤中的模式，其本质可归结为光波在给定边界条件下（光纤波导近似均匀圆柱），其本征方程在特定本征值条件下的解的问题。（后面在介绍光波在光纤传输时会详细说明）下图详细介绍了不同波长的光对应的频率以及相关的应用。特别注明了光通信用的光波波长范围和频率。
图1 电磁波频率与波长关系
由麦氏方程可以看出，电磁波本质上是由密切相关的电场和磁场组成。同理，光波也一样，它的电场和磁场随时间不断地变化，分别用Ex和Hy表示，在空间沿着z方向并与z方向垂直向前传播。最简单的行波是正弦波，沿z方向传播的数学表达式为：
式中，Ex是时间t在z方向传输的电场，Eo是波幅，ω是角频率，k是传播常数或波数，k=2π/λ，这里λ是波长，ϕo是相位常数（初相位），（ωt-kz+ϕo）称为波的相位，用ϕ来表示。因电场磁场总是同频率相互影响且正交，所以，一般数学上就用电场方程表示光波函数。在分析光的干涉时也是使用电场的三角函数进行波的矢量相加计算的。
图2 电磁波传播与电磁场相互影响变化
三、光的反射、折射、干涉、衍射
1、反射、折射
光在同一种物质中传播时，是沿直线传播的。但是光波从折射率较大的介质入射到折射率较小的介质时，在一定的入射角度范围内，光在边界会发生反射和折射，如图3（a）所示。入射光与法平面的夹角θi叫入射角，反射光与法平面的夹角θr叫反射角，折射光与法平面的夹角θt叫折射角。把筷子倾斜地插入水中，可以看到筷子与水面的相交处发生弯折，原来那根直直的筷子似乎变得向上弯了，这就是光的折射现象，如图3（b）
图3 a）入射光、反射光和折射光 b）插入水中的筷子变得向上弯曲了
根据光路可逆原理，假设光在n1（折射率大）中传输，入射光θi角度继续变大，那么折射光θt相应增大直至平行于交界面，此时折射光消失，入射光100%变成反射光束缚在n1介质中传输，此即光纤波导传输光的基础——全反射。光纤的其中一个关键参数——数值孔径即跟芯包层折射率有关，其大小直接反映了光纤的收光能力。临界θi越小，可接收光线角度越大，收光能力越强。
2、干涉
干涉是两列波或多列波叠加时因为相位关系有时相互加强，有时相互削弱的一种波的基本现象。
目前关于光纤通信技术所涉及到的原理几乎都离不开干涉。调制器，滤波器等器件模块均使用干涉改变初始光的一些特性（幅值，相位等）实现编码滤波。而OCT，OFDR等技术也使用相干检测来实现信号探测和解调。其本质是通过干涉把极微弱的待测信号加载到拍频信号（干涉后信号增强），同时差频信号使得原本无法在电路上做信号检测的光频（通信用的光频率在190Thz左右）变成人为可控的差频，大幅提升相关设备的信号探测能力与精度。如下式所示：
其中，为光电转换系数。上述表达式为两束光干涉后，探测器中的电流。式中前三项均被滤除（两项为直流项，一项为高频项），只剩最后的拍频项。为拍频频率。显然，只需控制差频频率较低时（Mhz或者Khz），电路上更容易做滤波及放大。
光的相长相消条件：
相长：两束光光程差为波长的整数倍
L=mλ m=0、±1、±2……
相消：光程差为半波长的奇数倍
L=(m+1/2)λ m=0、±1、±2……
以上两个干涉公式是分析所有干涉现象的基础，不同的产品或结构只是找出变种的光程差而已。在现代光通信系统上同样也是很多部件的设计原理，例如M-Z干涉结构，F-P干涉结构，迈克尔逊干涉结构等。无论是激光器，调制器，滤波器还是光学传感器均离不开这些设计方式。
3、衍射
光的衍射（Diffraction）是指直线传播的光实际上绕射到障碍物背后去的一种现象，这是波的一种共性。图4（a）表示准直光通过孔径为a的小孔时产生光的偏转，产生明暗相间的光强花纹。明暗相间的条纹明显对应干涉相长和相消，与干涉相似。从本质上说，衍射可以理解为多个微分点光源的干涉叠加效果，如图5所示。所以干涉与衍射既有相关又有区别。
图4 光的衍射
图5 不同光源的衍射光斑形状
四、激光原理及激光器介绍
激光是受激放大的光，在光通信中绝大多数情况均是使用激光作为信号传输载体，它的优点就是频率单一，方向性好，能量集中，除此之外，还有一个重要的因素——极好的相干性。下图介绍了光粒子与物质作用的3种过程。
图6 光子能级跃迁的三个过程
自发辐射：随机且独立进行，一直存在，相位、偏振、方向随机，能量分布于众多模式。
受激吸收：吸收外来光子，光子从低能级跃迁只高能级 hv=E2-E1。
受激发射：受外界光子刺激，发出同入射光同一频率光子。
说明：三种过程同时存在只是强弱差别；自发辐射光子可作为受激吸收和受激发射诱导光子；自发辐射光子相位无规则分布，光子不具有相干性，受激辐射光子光子态相同，有较强相干性。
从受激辐射原理和激光特性可以看出激光器的设计思想：希望受激辐射产生的相干光子增加——1.光波模式选择；2.光的受激放大辐射。一般激光器的构成条件必须有三部分：泵浦源、工作物质以及谐振腔。
1）泵浦源
提供外界入射光子，这是受激吸收和辐射的主要光子来源。
2）工作物质
只有依靠外界向增益物质提供能量（光子），才能打破热平衡，实现粒子数反转。只有达到粒子数反转状态，受激辐射才是主导地位，才能出现增益。
3）光谐振腔
主要对增益光进行选模，尽可能低损耗的输出想要的模式。
图7 激光器组成部分
五、总结
本文主要介绍了关于光的一些基本相关知识和特性。全面了解光的基本原理和性质，会对许多模块、器件、系统设计的原因有更深刻的理解，同时，在研发或者测试过程中遇到的一些问题、出现的现象会有更深厚的理论基础支撑去解释现象、解决问题。
作者QQ及微信：49922779 
