大家有沒(méi)有看過(guò)有線電視呢？其能夠滿足用戶對(duì)高清電視、視頻點(diǎn)播和互聯(lián)網(wǎng)接入等多媒體服務(wù)的需求，但你知道電視的信息是靠什么傳輸?shù)膯幔渴峭ㄟ^(guò)地下或海底的線路網(wǎng)絡(luò)也就是光纖來(lái)完成的，而現(xiàn)今世界的大多數(shù)信息都是通過(guò)光纖來(lái)傳遞，光纖還用于醫(yī)療器械，讓我們了解一下光纖是怎么工作的，以及它是怎么改變了我們周邊世界的，光纜由數(shù)以千計(jì)的光纖維組成，而每根光纖的粗細(xì)跟人的頭發(fā)絲差不多，光纜以光的形式承載信息。

讓我們先學(xué)習(xí)一些光的基礎(chǔ)行為，來(lái)理解光纖的原理。光在不同介質(zhì)之間傳播的速度是不一樣的，這個(gè)變化的速度，用折射率來(lái)表示。而光的速度變化導(dǎo)致一個(gè)有趣的現(xiàn)象——折射，要理解折射我們可以想象一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，假設(shè)光穿過(guò)一個(gè)三棱鏡，你可以看到光在三棱鏡的表面發(fā)生了彎折而不是直走，這種現(xiàn)象就叫折射。折射發(fā)生在光通過(guò)不同折射率的介質(zhì)時(shí)，光在從高折射率介質(zhì)通過(guò)低折射率介質(zhì)時(shí)會(huì)被折向表面，折射會(huì)導(dǎo)致放在水杯里的鉛筆看上去是折彎的。

圖1 折射

光纖就是有效利用了折射原理。現(xiàn)在，我們進(jìn)一步推演這個(gè)三棱鏡實(shí)驗(yàn)。假設(shè)用一些添加劑不斷地提升玻璃的折射率，當(dāng)我們提高折射率的時(shí)候，光線會(huì)越來(lái)越接近玻璃表面，過(guò)一段時(shí)間你會(huì)發(fā)現(xiàn)光沿著玻璃表面?zhèn)鞑ァＨ绻覀兝^續(xù)提高折射率，光線會(huì)突然回到原介質(zhì)內(nèi)部而形成純粹的反射，這個(gè)被叫做全反射。我們可以通過(guò)改變?nèi)肷浣堑姆瓷鋪?lái)實(shí)現(xiàn)全反射，而不必去提高折射率，這個(gè)特定角度就叫做臨界角，光線將回到原介質(zhì)。這種全反射現(xiàn)象被應(yīng)用于光纖的光傳輸。

圖2 全反射

這是一個(gè)光纖的簡(jiǎn)化模型，高折射率的玻璃圓柱體，如果激光以超越臨界角的角度進(jìn)入光纖就會(huì)形成全反射，光線會(huì)一直到達(dá)另一端，這意味著光可以在光纖中長(zhǎng)距離運(yùn)輸，無(wú)論光纖本身是什么形狀，請(qǐng)記住全反射會(huì)在較高折射率的玻璃和較低折射率的空氣間發(fā)生，然而光纖需要保護(hù)鎧甲，鎧甲可不是這樣的折射率。所以需要在中間加上特殊的材料取代空氣實(shí)現(xiàn)全反射。一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法就是在玻璃芯外層鍍上低反射率玻璃，從而實(shí)現(xiàn)全反射效應(yīng)還能保護(hù)光纖，光纖芯和鍍層都是二氧化硅材料。不同的折射率是通過(guò)不同的添加物實(shí)現(xiàn)的，我們剛剛做的光纖是不能傳輸超過(guò)100公里的，這是因?yàn)樵诠饫w中發(fā)生的各種損失，這種信號(hào)強(qiáng)度損失稱為衰減，吸收和散光是衰減的主要原因，這就是為什么你會(huì)看到有放大器的存在，它們?cè)鰪?qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，以使得信號(hào)傳遞更遠(yuǎn)，放大器需要從附近的電源取電。

