光通信的基本原理(光通信的光源包括哪些)

导语：光与技术 3：光通信中的光怎么来的？

太阳光和灯光的本质是什么，与光纤通信中的光又有什么不同？带着这些问题，我们开始本期的《光与技术》之旅。

中国古代对光的研究比较久远。在科圣墨子所编著的《墨经》中有曰：“光之人，煦若射。下者之人也高，高者之入也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在远近有端与于光故景库内也”。大体意思就说“光线照到人（光之人），人体所反射的光线好比箭射那样的直线前进（煦若射）。这样，人的下部在屏之高处成像；人的高部在屏之下面成像（下者之人也高，高者之入也下）。即所成之人像为倒转。

何以故呢？这是因为，来自足部的光线，其下面一部分被遮蔽了；来自头部的光线，其上面一部分被遮蔽了的缘故（足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下）。但正因为在光路上或远或近存在着小孔，可让光线透入，故暗匣内所成之象是个明亮的影像（在远近有端与于光故景库内也）。

从以上描述可以看出，墨经中不仅阐述了小孔成像的情形，而且指出了光线的直线前进的性质，但也仅限于这些。后世之光的研究都或多或少重复循环，并没有更深入下去。

在西方，古希腊哲学家安比杜克勒斯最早给出光现象定义：看见东西是因为人的眼睛发出光线碰到了物体”的人，虽然不对。两河流域的伊本-海什木，被称之为“光学之父”，“科学方法论之父”，在1015年左右出的《光学》（Book of Optics），证明光线进入人眼，因而产生了影像。

而对光本质的深入研究，却是要到第一次工业革命。并由此拉开始了“光的波动性”和“光的粒子性”之争。

光的波动性有一个著名的实验“杨氏双缝干涉实验”，相信大家都知道其诡异性。后来的麦克斯韦预言，光同无线电等一样，也是一种频率很高的电磁波，本质上是一种电磁现象。这处现象的证实是由赫兹完成的，并用实验方法测出电磁波的速度，与光速近似。利用光的波动性可以解释很多现象，但是光有些时候表现的并像波。因此就有了后来的光的粒子性研究。

杨氏双缝干涉实验

光的粒子性则是以牛顿为首的科学家最先认同，他们认为光的本质是粒子。而真正发现这个现象的还是赫兹，是他在证明波动理论实验中发现：两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。视为“光电效应”。这个现象的解释则由普朗克提出，它认为光是能量，在发射的时候应该是一份一份的。后来，爱因斯坦创立光电效应理论也证明了光的粒子。

光电效应

对光本质的认识过程可谓是一波三折，到了20世纪最终以“光具有波粒二象性”落下了帷幕。在这里我们就不过多阐述历史上关于它们之间的“争斗”。

通过对光的深入认识，科学家在1960年首次成功演示了激光。我们通常所说的光通信中的光，指的就是激光器中的光，也即是光模块中的激光。激光器可以说是光模块的心脏，其成本占光模块总成本的50%左右。

我们来看激光的英文单词“laser”，它是由LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 即受激辐射光放大器的缩写演变而来。激光器是由工作物质，泵浦系统和谐振腔三个部分构成的，泵浦系统向工作物质输送能量，使其实现粒子反转，而谐振腔，则使受激辐射光不断被放大，以至输出稳定的激光。

激光器的组成

泵浦源可以采用多种形式，最常见的两种形式是光能和电能。对于光泵浦，可以是灯炮。电泵浦可以通过直流电流（如激光二极管）、放电（惰性气体激光器和准分子激光器）或射频放电实现。下图列出部分激光器的分类。

列出部分激光器的光谱供参考，如下：

但是，当激光器刚发明出来的时候，并不没有能够在室温下工作的半导体激光器，只有发光二极管LED（Light Emitting Diode，与上图中的LD二极管激光器可不同），其光谱在850nm左右，也就是我们知道的光纤通信的第一个窗口。这个窗口的光波长需要配置多模光纤，以保证LED发的光可以有效的射入到光纤中去。随着光纤衰耗的不断降低以及光纤种类的多样化，光纤通信的其他窗口也在后面陆续打开。

当前在光纤通信中光模块使用的激光器主要是VCSEL（垂直腔面发射激光器）、FP（Fabry-perot 法布里-珀罗激光器）和DFB（分布式布拉格反馈式激光器）等可调谐激光器等几种激光器。

其中，DFB激光器比FP激光器贵，FP激光器的成本又比VCSEL激光器贵。传输距离几十米用VCSEL激光器，在40km以内的光模块一般采用FP激光器，传输距离大于40km一般使用DFB激光器。

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