第1节

光子的相关概念

在20世纪，随着电子技术的发展，信息处理、数据存储和通信都取得了惊人的进步。与此同时，人们也开始处理光纤和光波导中包含的光信号。“光子学”一词体现了这两种技术的结合，包括制造以光学性质为核心的设备。未来人们可能通过光学计算取得商业成就。光学技术在诊断医学和治疗中已经取得成功，但其应用仍未普及。不幸的是，医学界在接受新方法方面存在相当严重的惰性，尤其是在涉及新的专业领域或不熟悉成功疗法的相关知识的情况下。但是，一旦其商业价值与医疗价值得到认可，未来的光子技术将蓬勃发展。

表12.1简要概述了光子学的技术应用。光纤、卫星无线电通信和高密度发射机的出现改变了我们对电信技术的应用，其影响涉及电子邮件、电视、电影、互动游戏和监控等。大多数情况下，这些改变都被视为积极的进步，但不容忽视的是，这些技术也带来了诸多社会影响，它们侵入我们的生活，甚至有可能控制我们的生活。它们从多方面侵犯人们的隐私，为计算机犯罪和网络犯罪的升级提供了技术支持，同时也被积极地开发成破坏和战争的工具。

表12.1 光子学的技术应用

技术造成的错误并不是什么新鲜事，目前（2020年）关于新型5G通信所用频段的争论是商业利益优先于国际利益的典型案例。在这种情况下，通信所用频段可能与用于天气预报和水蒸气检测等方面的频段重叠。这似乎很荒谬，有研究显示，这会导致预报能力降至1970年左右的水平，而5G系统的主要作用只不过是提高那些社交媒体琐事的传送速度。

这些21世纪的思想进步可能存在争议，但可以肯定的是，它们会进一步改变我们的生活，此外，表12.1中提到的所有技术应用无一例外都通过某种形式，利用缺陷来实现这些组件。我们不可能做出精确的预测，而且许多技术仍然是商业机密。

光纤所需要的光子元件

光纤通信可能是光子学最常见的例子，很显然，我们不仅需要光纤生长和大规模生产的技术，还需要一系列紧凑、强烈和定向的光源，以及以极高速度工作的探测器。数据传输速率以每秒数十亿的脉冲数进行衡量。但幸运的是，以良好的稳定性连续运行的半导体激光器可以根据这样的数据传输速率对其输出进行调制，检测器也可以处理这样的信号。信号的交换、路由和混合充满了挑战性，因为我们需要沿着光纤发送电子邮件、互联网、电视频道和其他项目。要做到这一点，我们需要对所有重叠信息进行混合、分离、编码和解码。由于光纤的吸收损耗与散射损耗，信号强度会随光纤的距离而下降，因此我们必须在信号衰减时放大信号。很多元件可能需要进一步完善，但接下来我只会简要介绍一个简单的光开关、一个快速脉冲源和一个光纤放大器的操作。这些概念很简单，但由于材料的缺陷，其制造具有一定的挑战性。

光开关和光路由

从原则上来说，光纤信号的混合和路由与早期的电话交换机几乎没有区别——在早期的电话交换中，运营商用一根带插头的电线将来电者的电话线接入另一部电话的电话线。而现在，这类产品已实现全自动化，不需要移动部件，并且只需要通过光波导使光信号按一定的路线发送。它的速度提高了百万倍，而且更加安全。路由的改良被纳入基于铌酸锂等材料的光开关结构，其中光被限制在靠近晶体表面的光波导路径中。如前所述，引导路径的折射率高于周围材料的折射率。为此需要添加杂质离子，用掺杂剂来提高引导区的折射率，或者利用结构损伤和失调，降低引导区周围材料的密度和折射率。

