光探測(cè)器技術(shù)論文(2)
光探測(cè)器技術(shù)論文篇二
淺析光纖傳輸中的光探測(cè)器原理及應(yīng)用
摘要：通過光纖傳輸?shù)墓馊绻唤邮?，則變得無用而被舍棄。接收這種傳輸光的就是光探測(cè)器，包括放大器和補(bǔ)償器(整體就是接收機(jī))。本文將討論光纖傳輸中的光探測(cè)器原理及應(yīng)用。
關(guān)鍵字：光纖傳輸 光探測(cè)器 光電二極管
中圖分類號(hào)： TN913 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：
發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也展寬了。光接收機(jī)的作用就是檢測(cè)經(jīng)過傳輸后的微弱光信號(hào)，并放大、整形、再生成原輸入信號(hào)。它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光探測(cè)器。對(duì)光探測(cè)器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng)與光纖芯徑匹配。用半導(dǎo)體材料制成的光探測(cè)器正好滿足這些要求。
1 光探測(cè)器的原理
1.1光功率和電信號(hào)
發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器的輸出頻譜是隨機(jī)起伏的。嚴(yán)格說來具有非相干性。但是，如果利用將光功率變?yōu)殡娦盘?hào)電壓的普通的光探測(cè)器，以進(jìn)行包絡(luò)線檢波，即使改變光頻譜，也能準(zhǔn)確地讀取調(diào)制的電信號(hào)，這種普通的光探測(cè)器是把功率(與電壓的平方成正比)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，因而叫做平方律檢波。值得注意的是，應(yīng)該解調(diào)的電信號(hào)大小所受損耗與光損耗的平方成正比。與此相反，正在研究的外插方式是利用相位干涉的方式，被認(rèn)為是未來方式。
1.2光探測(cè)器的條件
光通信接收裝置需要將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的光探測(cè)器(平方律檢波)。這種光探測(cè)器需要有如下特點(diǎn)：靈敏度要高(要與光的波長相對(duì)應(yīng));頻帶要寬(或要高速相應(yīng));附加噪聲要小;特性不因外界條件而變;不需要高壓電源。
這種光探測(cè)器中有半導(dǎo)體光探測(cè)器，它使用PIN光電二極管(PD)、雪崩電二極管(APD等。
1.3 PIN光電二極管
(1)PIN光電二極管的原理
PIN 二極管與 PN 二極管的主要區(qū)別是，在 P 和 N 層之間加入了一個(gè) I 層，作為耗盡層。I 層的寬度較寬，約有(5 ~ 50)μm，可吸收絕大多數(shù)光子，使光生電流增加。
當(dāng)光入射到P+區(qū)，則生成的電子或空穴對(duì)分別流向(+)，(-)電極，形成光電流。為加快響應(yīng)速度而施加反偏壓，但不能產(chǎn)生雪崩放大。雖無電流倍增作用，但有噪聲小的特點(diǎn)。
1.4雪崩光電二極管(APD)的原理
雪崩光電二極管(APD)是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度探測(cè)器。APD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使它能承受高的反向偏壓，從而在 PN 結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)。APD能提供內(nèi)部增益，工作速度高，已廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中
在APD中，因?yàn)樵趐n結(jié)有反偏壓，所以p+區(qū)或耗盡層P區(qū)所形成的載流子因電場(chǎng)而漂移，向電極方向匯集，以產(chǎn)生電流。此時(shí)若加大反偏壓，則產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，而使光電流倍增。在雪崩放大過程中，在光電流放大的同時(shí)產(chǎn)生過電流噪聲。
2 MSM光電探測(cè)器
金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)光電探測(cè)器與PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu)不同，然而，它的光/電轉(zhuǎn)換的基本原理卻仍然相同，即入射光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子-空穴對(duì)的流動(dòng)就產(chǎn)生了光電流。
