浅析光纤传输中的光探测器原理及应用

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

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。

1.3 PIN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

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。

2 MSM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，而空穴被负极吸引过去，于是就产生了电流。

2.2 MSM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 ~ 0.7A/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，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。

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的吸收长度是探测器波导的长度，一般可大于10m，而传统型探测器的吸收长度是InGaAs本征层的厚度，仅为1m。所以WG-PD结构的内量子效率高于传统型结构PD的。

另外，WG-PD还很容易与其他器件集成。但是，和面入射探测器相比，WD-PD的光耦合面积非常小，导致光耦合效率较低，同时也增加了和光纤耦合的难度。光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子空穴对，实现了对光信号的探测。

3.2.2行波探测器（TW-PD）

行波探测器是在波导探测器的基础上发展起来的，它的响应不受与有源面积有关的RC常数的限制；响应主要由光的吸收系数以及光的群速度和电的相速度不匹配决定。这种器件的长度远大于吸收长度，但它的带宽基本与器件长度无关，所以具有更大的响应带宽积。然而这种器件不能得到较高的输出电平值，难以实用化。

参考文献：

[1][日]末松安晴等 光纤通信[M] 北京：科学出版社 2005.01

[2]胥学跃 现代电信业务[M] 北京：北京邮电大学出版社 2008.05

[3]毛京丽 现代通信网[M] 北京：北京邮电大学出版社 2005.11

[4]唐纯贞 现代电信网[M] 北京：人民邮电出版社 2009.08