光学特性未必符合我们对物体特性的一般经验，因为光可被视为小能量包（光子）或波。如果有两条平行隧道，中间用一个很薄的分隔物隔开，我们驾车行驶在其中一条隧道中，只有当障碍物被拆除时，我们才能驶入另一条隧道。相比之下，沿着一个光波导传送光子（光）的情况则完全不同。光具有类似波的性质，因此它并不会被完全限制，它的侧面露出一条光能尾巴，可以延伸到物理边界之外。如果这种光能可以穿过边界进入第二条光波导中，那么信号将隧穿出去。如果两条光波导是平行的，光子将在两条光波导之间跳跃，并来回振荡。然而，如果两条光波导短暂相交，然后分离，那么可以将相交的部分设置成从一条路径切换到另一条路径的开关。实际上，两条路径之间振动能量传递所引发的共振，与耦合摆之间的能量转换相同。这并不是一个新概念，因为早在1673年，克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）就探讨了摆锤效应。

为了使开关可控，我们可以利用一种折射率可通过电场改变的材料。许多光学晶体会因电场或压力变形，被称为电光材料或压电光材料等，例如铌酸锂。这种材料的主要特点是原子在一定方向上按顺序排列，因此端面会出现差异。如果晶体结构的平面序列是ABCABC……这样的晶体可能是理想的材料。我们最初可能以为，铌酸锂有两种平面，即锂平面和铌平面（即ABABAB……），但其晶体结构包括第三种选择，即有一组未被占据的金属格位。因此铌酸锂的平面序列是锂、空位和铌组成的ABC结构。每个平面都被氧离子层隔开，彼此的间距并不相同。结构的不对称意味着晶体具有方向性，一端可能带正电，另一端可能带负电。施加电场会使晶体变形并改变折射率。因此，它可以作为改变两个光波导区域间势垒的开关。这种效应可以被反向运用，通过挤压材料产生压电电压，形成电火花，燃气打火机就是利用了这一原理。铌酸锂对光子学非常重要，其晶体结构如图12.1所示。如第10章所述，该结构在尺寸和离子排列上与蓝宝石（Al2O3）几乎相同，但蓝宝石的每个金属格位上都有铝离子，且蓝宝石轴面上的所有金属离子都整齐地排列在一起，相比之下，在铌酸锂的结构中，离子会沿轴面轻微摆动，使它在压力或电场下更容易变形和起皱。

图12.1 铌酸锂的晶体结构

注：铌酸锂与蓝宝石的结构非常相似，因为结构单位都有氧离子构成的三角形平面，由金属离子或空位的平面分隔。间隔距离以纳米为单位。氧离子决定了晶胞的大小，从顶部看，铌酸锂与蓝宝石都有三重对称轴。这在一些晶体中非常明显，比如星光蓝宝石。对于铌酸锂，锂、空位和铌按照ABC的顺序排列，这意味着顶部和底部存在电性差异，其中一端相对于另一端带有微弱的正电。这些氧离子与金属平面的间距不等，这种扭曲再加上未填充的空位，使沿纵轴的离子排列易发生起伏，从而扭曲晶格结构，改变折射率。

找到了对电场反应强烈的材料后，可以用电场来控制折射率，从而设计铌酸锂波导的光开关和光路由。方案是在铌酸盐表面制造两条高折射率的光波导。两条光波导之间的距离足够远，因此光无法隧穿。如果光波导与周围材料在折射率上差异巨大，那么这个间距可以缩小，因为它为光学隧穿制造了更大势垒。小心地分离两条波导后，我们可以在它们之间的区域施加电场，以扭曲晶格并降低势垒。这样一来，光将从一条波导隧穿到另一条波导（图12.2）。在一段很长的材料中，光会在两条波导之间来回摆动。电场为光信号提供了一个开关。铌酸锂并非独一无二的材料，但它是透明的，反应灵敏，而且已经过精心研发，因此就像硅是最受欢迎的电子学材料一样，铌酸锂也成为最受欢迎的光子学材料。图12.3展示了电光晶体中的光开关设计，其光波导取决于杂质。图12.4显示了光波导耦合，是施加电场与不施加电场时的折射率分布。我选择纵向绘制折射率轴，但折射率由下向上递减，这样可以体现限制光线的光陷阱。因此，你可以用通道中的水流来类比该模式。

