大家有沒有看過有線電視呢？其能夠滿足用戶對高清電視、視頻點播和互聯網接入等多媒體服務的需求，但你知道電視的信息是靠什么傳輸的嗎？是通過地下或海底的線路網絡也就是光纖來完成的，而現今世界的大多數信息都是通過光纖來傳遞，光纖還用于醫療器械，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，光纜由數以千計的光纖維組成，而每根光纖的粗細跟人的頭發絲差不多，光纜以光的形式承載信息。

讓我們先學習一些光的基礎行為，來理解光纖的原理。光在不同介質之間傳播的速度是不一樣的，這個變化的速度，用折射率來表示。而光的速度變化導致一個有趣的現象——折射，要理解折射我們可以想象一個有趣的實驗，假設光穿過一個三棱鏡，你可以看到光在三棱鏡的表面發生了彎折而不是直走，這種現象就叫折射。折射發生在光通過不同折射率的介質時，光在從高折射率介質通過低折射率介質時會被折向表面，折射會導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。現在，我們進一步推演這個三棱鏡實驗。假設用一些添加劑不斷地提升玻璃的折射率，當我們提高折射率的時候，光線會越來越接近玻璃表面，過一段時間你會發現光沿著玻璃表面傳播。如果我們繼續提高折射率，光線會突然回到原介質內部而形成純粹的反射，這個被叫做全反射。我們可以通過改變入射角的反射來實現全反射，而不必去提高折射率，這個特定角度就叫做臨界角，光線將回到原介質。這種全反射現象被應用于光纖的光傳輸。

圖2 全反射

這是一個光纖的簡化模型，高折射率的玻璃圓柱體，如果激光以超越臨界角的角度進入光纖就會形成全反射，光線會一直到達另一端，這意味著光可以在光纖中長距離運輸，無論光纖本身是什么形狀，請記住全反射會在較高折射率的玻璃和較低折射率的空氣間發生，然而光纖需要保護鎧甲，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現全反射。一個簡單的辦法就是在玻璃芯外層鍍上低反射率玻璃，從而實現全反射效應還能保護光纖，光纖芯和鍍層都是二氧化硅材料。不同的折射率是通過不同的添加物實現的，我們剛剛做的光纖是不能傳輸超過100公里的，這是因為在光纖中發生的各種損失，這種信號強度損失稱為衰減，吸收和散光是衰減的主要原因，這就是為什么你會看到有放大器的存在，它們增強信號強度，以使得信號傳遞更遠，放大器需要從附近的電源取電。

圖3 光纖模型

現在回歸原來的主題，光纖是如何傳遞諸如電話或者互聯網類的信息呢？任何信息都可以用0和1的序列來表示，假設你想從你的手機上發一個HELLO的短信，首先這個單詞會被轉化成二進制序列，轉化完畢后你的手機會把這一串二進制以電磁波發射出去，簡單假設1用高頻波表示，0用低頻波表達，本地的基站塔會接受到這些電磁波，在基站塔中高頻電磁波會產生一個光脈沖，否則沒有光脈沖。現在這些光脈沖就可以通過光纖方便地傳遞了，承載信息的光脈沖將通過復雜的光纖網絡到達目的地，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，主要是移動運營商等機構維護這些光纖，例如AT&T，ORANGE，VERIZON等全球運營商擁有和維護海底光纜。

下面是一個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放置光纖，其他部分都是用來保護和增強的機械結構，那么放大器在海底是怎么取電的呢？是因為在光纜的中間有一個薄薄的銅殼，沿著光纜給放大器供電，也就是說如果某個地方不通過光纜，那個地方將成為電話和互聯網的孤島。如果我們把光纖和傳統銅纜電線相比較，光纖在各個方面都具有優勢，光纖可以提供更大的帶寬，而且傳輸速度大大快于銅纜，銅纜中的電流會產生電磁場，甚至會在導線外部從而導致電磁干擾，而光纖中的光會一直被保護在光纖內部，因此不存在受外界信號干擾的情況；光纜的另一特征是，從側壁進入的光極少概率會沿著光纖繼續傳播，因此光纖有著更高的數據安全性。

