光纤通信中光电检测器的应用探讨

唐天骄

吉视传媒股份有限公司长春分公司 吉林长春 130000

在光电技术中，主要的组成部分就是光电检测技术，在光量测量和物理量大量非光学测量中占据着重要位置。在通信传输的光纤系统中，光电探测器是光接收机实现光电转换的关键部件。其灵敏度、带宽等特性参数对光纤传输系统的整体性能有着直接的影响。

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移相开关的二极管，也就是PIN二极管。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，电子在价带和导带之间跳跃，使入射光被吸收。如果使用材料的间隙宽度大于入射光子的能量，然后吸收的能量不能转移到传导带，所以就没有电子空穴对，无论多么强烈的光线在价带中，光电效应将不会发生。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。表示如下：

光电转换的效率用工程中常用的响应和量子效率来衡量。由于入射光束时光电二极管必须反射，使R成为入射面发射率，电子空穴对在有效时间内不能将零电厂产生的光转换为电流。因此，在入射的光功率为Po的时候，我们把光生电流表示为：

量子效率指的是器件在内部呈现的微观灵敏特性，响应度指的是，宏观灵敏特性是在外部电路器件中呈现的。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：

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PN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，由电场引起的电子空穴对向p漂移，可产生光电电流。

(3)如果光检测器在非常弱的光强下工作，那么数字光接收机就不能工作，因为它的噪声会使光接收机完全不能工作。这会导致交流失败。所以，光检测器的信噪比的定义是：

2 光电二极管的性能和应用

光电二极管中引脚结构是经常用到的结构之一。这叫做p-i-n结构。当负偏压作用于引脚时，就会产生内部损耗层。引脚检测器噪声小，但不能放大信号。量子效率表示成：

PIN结构的重要特征是：吸收光子的耗尽区是固有层，但由于固有层相对较厚，大部分入射光子进入固有层。它还可以产生电子-空穴对，量子效率大大提高了。引脚具有稳定性高、制造容易、电压低、噪声低、带宽高的特点。它广泛应用于光纤通信系统中。如何提高引脚的响应速度是当前研究的热点。光纤通信系统中使用的二极管有两种：PIN二极管和雪崩光电二极管。它们的性能参数如下表1、2所示。

表1 PIN光电二极管的一般性能

通过设计光纤语音传输系统，测试在制作过程中反复进行，在光纤通信系统中确保半导体光探测器应具有下面的要求，否则信号在传输过程中失真衰减明显。

(1)所使用光源的波长范围内的高响应或高灵敏度;

(2)附加的噪声在检测过程中越小越好;

(3)速度响应快，线性好，频带宽;

(4)对温度变化不敏感;

表2 雪崩光电二极管的一般性能

(5)可靠性高，寿命长，尺寸与纤维直径匹配。

3 结语

光通信系统的关键器件就是光电探测器。它的性能直接影响到光接收机的灵敏度。所以，合适的光电探测器在光纤通信系统中的合理选择是确保光纤通信系统传输有效的重要手段。