▲图12.2 无源光波导耦合

注：两条平行的光波导内置于材料的表面区域。光从波导A隧穿到波导B，然后来回摆动。如果长度合适，它可以充当一个耦合器，将能量从一条波导传递到另一条波导。

▲图12.3 光开关

注：电场可以改变中间势垒层的折射率，并将两条光波导耦合，从而在两者之间实现能量转换。

图12.4 光波导耦合

注：左侧显示了两个相互独立的光陷阱的折射率分布。添加电极和电场来控制势垒层的折射率以及穿过更宽引导区的能量流动。在这个例子中，引导区的折射率高于主体材料的折射率。

产生稳定的光脉冲

如果从耦合到光波导中的激光光源开始，信号将流向检测器。对于数字通信，我们需要非常迅速地开启和关闭信号。但是，打开和关闭激光器会产生强度和频率（即波长）不完全稳定的脉冲。这将限制同时沿同一光纤传送的几个彼此靠近的载波速度和使用。因此，需要使各种激光器连续运行并产生断续信号。能做到这一点的设备是干涉仪。和往常一样，这个概念也基于我们所熟悉的例子，比如池塘中有一座小岛，我们可以观察池塘水面的波纹图案。将激光束分成两条相同的波导，将它们重新结合在一起后，这两部分仍然完全同步，因此它们只是重新叠加在一起，并继续以一个信号传输。但是，如果我们改变一条支路中的波导速度（即折射率），那么这两条波可能不再同步，并相互抵消。这两种情况分别为0和1。在调制器的一条支路上施加电场，意味着我们可以在没有频率漂移或强度变化的情况下干净利落地控制光信号脉冲。该设计如图12.5所示。

图12.5 一种电光干涉仪

注：图中简要描绘了内置在铌酸锂等材料表面的光波导。其目的是将连续的激光信号转换为断断续续的脉冲。脉冲电极改变一条支路的折射率，使两个信号在重新组合时变成反相，两条波相互抵消。

波的干涉模式不仅限于小池塘，也存在于海洋中。在面积辽阔的太平洋上，最初的波浪可能是一系列直线（平面波）。海洋中的岛屿会造成驻波模式，波浪的强度和交叉方向由岛屿的位置决定，最初的平面波遇到岛屿后发生绕射。太平洋波利尼西亚群岛的人制作了条形图案来表示各种波浪的强度和它们的交叉模式，帮助他们在无法看清岛屿的时候也能继续在海上航行。它与平面波遇到障碍物发生绕射的数学原理相同，但比光学早了数百年。

直列式光纤激光放大器

当信号沿着光纤传播时，光纤的吸收和散射会造成微小的信号损耗。此外，即使是来自激光源的脉冲也会因波长不同（因此传播速度也不同）而产生微小的频谱展宽。这在光通过棱镜时或在彩虹中非常明显，蓝光的传播速度比红光慢，因此光通过棱镜后被分离成光谱。展宽会使脉冲彼此难以区分。这两个问题都限制了光纤的可用长度。早期人们通过设备在光纤内放大和再生清晰的脉冲，试图将光学数据转换为电信号，从而使用电子设备对其进行混合并重新定时，然后再重新转换成光脉冲。这种方法具有可行性，可用于低数据传输速率的光纤技术。但它的缺陷也很明显，所有元件都会增加成本，需要进行维护，而且由于复杂性提高，元件的使用寿命可能会缩短，并且偶尔会出现故障。故障未必会造成严重后果，但如果故障发生在跨大西洋或太平洋的光纤线路中，后果将不堪设想。在技术进步方面还有一个容易被忽视的问题，光纤现在可以传输100条或更多不同的信号通道，它们由近红外光谱中紧密相邻的波长进行颜色编码。如果每个颜色编码的信号都有单独的放大器，那么第一步必须将通道分离成紧密相邻的颜色（波长）通道，然后转换回电信号，经过放大后再转换成光信号，且波长保持不变。这是一个巨大的挑战，要在100个通道内完成是不现实的，而且每一个放大器都需要完成这样的步骤。这是不现实的。光纤内置光放大器技术的突破与成功，解决了这个问题。现代锗硅酸盐光纤在波长1.54微米左右的近红外区域尤为透明，并使用具有高达100个信号波长的透明窗口，光子能量分隔缩小至约20纳米（相当于在1.54微米左右的光谱区内有大约0.01电子伏特的能量）。