圖4 海底光纜的橫斷截面示意圖

光纖被廣泛應用于全球通信網、各國的公共電信網等領域。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。激光器是一種產生高度聚焦、單色、相干光束的光源。它能夠將電能轉換為光能，并產生具有特定波長和方向的光束。在光纖通信系統中，激光器通常用于將信息轉化為光信號，并通過光纖傳輸到目標地點，這些光信號經過調制和編碼后，通過光纖傳輸到目標地點，然后再被解調和解碼。在光纖通信中，最常見且廣泛應用的激光器類型是半導體激光器。

半導體激光器是利用半導體材料作為工作介質的激光器。隨著半導體激光技術的進步，其功率不斷提升，應用場景也更加豐富。增加發光區的面積和二維堆疊是提高激光器系統總輸出功率的常用方法，但會導致光束質量下降，并且難以直接應用。目前主要采用幾何光束整形、光束合束等方法來提高光束質量和功率，并進一步將光束耦合到光纖中。

因此，如何提升半導體激光器的光束質量，實現高功率、高效率、高可靠性等性能指標，并使其能夠直接應用，是近年來國內外研究的熱點[1]。半導體激光器采用半導體材料作為工作物質，是一種通過電注入實現激光放大器的設備，其核心部分是PN結。半導體激光器產生激光需要滿足三個必要條件：激勵源、增益介質和具有穩定的光學諧振腔。在半導體激光器工作時，通過施加正向電壓在PN結上，減小p區和n區之間的勢壘差，電子和空穴分別從n區和p區注入到有源區，最終導致大量電子和空穴在有源區實現粒子數的反轉。它們結合在一起產生受激輻射，并生成新的光子，然后這些光子通過光學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兩種方法：增加單管的輸出功率或增加激光發光點的數量。提高單管的輸出功率可以通過優化結構和提高芯片制作工藝等技術來實現。而增加激光發光點的數量通常被統稱為激光合束技術，其中包括激光器線陣等與之相關的技術。過去的激光合束技術主要依賴于光斑、偏振和光譜特性，并從外部光學系統的角度考慮。通過利用空間合束、波長合束和偏振合束等方法，對單管、線陣甚至迭陣進行能量合束和光束整形[2]。此外，外腔光譜合束技術通過實用光柵對外部光學反饋進行光譜合束。這樣的方法不僅可以提高功率，還可以確保良好的光束質量。一般情況下，改變芯片結構和工藝手段是提高半導體激光器光光束質量的常見方法。通過限制激光出射面，可以確保激光的模式單一和穩定。外腔反饋技術也可以用于提高光束質量。外腔半導體激光器具有精確控制波長、低功耗、工作穩定和簡單結構等優勢，通常采用脊形波導（RW）來提高側面的光束質量。

圖6 外腔反饋光譜合束技術原理

在半導體激光器中，快軸和慢軸是指半導體材料的兩個主要傳播方向，也稱為主要振蕩模式。快軸是指在半導體激光器中傳播速度較快的方向。在半導體材料中，由于晶格結構的限制，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，也具有較小的發散角度。慢軸是指在半導體激光器中傳播速度較慢的方向。相對于快軸，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，同時也具有較大的發散角度。快軸和慢軸之間光束質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。要實現有效的耦合，需要利用相應的光束整形方法來使快軸和慢軸的光束質量達到平衡。這是設計緊湊的高亮度光纖耦合系統的前提[3]。

如果說光纖通信系統可以讓一束光連接整個世界，那激光器在光纖通信系統中的光源，是保證光纖傳輸高速和可靠性的基石。隨著半導體激光技術的不斷發展和進步，激光器的功率和性能得到了提升，使得光纖通信系統能夠實現更高的傳輸速度和更遠的傳輸距離。