# Active Optical Devices

$$2^6 = 64$$

## 有(电)源光纤器件 (Active Optical Device)

### 总的来说，有:

* 光源: 电 -> 光`转换`，e/o； 发送光
* 光监测器: 光 -> 电`转换`, o/e； 接收光
* 光放大器: o/o

### (一) 让我们来讲讲基本的物理原理

光是怎样与物质交互的呢？ 其实这个问题本身就是错的，因为光就是物质。

> 光是物质，量子理论中叫做光子，是目前已知的世界上的基本粒子之一。

所以我们最多问`光这种粒子是怎样与其他物质交互的？`

作为一名研究通俗知识的`知识分子`，我肯定是不知道答案的，不过伟大的外国人、伟大的中国人已经提前搞出了一套理论、翻译了一套理论，所以我们直接来看答案吧！

#### 1. 自发辐射

`Spontaneous emission` is the process in which a quantum mechanical system (such as an atom, molecule or subatomic particle) transitions from an excited energy state to a lower energy state (e.g., its ground state) and emits a quantised amount of energy in the form of a photon.

总体来讲，这个词是用来描述一个发光的过程。重点在于`自发`。独立地、随机地、自发地、没有人指挥地`发光`。比如你家里的日光灯，它的光应该是四散开来，没有固定的方向。

用专业的话来讲就是： 射出的`光子`频率、相位和方向是随机的，是`非相干光`，频率范围很宽。

> frequency, Phase 相同，就是`相干`

#### 2. 受激辐射

`Stimulated emission` is the process by which an incoming photon of a specific frequency can interact with an excited atomic electron, causing it to drop to a lower energy level.

通俗一点讲，就是受到激发、刺激，所以辐射。

具体来讲就是，吸收一个`电子`，释放一个`光子`。

用专业的说法就是: 在`外来光子`的激励下，电子从`高能级`跃迁到`低能级`，然后电子与`空穴`复合，同时释放出一个与`外来光子`同频、同相的光子。

> 新产生的`光子`与`原来光子`的频率、相位、振动方向、传播方向均相同，被称为`全同光子`

#### 3. 受激吸收

`受激辐射`的反过程。把`光子`转为`电子`。

在`外来光子`激励下，`电子`吸收`外来光子`能量，从`低能级`跃迁到`高能级`，变成`自由电子`，这种过程被称为`受激吸收`。

#### 4. 讲了这么多空道理，现在可以来一个公式了

这个公式描述了 光 与 物质 的交互

物质 = 材料

假设`材料`有一种属性叫做`禁带宽度`，$$禁带宽度 = E\_g$$

$$波长 = \lambda = \frac{1.24}{E\_g}\ \mu m$$

### (二) 光源

#### 对光的要求

* 波长中心在$$850nm, 1310nm, 1550nm$$，有`足够(不多不少)`的发送功率。(功率过大的坏处: 1. 损坏接收器件 2. 加重光纤中的非线性效应)； 光谱的`谱线宽度(频谱波中心线下降一半的宽)`要窄。(一般来讲，材料越纯，这个越窄)
* `电/光`转换效率高，发送光束方向一致
* 响应速度要快，以满足大传输容量的要求
* 温度稳定性好，可靠性高，寿命长
* 器件体积小，重量轻，安装方便，价格低

#### 1. 发光二极管(LED)(Light-emitting diode)(自发辐射，发光)

~~分为面发光、边发光~~(记这个有什么用，直接买来用啊，不好的东西市场自然会淘汰它的)

LED 的`P-I(power-current)曲线`，基本上呈`线性正相关`

特点：

* 寿命长，稳定可靠
* 调制方便，价格低
* 谱线宽，功率小
* 调制速率低，适合于低速(< 1G)、短距离传输(< 2km)

#### 2. 激光器(LD)(Laser)(先自发辐射，后受激辐射，发光)

原理: 当半导体`LD`的`PN结`加上足够大的`正向偏压`时，`粒子数`呈现`反转分布状态`，自发辐射出光子。`那些与反射镜垂直的光子`受激`辐射`，光经过`谐振`加强，最终输出稳定的激光。

LD 的`P-I(power-current)曲线`，电流<阈值($$I\_{th}$$)，`自发辐射(光谱宽约几十nm)`； 电流>阈值($$I\_{th}$$)，才是`受激辐射(光谱宽约几nm)`

温度升高，阈值上升，输出光功率降低。

> th = Threshold = 阈值

特点:

* 相干性好(因为是受激辐射)
* 光功率大，光谱窄(激光啊！是可以切肉的！那光线还不得汇聚于一点吗？)
* 发散小，`电/光转化`效率高
* 寿命短
* 受温度影响大(需要室温，比如$$22^\circ$$)

### (三) 光(电)检测器： 主要原理是`受激吸收`

#### 要求

* 在工作波长上有足够高的响应度(光->电转换效率)
* 快的响应速度
* 低的电噪声
* 良好的线性关系 (方便预测输出，即量化输出值)
* 体积小，寿命长

#### PIN 光电二极管

类似`PN结`，但由 P、I、N 三个区构成，快的`响应速度`，但效率不够高

#### APD 雪崩光电二极管: avalanche photodiode

**原理**: 当高的`反向偏压`加于`APD`两端时，其内部形成一个`高电场区`。用光照射它时，`受激吸收`，产生载流子(电子 or 空穴)。载流子在`高电区`被加速，发生持续、猛烈地碰撞，并不断产生新的`电子-空穴对`。这样的过程使得`光生电流`迅速增大。这就是`雪崩倍增效应`。

效率高。

### (四) 光放大器

#### 类型

1. 利用 稀土参杂， 如 EDFA
2. 利用 半导体， 如 SOA
3. 利用 光纤非线性效应， 如 RFA

#### 掺铒光纤放大器 (EDFA) (Erbium-Doped Fiber Amplifier) (有用到`受激辐射`原理)

![](/files/-Lf5hor2vNHara0u2foS)

> 这个图要记下来

* 泵浦光源: 现在主要让它发 1480nm 的光； 发射让“铒离子” 受激吸收的光
* 合波器: 这里指 让两路波在一条路上`传输`

> 先 1480nm，后1550nm； 先让`泵浦光源`启动，后`输入光信号`

* 滤波器: drop 掉 1480nm 的光

> 整个放大器系统，input 1550nm， output 1550nm

**优点**:

1. 工作波长为 1530\~1570 nm，与光纤的最小衰耗波长一致
2. **增益高**，约为 30\~40 dB
3. 输出功率高
4. 插入损耗低

**缺点**:

1. 只能放大 1550nm 的波长
2. 增益不平坦、不均衡 (对小信号的放大能力弱)

#### 拉曼光放大器 (RFA)

特点:

* 谱宽 (可放大多个波长的光)
* 结构简单、成本低
* 增益不高 (< 15 dB)

## Question and Answer

#### 简述 APD 的雪崩效应:

当高的`反向偏压`加于`APD`两端时，其内部形成一个`高电场区`。用光照射它时，`受激吸收`，产生载流子(电子 or 空穴)。载流子在`高电区`被加速，发生持续、猛烈地碰撞，并不断产生新的`电子-空穴对`。这样的过程使得`光生电流`迅速增大。这就是`雪崩倍增效应`。


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