圖3 光纖模型

現(xiàn)在回歸原來(lái)的主題，光纖是如何傳遞諸如電話或者互聯(lián)網(wǎng)類的信息呢？任何信息都可以用0和1的序列來(lái)表示，假設(shè)你想從你的手機(jī)上發(fā)一個(gè)HELLO的短信，首先這個(gè)單詞會(huì)被轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制序列，轉(zhuǎn)化完畢后你的手機(jī)會(huì)把這一串二進(jìn)制以電磁波發(fā)射出去，簡(jiǎn)單假設(shè)1用高頻波表示，0用低頻波表達(dá)，本地的基站塔會(huì)接受到這些電磁波，在基站塔中高頻電磁波會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光脈沖，否則沒(méi)有光脈沖。現(xiàn)在這些光脈沖就可以通過(guò)光纖方便地傳遞了，承載信息的光脈沖將通過(guò)復(fù)雜的光纖網(wǎng)絡(luò)到達(dá)目的地，因此地球表面部署了很多光纜，這些光纜位于地面以及海底，主要是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商等機(jī)構(gòu)維護(hù)這些光纖，例如AT&T，ORANGE，VERIZON等全球運(yùn)營(yíng)商擁有和維護(hù)海底光纜。

下面是一個(gè)海底光纜的橫斷截面示意圖，你可以看到只有很小一部分用來(lái)放置光纖，其他部分都是用來(lái)保護(hù)和增強(qiáng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，那么放大器在海底是怎么取電的呢？是因?yàn)樵诠饫|的中間有一個(gè)薄薄的銅殼，沿著光纜給放大器供電，也就是說(shuō)如果某個(gè)地方不通過(guò)光纜，那個(gè)地方將成為電話和互聯(lián)網(wǎng)的孤島。如果我們把光纖和傳統(tǒng)銅纜電線相比較，光纖在各個(gè)方面都具有優(yōu)勢(shì)，光纖可以提供更大的帶寬，而且傳輸速度大大快于銅纜，銅纜中的電流會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，甚至?xí)趯?dǎo)線外部從而導(dǎo)致電磁干擾，而光纖中的光會(huì)一直被保護(hù)在光纖內(nèi)部，因此不存在受外界信號(hào)干擾的情況；光纜的另一特征是，從側(cè)壁進(jìn)入的光極少概率會(huì)沿著光纖繼續(xù)傳播，因此光纖有著更高的數(shù)據(jù)安全性。

圖4 海底光纜的橫斷截面示意圖

光纖被廣泛應(yīng)用于全球通信網(wǎng)、各國(guó)的公共電信網(wǎng)等領(lǐng)域。但是保證光纖高速、可靠的基石又是什么呢？答案就是激光器。激光器是一種產(chǎn)生高度聚焦、單色、相干光束的光源。它能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為光能，并產(chǎn)生具有特定波長(zhǎng)和方向的光束。在光纖通信系統(tǒng)中，激光器通常用于將信息轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，并通過(guò)光纖傳輸?shù)侥繕?biāo)地點(diǎn)，這些光信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制和編碼后，通過(guò)光纖傳輸?shù)侥繕?biāo)地點(diǎn)，然后再被解調(diào)和解碼。在光纖通信中，最常見且廣泛應(yīng)用的激光器類型是半導(dǎo)體激光器。

半導(dǎo)體激光器是利用半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的激光器。隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的進(jìn)步，其功率不斷提升，應(yīng)用場(chǎng)景也更加豐富。增加發(fā)光區(qū)的面積和二維堆疊是提高激光器系統(tǒng)總輸出功率的常用方法，但會(huì)導(dǎo)致光束質(zhì)量下降，并且難以直接應(yīng)用。目前主要采用幾何光束整形、光束合束等方法來(lái)提高光束質(zhì)量和功率，并進(jìn)一步將光束耦合到光纖中。

