量子理论对光通信的贡献

1、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 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。关键词：量子理论 激光光通信1、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

2、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、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曲 线开始。基尔霍夫定律（I860年）指出：任 何物体的单色辐出度和单色吸收比之

3、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8的整数倍，即：8、28、38、 n

4、8、 （n为正整数）对于频率为u的谐振子来说，最小能量为& =hu （式中h 特为普朗克恒量，量值为6.63 X 1 0-34J.S, u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

5、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 &= hu,能流密度（单位时间内通过单位面积的光

6、能）表达 式为$=业。（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hu时，一部分用于消耗 逸出功A, 部分转换为光电子的动能，即爱因斯坦光电效 应方程：hu=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

7、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

8、的能量是不连续的，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Ln=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

9、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

10、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

11、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、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=hu=E2-E1），则这个

12、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 Stimulated 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

13、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。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

14、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I960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

15、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。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4:110:1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

16、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、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

17、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、校检

18、、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。光纤制