硅谷杂志：光纤通信中光电检测器的应用探讨 |
| 2012-07-07 13:20 作者：张 超 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网7月7日消息（原文载于《硅谷》杂志6月刊）光电检测是光电技术的重要组成部分，是对光量以及大量非光物理量进行测量的重要手段。在光纤通信传输系统中，光电检测器是光接收机实现光、电转换的关键器件，它的带宽和灵敏度等特性参数直接影响着光纤传输系统总体的性能[1]。
我们把光电检测器又叫做光检波器、光探测器等；按它的功能我们把它划分为光电子器件、热器件等等。因为光纤通信系统它的光谱很窄，所以它通常采用的都是单色的色源。因此这就要求光检测器要具有波长的性能，所以光纤通信系统中采用的接收机都是光伏型的检测器，也就是结型的光电二极管。光纤通信系统主要包括三个部分：光纤传输和光发射机以及光接收机三个部分组成，它们主要用来传输和接受以及发射，光接受机是光检测器其中的重要组成部分。
1光电检测器的特性
近年来，光通信技术在我国得到了快速的发展。光信号检测的其中一部分光纤通信也得到了迅速的发展。光检测器的主要作用是用来把自己收到的不是很强烈的光信号通过自己的转换成为电信号。现在，在通信系统当中我们所使用的光检测器主要是主要是移相开关的二极管，也就是PIN二极管[2]。二极管的传输非常微弱，所以，对二极管的要求相对来说也就比较高。
1）要求的灵敏度较高：灵敏度就是光检测器产生的入射的光和电流之间的光功率的比，它是用来表示检测器转换效率的参数，我们把它表示为：
（）
光检测器的灵敏度高也就是说光检测器能输出比较大的信号电流，对一定的入射光信号功率转换和输出。
2）波长响应：在二极管中，伴随着价带和导带之间的电子跃进并让入射的光吸收。假使所使用材料的禁带宽度大于入射的光子的能量的时候，那么，能量根本就不能把它所吸附的量传到导带上，因此就产生不了电子空穴对，不管价带上的光有多么强烈，也不会导致光电效应发生。想要发生光电效应，就必须满足下面这个条件：
<
其中，表示的是入射光的波长；h是普朗克常量；c表示的是真空中的光速。其相邻的值要是大于入射光的波长会有可能产生光电效应，其中这个相邻的值被我们称为上截止波长。式子为：
其中，Eg的单位是电子伏特（eV）。
我们通常以为光电二极管只有上截止波长。但是，它还有下截止波长。原因是如果入射光波的长比较短的时候，会导致光子吸收的光很强烈，所以致使光电转换的效率直线下降。
形成这种波长响应范围不一样的原因是，因为制作二极管的时候所使用的材料不一样，那么它所产生的禁带宽度也就不一样。因此，对Ge这个材料制作的光电二极管，波长响应范围是1.1~1.6；对si材料制作的光电二极管，它的波长范围是从0.5~1.06。
3）量子效率和响应度
响应度的定义为：我们把响应度又叫做是响应率，它指的是在一定波长的照射下，检测器和输出电流的平均值它们一起入射的光率的照射下所产生的时间成为响应度[3]。表示如下：
R=（表示的是电流的平均值，P是平均入射光功率值）
工程常用的响应度和量子的效率是用来衡量光电转换的效率。因为，光电二极管在光束入射的时候一定会有反射，使R作为入射表面的发射率，那么电子空穴对不能在有效的时间里将零电厂里面产生的光转换成电流。因此，在入射的光功率为Po的时候，我们把光生电流表示为：
（1指的是零电场表面层的厚度，指的是耗尽区的厚度）
量子效率指的是器件在内部呈现的微观灵敏特性[3]，响应度指的是，器件在外部电路中呈现的是宏观灵敏特性。所以我们常把量子的效率的式子这样表示：用符号表示结区的载入流子的数量和入射其中的光子的数量进行相比：
经过换算转换量子的效率可以表示成：
（eo是电子电荷，约为1.6）10-19C；v表示的是光频。
和R的关系可以表示成：
R=
根据以上分析可以得出，想要得到高量子的效率在选择二极管时要注意以下几点：
1）为了减小敏面的光反射损失，可以在表面镀上一层反射膜来提高量子的效率。
2）耗尽区要有足够的宽度，因为当入射的光照射到上的时候，且当导体自身所使用的材料的宽度小于光子本身的能量HV的时候，可以跃进到导带上是因为价带上的光吸收了光子的跃进。这个时候就有可能产生电子空穴对。同样的，通过价带上的电子向n方向进行漂移，电子空穴对向p方向漂移的话会产生光生电流，这是因为在电场的促使下形成的。
3）如果光检测器在光的强度非常弱的情况中工作的话，那么数字的光接收机就没办法工作，因为随着它进入的噪声会使光接收机根本就没有办法正常工作。这就会导致通信的无法正常进行。所以，光检测器的信噪比的定义是：
3光电二极管的性能和应用
PIN结构是光电二极管中最常用的结构之一，PIN光检测器是由N区半导体征区以及高掺杂P区组成的。因此称作是P-I-N结构。
PIN当加上反偏电压的时候，它的内部会产生耗尽层，PIN光检测器具有较低的噪声，但是它不能放大信号。量子效率表示成：
（）
PIN结构的特点主要是：吸收光子的耗尽区是本征层，但是由于本征层比较厚，大多数入射光子都进入了本征层。而且还会产生电子空穴对这就使量子的效率得到大幅度的提高。PIN具有可靠性高和制作简单、电压低以及噪声低、带宽高的特点，被广泛应用在光纤通信系统中，如何提高PIN的响应速度是目前研究的热点，有报道采用UTC-PD结构实现了相当于220GHz带宽的脉冲响应[4]。
光纤通信系统中所采用的二极管有两种类型，分别为：PIN光、雪崩光二极管。它们的性能参数如下表1、2所示。
表1PIN光电二极管的一般性能
材料 Si InGaAs
响应波长
0.7~0.9 1.0~1.6
量子效率
80（0.8）
80（1.3）
响应度R（A/W） 0.5（0.8）
0.8（1.3）
暗电流 1.1 0.1
截止频率fe（GHz） >0.5 2
表2雪崩光电二极管的一般性能
材料 Ge Si InGeAs
响应波长 1.5~2.0 1.0~1.5 1.5~2.0
量子效率 80（13）
80（0.8）
80（13）
响应度R 1.0 0.5 0.8
击穿电压 30 200 95
暗电流Id（nA）
（对应于0.9Hz） 110 0.3 60
截止频率 >1 0.7 >2
过剩噪声系数 9 3 5
过剩噪声指数 1.0 0.1 0.8
4总结
光纤系统怎样保证通信系统的传输，光电检测器是非常重要而且必不可少的关键器材，它的功能的优良对光接收机的灵敏程度有很大的关系。《硅谷》杂志
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