Явление возбуждения атома, переход электронов на высокие энергетические уровни

В оптической связи ключевую роль играет явление возбуждения атомов, при котором электроны в атоме поглощают энергию и переходят на более высокий энергетический уровень. Этот процесс лежит в основе генерации и передачи световых сигналов в оптоволоконных системах.

Атом состоит из ядра (содержащего протоны и нейтроны) и электронов, которые движутся вокруг ядра на определённых энергетических уровнях (орбиталях). Эти уровни характеризуются определённой энергией, и электроны могут находиться только на этих уровнях, но не между ними. Электроны в атоме занимают самые низкие доступные энергетические уровни в соответствии с принципом минимума энергии. Это состояние называется основным состоянием.

Однако, если атому передать энергию, электроны могут перейти на более высокие энергетические уровни. Это состояние называется возбуждённым состоянием. Возбуждение атома происходит, когда электрон поглощает энергию извне. Эта энергия может быть передана различными способами:

Электрон поглощает фотон, энергия которого равна разнице между энергетическими уровнями;

При столкновении с электронами или ионами;

За счёт теплового движения.

Возбуждённое состояние атома нестабильно. Через некоторое время электрон возвращается на более низкий энергетический уровень, выделяя избыточную энергию в виде тепла и фотона (электрон испускает фотон с энергией, равной разнице между уровнями. Это явление называется спонтанным излучением)

Длина волны

В оптической связи явление возбуждения и излучения фотонов используется в лазерах и светодиодах (LED). В лазерах атомы активной среды (например, кристалла или газа) возбуждаются внешним источником энергии, и при возвращении электронов в основное состояние создаётся когерентный луч света, который используется для передачи данных по оптическим волокнам на большие расстояния. В светодиодах электроны также переходят на высокие уровни и излучают фотоны при возвращении, но свет при этом некогерентный, что делает светодиоды подходящими для передачи данных на короткие расстояния.

Энергия фотона связана с его длиной волны формулой Планка:

где:

E — энергия фотона,

h — постоянная Планка,

ν — частота света,

c — скорость света,

λ — длина волны света.

Таким образом, разница между энергетическими уровнями определяет длину волны излучаемого или поглощаемого света. В оптической связи используются определённые длины волн (например, 850 нм, 1310 нм, 1550 нм), которые оптимальны для передачи данных через оптические волокна.