光纖通信中光電檢測器的應(yīng)用探討

唐天驕

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在光電技術(shù)中，主要的組成部分就是光電檢測技術(shù)，在光量測量和物理量大量非光學(xué)測量中占據(jù)著重要位置。在通信傳輸?shù)墓饫w系統(tǒng)中，光電探測器是光接收機實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。其靈敏度、帶寬等特性參數(shù)對光纖傳輸系統(tǒng)的整體性能有著直接的影響。

1 光電檢測器的特性

近年來，光通信技術(shù)在我國得到了快速的發(fā)展。光信號檢測的其中一部分光纖通信也得到了迅速的發(fā)展。光檢測器的主要作用是用來把自己收到的不是很強烈的光信號通過自己的轉(zhuǎn)換成為電信號?，F(xiàn)在，在通信系統(tǒng)當(dāng)中我們所使用的光檢測器主要是移相開關(guān)的二極管，也就是PIN二極管。二極管的傳輸非常微弱，所以，對二極管的要求相對來說也就比較高。

（1）要求的靈敏度較高：靈敏度就是光檢測器產(chǎn)生的入射的光和電流之間的光功率的比，它是用來表示檢測器轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)，我們把它表示為：

光檢測器的靈敏度高也就是說光檢測器能輸出比較大的信號電流，對一定的入射光信號功率轉(zhuǎn)換和輸出。

（2）波長響應(yīng)：在二極管中，電子在價帶和導(dǎo)帶之間跳躍，使入射光被吸收。如果使用材料的間隙寬度大于入射光子的能量，然后吸收的能量不能轉(zhuǎn)移到傳導(dǎo)帶，所以就沒有電子空穴對，無論多么強烈的光線在價帶中，光電效應(yīng)將不會發(fā)生。想要發(fā)生光電效應(yīng)，就必須滿足下面這個條件：

其中，表示的是入射光的波長；h是普朗克常量；c表示的是真空中的光速。其相鄰的值要是大于入射光的波長會有可能產(chǎn)生光電效應(yīng)，其中這個相鄰的值被我們稱為上截止波長。式子為：

其中，Eg的單位是電子伏特（eV）。

我們通常以為光電二極管只有上截止波長。但是，它還有下截止波長。原因是如果入射光波的長比較短的時候，會導(dǎo)致光子吸收的光很強烈，所以致使光電轉(zhuǎn)換的效率直線下降。形成這種波長響應(yīng)范圍不一樣的原因是，因為制作二極管的時候所使用的材料不一樣，那么它所產(chǎn)生的禁帶寬度也就不一樣。因此，對Ge這個材料制作的光電二極管，波長響應(yīng)范圍是1.1～1.6；對si材料制作的光電二極管，它的波長范圍是從0.5～1.06。

（3）量子效率和響應(yīng)度

響應(yīng)度的定義為：我們把響應(yīng)度又叫做是響應(yīng)率，它指的是在一定波長的照射下，檢測器和輸出電流的平均值它們一起入射的光率的照射下所產(chǎn)生的時間成為響應(yīng)度。表示如下：

光電轉(zhuǎn)換的效率用工程中常用的響應(yīng)和量子效率來衡量。由于入射光束時光電二極管必須反射，使R成為入射面發(fā)射率，電子空穴對在有效時間內(nèi)不能將零電廠產(chǎn)生的光轉(zhuǎn)換為電流。因此，在入射的光功率為Po的時候，我們把光生電流表示為：

量子效率指的是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性，響應(yīng)度指的是，宏觀靈敏特性是在外部電路器件中呈現(xiàn)的。所以我們常把量子的效率的式子這樣表示：用符號表示結(jié)區(qū)的載入流子的數(shù)量和入射其中的光子的數(shù)量進行相比：

根據(jù)以上分析可以得出，想要得到高量子的效率在選擇二極管時要注意以下幾點：

(1）為了減小敏面的光反射損失，可以在表面鍍上一層反

射膜來提高量子的效率。

(2）耗盡區(qū)要有足夠的寬度，因為當(dāng)入射的光照射到PN上的時候，且當(dāng)導(dǎo)體自身所使用的材料的寬度小于光子本身的能量HV的時候，可以躍進到導(dǎo)帶上是因為價帶上的光吸收了光子的躍進。這個時候就有可能產(chǎn)生電子空穴對。同樣的，通過價帶上的電子向n方向進行漂移，由電場引起的電子空穴對向p漂移，可產(chǎn)生光電電流。

(3)如果光檢測器在非常弱的光強下工作，那么數(shù)字光接收機就不能工作，因為它的噪聲會使光接收機完全不能工作。這會導(dǎo)致交流失敗。所以，光檢測器的信噪比的定義是：

2 光電二極管的性能和應(yīng)用

光電二極管中引腳結(jié)構(gòu)是經(jīng)常用到的結(jié)構(gòu)之一。這叫做p-i-n結(jié)構(gòu)。當(dāng)負偏壓作用于引腳時，就會產(chǎn)生內(nèi)部損耗層。引腳檢測器噪聲小，但不能放大信號。量子效率表示成：

PIN結(jié)構(gòu)的重要特征是：吸收光子的耗盡區(qū)是固有層，但由于固有層相對較厚，大部分入射光子進入固有層。它還可以產(chǎn)生電子-空穴對，量子效率大大提高了。引腳具有穩(wěn)定性高、制造容易、電壓低、噪聲低、帶寬高的特點。它廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中。如何提高引腳的響應(yīng)速度是當(dāng)前研究的熱點。光纖通信系統(tǒng)中使用的二極管有兩種：PIN二極管和雪崩光電二極管。它們的性能參數(shù)如下表1、2所示。

表1 PIN光電二極管的一般性能

通過設(shè)計光纖語音傳輸系統(tǒng)，測試在制作過程中反復(fù)進行，在光纖通信系統(tǒng)中確保半導(dǎo)體光探測器應(yīng)具有下面的要求，否則信號在傳輸過程中失真衰減明顯。

(1)所使用光源的波長范圍內(nèi)的高響應(yīng)或高靈敏度;

(2)附加的噪聲在檢測過程中越小越好;

(3)速度響應(yīng)快，線性好，頻帶寬;

(4)對溫度變化不敏感;

表2 雪崩光電二極管的一般性能

(5)可靠性高，壽命長，尺寸與纖維直徑匹配。

3 結(jié)語

光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件就是光電探測器。它的性能直接影響到光接收機的靈敏度。所以，合適的光電探測器在光纖通信系統(tǒng)中的合理選擇是確保光纖通信系統(tǒng)傳輸有效的重要手段。