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(cè)技術(shù)，在光量測(cè)量和物理量大量非光學(xué)測(cè)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(cè)器是光接收機(jī)實(shí)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(duì)光纖傳輸系統(tǒng)的整體性能有著直接的影響。

1 光電檢測(cè)器的特性

近年來(lái)，光通信技術(shù)在我國(guó)得到了快速的發(fā)展。光信號(hào)檢測(cè)的其中一部分光纖通信也得到了迅速的發(fā)展。光檢測(cè)器的主要作用是用來(lái)把自己收到的不是很強(qiáng)烈的光信號(hào)通過(guò)自己的轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)?，F(xiàn)在，在通信系統(tǒng)當(dāng)中我們所使用的光檢測(cè)器主要是移相開(kāi)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(duì)二極管的要求相對(duì)來(lái)說(shuō)也就比較高。

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

光檢測(cè)器的靈敏度高也就是說(shuō)光檢測(cè)器能輸出比較大的信號(hào)電流，對(duì)一定的入射光信號(hào)功率轉(zhuǎn)換和輸出。

（2）波長(zhǎng)響應(yīng)：在二極管中，電子在價(jià)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(méi)有電子空穴對(duì)，無(wú)論多么強(qiáng)烈的光線在價(jià)帶中，光電效應(yīng)將不會(huì)發(fā)生。想要發(fā)生光電效應(yīng)，就必須滿足下面這個(gè)條件：

其中，表示的是入射光的波長(zhǎng)；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(zhǎng)會(huì)有可能產(chǎn)生光電效應(yīng)，其中這個(gè)相鄰的值被我們稱為上截止波長(zhǎng)。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(zhǎng)。但是，它還有下截止波長(zhǎng)。原因是如果入射光波的長(zhǎng)比較短的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致光子吸收的光很強(qiáng)烈，所以致使光電轉(zhuǎn)換的效率直線下降。形成這種波長(zhǎng)響應(yīng)范圍不一樣的原因是，因?yàn)橹谱鞫O管的時(shí)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(duì)Ge這個(gè)材料制作的光電二極管，波長(zhǎng)響應(yīng)范圍是1.1～1.6；對(duì)si材料制作的光電二極管，它的波長(zhǎng)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(zhǎng)的照射下，檢測(cè)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(shí)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(lái)衡量。由于入射光束時(shí)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(duì)在有效時(shí)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(shí)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(hào)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(jìn)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(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

(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(lái)提高量子的效率。

(2）耗盡區(qū)要有足夠的寬度，因?yàn)楫?dāng)入射的光照射到PN上的時(shí)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(shí)候，可以躍進(jìn)到導(dǎo)帶上是因?yàn)閮r(jià)帶上的光吸收了光子的躍進(jìn)。這個(gè)時(shí)候就有可能產(chǎn)生電子空穴對(duì)。同樣的，通過(guò)價(jià)帶上的電子向n方向進(jìn)行漂移，由電場(chǎng)引起的電子空穴對(duì)向p漂移，可產(chǎn)生光電電流。

(3)如果光檢測(cè)器在非常弱的光強(qiáng)下工作，那么數(shù)字光接收機(jī)就不能工作，因?yàn)樗脑肼晻?huì)使光接收機(jī)完全不能工作。這會(huì)導(dǎo)致交流失敗。所以，光檢測(cè)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(fù)偏壓作用于引腳時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部損耗層。引腳檢測(cè)器噪聲小，但不能放大信號(hào)。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(duì)較厚，大部分入射光子進(jìn)入固有層。它還可以產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，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(diǎn)。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(diǎn)。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(guò)設(shè)計(jì)光纖語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)，測(cè)試在制作過(guò)程中反復(fù)進(jìn)行，在光纖通信系統(tǒng)中確保半導(dǎo)體光探測(cè)器應(yīng)具有下面的要求，否則信號(hào)在傳輸過(guò)程中失真衰減明顯。

(1)所使用光源的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高響應(yīng)或高靈敏度;

(2)附加的噪聲在檢測(cè)過(guò)程中越小越好;

(3)速度響應(yīng)快，線性好，頻帶寬;

(4)對(duì)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(zhǎng)，尺寸與纖維直徑匹配。

3 結(jié)語(yǔ)

光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件就是光電探測(cè)器。它的性能直接影響到光接收機(jī)的靈敏度。所以，合適的光電探測(cè)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。