浅谈光纤传输中光探测器原理和应用

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1、浅谈光纤传输中光探测器原理和应用　　摘要：通过光纤传输的光如果不接收，则变得无用而被舍弃。接收这种传输光的就是光探测器，包括放大器和补偿器（整体就是接收机）。本文将讨论光纤传输中的光探测器原理及应用。关键字：光纤传输光探测器光电二极管中图分类号：TN913文献标识码：A文章编号：发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光探测器。对光探测器的要求是灵敏度高、响

2、应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。用半导体材料制成的光探测器正好满足这些要求。1光探测器的原理1.1光功率和电信号6发光二极管和半导体激光器的输出频谱是随机起伏的。严格说来具有非相干性。但是，如果利用将光功率变为电信号电压的普通的光探测器，以进行包络线检波，即使改变光频谱，也能准确地读取调制的电信号，这种普通的光探测器是把功率（与电压的平方成正比）转换为电信号，因而叫做平方律检波。值得注意的是，应该解调的电信号大小所受损耗与光损耗的平方成正比。与此相反，正在研究的外插方式是利用相位

3、干涉的方式，被认为是未来方式。1.2光探测器的条件光通信接收装置需要将光信号变为电信号的光探测器（平方律检波）。这种光探测器需要有如下特点：灵敏度要高（要与光的波长相对应）；频带要宽（或要高速相应）；附加噪声要小；特性不因外界条件而变；不需要高压电源。这种光探测器中有半导体光探测器，它使用PIN光电二极管（PD）、雪崩电二极管（APD等。1.3PIN光电二极管（1）PIN光电二极管的原理PIN二极管与PN二极管的主要区别是，在P和N层之间加入了一个I层，作为耗尽层。I层的宽度较宽，约有（5~50）μm，可吸收绝

4、大多数光子，使光生电流增加。当光入射到P+区，则生成的电子或空穴对分别流向（+），（-）电极，形成光电流。为加快响应速度而施加反偏压，但不能产生雪崩放大。虽无电流倍增作用，但有噪声小的特点。1.4雪崩光电二极管（APD）的原理6雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区。APD能提供内部增益，工作速度高，已广泛应用于光通信系统中在APD中，因为在pn结有反偏压，所以p+区或耗尽层P区所形成的载流子因电场而

5、漂移，向电极方向汇集，以产生电流。此时若加大反偏压，则产生雪崩效应，而使光电流倍增。在雪崩放大过程中，在光电流放大的同时产生过电流噪声。2MSM光电探测器金属-半导体-金属（MSM）光电探测器与PN结二极管结构不同，然而，它的光/电转换的基本原理却仍然相同，即入射光子产生电子-空穴对，电子-空穴对的流动就产生了光电流。2.1MSM光电探测器原理象手指状的平面金属电极沉淀在半导体的表面，这些电极交替地施加电压，所以这些电极间存在着相当高的电场。光子撞击电极间的半导体材料，产生电子-空穴对，然后电子被正极吸引过去，

6、而空穴被负极吸引过去，于是就产生了电流。2.2MSM光电探测器特点与PIN和APD探测器相比，这种结构的结电容小，所以它的带宽大，这种器件很有可能工作在300GHz。另外它的制造也容易。但缺点是灵敏度低（0.4~60.7A/W），因为半导体材料的一部分面积被金属电极占据了，所以有源区的面积减小了。3单向载流子探测器(UTC-PD)按光的入射方式，探测器可以分为:面入射光电探测器(a),如一般的PIN,响应速度慢；边耦合光电探测器(c)，如UTC-PD/TW-PD,效应速度快。3.1面入射光电探测器在面入射光电探

7、测器中，光从正面或背面入射到探测器的光吸收层中，产生电子空穴对，并激发价带电子跃迁到导带，产生光电流。所以，在面入射光电探测器中，光行进方向与载流子的渡越方向平行，如一般的PIN探测器。3.2边入射光电探测器在边耦合光电探测器中，光行进方向与载流子的渡越方向互相垂直；很好地解决了吸收效率和电学带宽之间对吸收区厚度要求的矛盾。边耦合探测器比面入射探测器可以获得更高的3dB响应带宽。3.2.1波导探测器(WD-PD)面入射光电探测器的固有弱点是量子效率和响应速度相互制约；一方面可以采用减小其结面积来提高它的响应速度

8、，但是这会降低器件的耦合效率。另一方面也可以采用减小本征层（吸收层）的厚度来提高器件的响应速度。但是这会减小光吸收长度，降低内量子效率，因此这些参数需折衷考虑。6波导探测器正好解除了PIN探测器的内量子效率和响应速度之间的制约关系，极大地改善了其性能，在一定程度上满足了光通信对高性能探测器的要求。WG-PD的光吸收是沿波导方向进行的，其光吸收长度远大于传统型光电探测器。WG-PD的吸收