光子学的重要 分支学科 及其发展 光子学器件2.docVIP

光子学的重要 分支学科 及其发展 光子学器件2 原文地址:光子学的重要分支学科及其发展(光子学器件2)作者:loyalism光子学的重要分支学科及其发展(光子学器件2)2.3信息光子学 信息光子学是光子学与信息科学结合形成的一门交叉性学科，它以光子作为信息载体的信息获取、信息传递、信息处理、信息存贮和信息显示等为主要研究对象，并因此形成了光子探测、光子存储、光子显示、光通信与光信息处理等诸多高新技术领域。由于光子作为信息载体，本质上具有极高的信息容量、极快的处理速度、极强的和无交叉干扰的并行互连能力以及极大的存贮能力，因而使信息光子学成为光子学最大和最活跃的应用领域之一。 基于光纤的光通信是本世纪影响人类生活的最伟大的科技成果之一，它不仅开创了巨大的光子学工业，而且导致了信息高速公路这样一个将对人类社会发展产生重大推动作用的世界性光子学工程。又如，光盘存贮及其在计算机和日常生活中的应用也造就了新一代光子学工业，21世纪光子存贮将成为存贮技术的主流。诸如此类，说明光子作为信息载体的优越性正在被不断的开发出来，继今天的电子学时代之后下一个世纪将成为光子学时代。 下面介绍信息光子学的最重要的五个技术领域，即光纤光子学、光通信技术、光子信息处理技术、光子存贮技术和光子显示技术。 2.3.1光纤光子学 1970年石英光纤研制成功，1979年在1550nm附近的损耗降低到0.2dB/km。从而引发了光纤通信领域的革命，同时也成为推动光子学发展的一个重要里程碑。掺铒光纤放大器与光纤光栅的相继研制成功，进一步推动了光纤通信的迅速发展。随着通信容量的提高，又迫使人们越来越多地面对光纤非线性效应的种种问题，于是，不断涌现出相应的理论与应用研究成果，最近，《非线性光纤光学》专著的发表，标志着光纤光子学作为一门新的学科分支已经趋于成熟。 1,光导纤维-光纤 (1)光纤的主要特性 光纤作为光子信息的传输线路，它与光子互作用的固有特性主要表现为损耗、群速度色散(GVD)和非线性。 A光纤的传输损耗与色散 当前，光纤作为光子传输的有效导波介质，其制造工艺已经成熟，并且已经在通信与传感等领域获得成功应用。单模光纤的损耗机制主要源于材料吸收和瑞利散射，因而都与光波长有关，熔石英光纤在1550nm波长附近大约有70nm(~9THz)的低损耗区，因此成为光通信的主要应用和开发窗口。为进一步降低损耗，人们从材料，波长选择和结构设计等方面做了探索性研究，但至今收效甚微。 光纤的色散主要来源于折射率对光波频率的非线性依赖关系。通常是把模传输常数在0处展成泰劳级数来表达色散效应的，将其二阶项系数2称为群速度色散参量，习惯上用另一个参量D表示色散值，其间关系是:D=d2/d=-2c2/2。普通单模光纤(*F)的零色散波长D1310nm。光纤色散包括材料色散与模式色散，这样，依靠特别设计光纤参数，借助模色散来调整总色散，可使其D移到1550nm附近的低损耗区，这种光纤便称之为色散位移光纤(DSF)。色散使信号光脉冲展宽，导致误码率劣化，是一种不利因素，因此在光纤通信传输系统中补偿色散是十分重要的。目前行之有效的色散补偿方法有:光孤子传输方法;光纤光栅补偿方法;交替使用具有D值的DSF光纤或+D值的DSF和*F以适当的色散值搭配(也称色散管理)补偿方法。传输2ps的光脉冲时，除需补偿上述的二阶色散外，还需补偿三阶色散(D-曲线的斜率)，可采用具有色散负斜率光纤预补偿技术，也出现了一种硅基平面集成光波导线路(PLC)的色散斜率均衡器件，实现色散斜率预补偿。鉴于色散补偿的重要性，有人提出尽快建立色散补偿工程，以合理使用和设计各类光纤传输系统，使其运行在最佳状态。 B光纤的非线性效应 光纤的非线性效应内容丰富，应用广泛，是光纤光子学的重要研究内容之一。任何介质对强电场的响应都是非线性的，由于光纤细而低损耗，故在整个传输长度内保持纤细(几微米直径)的光斑，这就使得本来是属于强光非线性的SiO2具有了弱光非线性，从而使它成为一种十分重要的宽带非线性介质。熔石英是玻璃体，因此主要的非线性是与极化率有关的各种三阶非线性效应，诸如自相位调制(SPM)、光孤子、交叉相位调制(XPM)、受激喇曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)、四波混频(FWM)和光参量过程(OPG)等。一般讲，与有关的效应在SiO2这种对称结构的分子中不会存在，但实际上有如二次谐波的产生及和频等三波互作用过程恰恰在石英光纤中发生了，初步认为主要是四极子和磁偶极子效应的存在，也与光纤中的掺杂物有关，并且由于前述的材料色散、模色散，和非线性引起的相位失配，在一定条件下的组合使得相位匹配成为可能，这也是FWM等光参量过程所必须具备的动量匹配条件。于是，像的串级现象表现出的三阶非线性效应也是能够发生或在某些已有的实验现象中已经