因此，如何提升半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高功率、高效率、高可靠性等性能指標(biāo)，并使其能夠直接應(yīng)用，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]。半導(dǎo)體激光器采用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)，是一種通過(guò)電注入實(shí)現(xiàn)激光放大器的設(shè)備，其核心部分是PN結(jié)。半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光需要滿足三個(gè)必要條件：激勵(lì)源、增益介質(zhì)和具有穩(wěn)定的光學(xué)諧振腔。在半導(dǎo)體激光器工作時(shí)，通過(guò)施加正向電壓在PN結(jié)上，減小p區(qū)和n區(qū)之間的勢(shì)壘差，電子和空穴分別從n區(qū)和p區(qū)注入到有源區(qū)，最終導(dǎo)致大量電子和空穴在有源區(qū)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。它們結(jié)合在一起產(chǎn)生受激輻射，并生成新的光子，然后這些光子通過(guò)光學(xué)諧振腔的反饋輸出激光。

圖5 光增益示意圖

提高激光器的輸出功率可以通過(guò)兩種方法：增加單管的輸出功率或增加激光發(fā)光點(diǎn)的數(shù)量。提高單管的輸出功率可以通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和提高芯片制作工藝等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而增加激光發(fā)光點(diǎn)的數(shù)量通常被統(tǒng)稱為激光合束技術(shù)，其中包括激光器線陣等與之相關(guān)的技術(shù)。過(guò)去的激光合束技術(shù)主要依賴于光斑、偏振和光譜特性，并從外部光學(xué)系統(tǒng)的角度考慮。通過(guò)利用空間合束、波長(zhǎng)合束和偏振合束等方法，對(duì)單管、線陣甚至迭陣進(jìn)行能量合束和光束整形[2]。此外，外腔光譜合束技術(shù)通過(guò)實(shí)用光柵對(duì)外部光學(xué)反饋進(jìn)行光譜合束。這樣的方法不僅可以提高功率，還可以確保良好的光束質(zhì)量。一般情況下，改變芯片結(jié)構(gòu)和工藝手段是提高半導(dǎo)體激光器光光束質(zhì)量的常見方法。通過(guò)限制激光出射面，可以確保激光的模式單一和穩(wěn)定。外腔反饋技術(shù)也可以用于提高光束質(zhì)量。外腔半導(dǎo)體激光器具有精確控制波長(zhǎng)、低功耗、工作穩(wěn)定和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，通常采用脊形波導(dǎo)（RW）來(lái)提高側(cè)面的光束質(zhì)量。

圖6 外腔反饋光譜合束技術(shù)原理

在半導(dǎo)體激光器中，快軸和慢軸是指半導(dǎo)體材料的兩個(gè)主要傳播方向，也稱為主要振蕩模式。快軸是指在半導(dǎo)體激光器中傳播速度較快的方向。在半導(dǎo)體材料中，由于晶格結(jié)構(gòu)的限制，光在此方向上傳播的速度較快，故稱為快軸。光在快軸方向上的傳播速度較高，也具有較小的發(fā)散角度。慢軸是指在半導(dǎo)體激光器中傳播速度較慢的方向。相對(duì)于快軸，光在慢軸方向上傳播的速度較慢，故稱為慢軸。光在慢軸方向上的傳播速度較低，同時(shí)也具有較大的發(fā)散角度。快軸和慢軸之間光束質(zhì)量的不匹配是影響高效率和高亮度光纖耦合的主要限制因素。要實(shí)現(xiàn)有效的耦合，需要利用相應(yīng)的光束整形方法來(lái)使快軸和慢軸的光束質(zhì)量達(dá)到平衡。這是設(shè)計(jì)緊湊的高亮度光纖耦合系統(tǒng)的前提[3]。

如果說(shuō)光纖通信系統(tǒng)可以讓一束光連接整個(gè)世界，那激光器在光纖通信系統(tǒng)中的光源，是保證光纖傳輸高速和可靠性的基石。隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，激光器的功率和性能得到了提升，使得光纖通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的傳輸速度和更遠(yuǎn)的傳輸距離。