通过在光纤中掺杂铒离子，我们偶然得到了这样一个光谱区，即铒离子的发光波长范围与1.54微米左右的光纤传输窗口相匹配。用简单的局部激光光源激发一段掺铒光纤，被激发的铒离子发生弛豫现象，发射出我们所需要的波长。铒是所谓的“稀土”元素（镧系元素）之一。镧系元素包括15种元素，它们具有一种特别的性质，即在化学反应中三个外层电子的能级高于一些未被占据的内层电子能级。因此，这些元素在化学上具有相似性，但在能级间隔方面不同，光学跃迁波长也不同。对于不同的传输波长范围，我们可以使用不同的稀土离子。

同样幸运的是，普通光和激光之间也有根本区别。对普通光源来说，光子会向各个方向发射，并且各个光子相互独立。在激光中，一些光子会朝同一方向前进，其他光子受到刺激，也会朝相同的方向移动，并且所有光子都是同相位的，且具有相同的波长。这个过程需要极高的光强度，但当它开始以后，所有能量都朝向同一个方向，每个光子以相同的方式发挥作用。我们可以用非科学的事例来打比方，比如一群人随机朝不同的方向前进，然后一些重要的事件迫使他们朝一个方向步调一致。足球比赛中的墨西哥人浪也是类似的情况。最终，这样的光源可以实现随机个体之和不可能实现的事情。

一个简单、连续的局部光泵浦激光器可以激发掺铒光纤放大器。在没有任何外部刺激的情况下，电子最终会发生弛豫，发射出波长范围在1.54微米左右的光。然而，即使是微弱的激光脉冲通过该区域，也会在与信号脉冲完全相同的输入波长和相位上触发铒离子的发光衰减。这样可以重建数据脉冲并对其进行改造。此外，每个这样的信号放大都可以独立进行，并在所有载波波长下并行运行（图12.6）。

图12.6 一种光纤放大器

注：铒离子受到局部连续激光的激发。铒离子在1.4至1.6微米之间（与光纤的最透明区域完美匹配）自然衰减和发光。微弱的入射信号脉冲触发同波长的发光衰减，并重建出射激光脉冲的强度。每个信号通道独立工作，因此只要一段简单的掺铒光纤就可以根据需要选择性地放大100个信号通道。

半导体中的光波导

对制造发光二极管和波导激光器的半导体来说，光波导同样重要。半导体方法是在晶体的各个区域掺杂不同的杂质，通过控制杂质和缺陷来改变成分。激光输入能量来自进入材料富电子区与缺电子区之间的结区的电流。相比之下，在绝缘材料中，为了通过泵浦获得输出波长，输入能量也可以是另一种激光（通常波长较短）。无论使用哪种方法，泵浦能量都会刺激目标（半导体、晶体或玻璃）发光。只有当激发强度足够高时，才能从随机方向上的发光转换为单一方向上的紧密定向激光束。将发光限制在光波导中，可以使能量集中在一个方向上，并使整个光波导长度内的信号发挥作用。波导结构大大提高了激光作用的效率，降低了对泵浦功率的要求。因此，所有紧凑型激光源都含有光波导，无论它的基础是半导体还是光子机制。这又是一个通过控制缺陷来实现现代技术的经典案例。