2.1MSM光電探測(cè)器原理
象手指狀的平面金屬電極沉淀在半導(dǎo)體的表面，這些電極交替地施加電壓，所以這些電極間存在著相當(dāng)高的電場(chǎng)。光子撞擊電極間的半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，然后電子被正極吸引過去，而空穴被負(fù)極吸引過去，于是就產(chǎn)生了電流。
2.2 MSM光電探測(cè)器特點(diǎn)
與PIN和APD探測(cè)器相比，這種結(jié)構(gòu)的結(jié)電容小，所以它的帶寬大，這種器件很有可能工作在300GHz。另外它的制造也容易。但缺點(diǎn)是靈敏度低(0.4 ~ 0.7A/W)，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的一部分面積被金屬電極占據(jù)了，所以有源區(qū)的面積減小了。
3 單向載流子探測(cè)器(UTC-PD)
按光的入射方式，探測(cè)器可以分為:面入射光電探測(cè)器 (a) , 如一般的PIN, 響應(yīng)速度慢;邊耦合光電探測(cè)器 (c) ，如UTC-PD/TW-PD, 效應(yīng)速度快。
3.1面入射光電探測(cè)器
在面入射光電探測(cè)器中，光從正面或背面入射到探測(cè)器的光吸收層中，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，并激發(fā)價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光電流。所以，在面入射光電探測(cè)器中，光行進(jìn)方向與載流子的渡越方向平行，如一般的PIN探測(cè)器。
3.2邊入射光電探測(cè)器
在邊耦合光電探測(cè)器中，光行進(jìn)方向與載流子的渡越方向互相垂直;很好地解決了吸收效率和電學(xué)帶寬之間對(duì)吸收區(qū)厚度要求的矛盾。邊耦合探測(cè)器比面入射探測(cè)器可以獲得更高的3dB響應(yīng)帶寬。
3.2.1波導(dǎo)探測(cè)器 (WD-PD)
面入射光電探測(cè)器的固有弱點(diǎn)是量子效率和響應(yīng)速度相互制約;一方面可以采用減小其結(jié)面積來提高它的響應(yīng)速度，但是這會(huì)降低器件的耦合效率。另一方面也可以采用減小本征層(吸收層)的厚度來提高器件的響應(yīng)速度。但是這會(huì)減小光吸收長度，降低內(nèi)量子效率，因此這些參數(shù)需折衷考慮。
波導(dǎo)探測(cè)器正好解除了PIN探測(cè)器的內(nèi)量子效率和響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系，極大地改善了其性能，在一定程度上滿足了光通信對(duì)高性能探測(cè)器的要求。
WG-PD的光吸收是沿波導(dǎo)方向進(jìn)行的，其光吸收長度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)型光電探測(cè)器。WG-PD的吸收長度是探測(cè)器波導(dǎo)的長度，一般可大于10m，而傳統(tǒng)型探測(cè)器的吸收長度是InGaAs本征層的厚度，僅為1m。所以WG-PD結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率高于傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)PD的。
另外，WG-PD還很容易與其他器件集成。但是，和面入射探測(cè)器相比，WD-PD的光耦合面積非常小，導(dǎo)致光耦合效率較低，同時(shí)也增加了和光纖耦合的難度。光垂直于電流方向入射到探測(cè)器的光波導(dǎo)中，然后在波導(dǎo)中傳播，傳播過程中光不斷被吸收，光強(qiáng)逐漸減弱，同時(shí)激發(fā)價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光信號(hào)的探測(cè)。
3.2.2行波探測(cè)器(TW-PD)
行波探測(cè)器是在波導(dǎo)探測(cè)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的響應(yīng)不受與有源面積有關(guān)的RC常數(shù)的限制;響應(yīng)主要由光的吸收系數(shù)以及光的群速度和電的相速度不匹配決定。這種器件的長度遠(yuǎn)大于吸收長度，但它的帶寬基本與器件長度無關(guān)，所以具有更大的響應(yīng)帶寬積。然而這種器件不能得到較高的輸出電平值，難以實(shí)用化。
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