光电检测技术

光电检测技术在光纤通信中的应用

摘要：

光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从強噪声中提取有用信号，同时提高测速系统输出信号的信噪比。

关键词：光电二级管 雪崩光电二极管 光电检测 光电效应 信噪比

光纤通信技术：

光纤通信的发展极其迅速，至1991年底，全球已敷设光缆563万千米，到1995年已超过1100万千米。光纤通信在单位时间内能传输的信息量大。一对单模光纤可同时开通35000个电话，而且它还在飞速发展。光纤通信的建设费用正随着使用数量的增大而降低，同时它具有体积小，重量轻，使用金属少，抗电磁干扰、抗辐射性强，保密性好，频带宽，抗干扰性好，防窃听、价格便宜等优点。

中国研究开发光纤通信正处于十年动乱时期，处于封闭状态。国外技术基本无法借鉴，纯属自己摸索，一切都要自己搞，包括光纤、光电子器件和光纤通信系统。就研制光纤来

说，原料提纯、熔炼车床、拉丝机，还包括光纤的测试仪表和接续工具也全都要自己开发，困难极大。武汉邮电科学研究院，考虑到保证光纤通信最终能为经济建设所用，开展了全面研究，除研制光纤外，还开展光电子器件和光纤通信系统的研制，使中国至今具有了完整的光纤通信产业。

在光纤通讯技术中光电检测极其重要。目标信号光电转换器或其它转换装置下转换成脉冲光波，然后通过光纤利用光在光疏光密介质发生全反射定理进行传播，到达终端后通过光电传感器检测、识别，最终到达目的地或终端。

使用的光电检测器件：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）

光电检测器件的性能特点，灵敏度高、响应速度快、噪声小、稳定可靠。即要求：检测器把光功率转变为电流的效率高；射入光信号后，马上就有电信号输出；光信号一停，电信号也停止输出，延迟短或不延迟；为了提高光纤传输系统的性能，要求系统的各个组成部分的噪声要求足够小。但是对于光电检测器要求特别严格，因为它是在极其微弱的信号条件下工作，又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信号噪声比降低，影响重现原来的信号；要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响，以提高系统的稳定性和可靠性。

光电检测电路模块

光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。

其光电检测模块的组成框图如图所示。

光电二极管的工作模式与等效模型

光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图2所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计。一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。

工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图3所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。图中，IL为二极管的漏电流；ISC为二极管的电流；RPD为寄生电阻；CPD为光电二极管的寄生电容；ePD为噪声源；Rs为串联电阻。

由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。在这种方式中，影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。CPD是由光电二极管的P型和N型材料间的耗尽层宽度产生的。耗尽层越窄，结电容的值越大。相反，较宽的耗尽层(如PIN光电二极管)会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约在20或25pF到几千pF以上。而光电二极管的寄生电阻RPD(也称作\"分流\"电阻或\"暗\"电阻)，则与光电二极管的偏置有关。

放大电路如图

该主放大器的放大倍数为A=l＋R2/R3，其中R2为反馈电阻。为了后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的输出电压。

滤波器

为使电路设计简洁并具有良好的信噪比,设计时还需要用带通滤波器对信号进行处理。为保证测量的精确性，本设计在前置放大电路之后加人二阶带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引人的噪声。这里采用的有源带通滤波器可选通某一频段内的信号，而抑制该频段以外的信号。该滤波器的幅频特性如图

f1、f2分别为上下限截止频率，f0为中心频率，其频带宽度为：B=f2-f1=f0/Q式中，Q为品质因数，Q值越大，则随着频率的变化，增益衰减越快。这是因为中心频率一定时，Q值越大，所通过的频带越窄，滤波器的选择性好。有源滤波器是一种含有半导体三极管、集成运算放大器等有源器件的滤波电路。这种滤波器相对于无源滤波器的特点是体积小、重量轻、价格低、结构牢固、可以集成。由于运算放大器具有输人阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性，且构成简单而且性能优良。

微弱信号前置放大电路图

PIN光电二极管的结构

PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。结构如图1所示。

由于I层吸收系数很小，入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子—空穴对，因此大幅度提高了光电转换效率。另外，I层两侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。

检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。Si―PIN光电二极管的波长响应范围为0.5～1μm。Ge―PIN和InGaAs―PIN光电二极管的波长响应范围约为1～1.7μm。

2）响应度

响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量。它定义为：

其中，P0为入射到光电二极管上的光功率；Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。

3）量子效率

量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即： η=(光电转换产生的有效电子-空穴对数)/入射光子数

其中,e为电子电荷，其值为1.6×10-19 C。所以有：

式中,λ单位取μm。可见，光电检测器的响应度随波长的增大而增大。 图2为PIN光电二极管的响应度、量子效率与波长的关系。可以看出，响应度、量子效率随着波长的变化而变化。为提高量子效率，必须减少入射表面的反射率，使入射光子尽可能多地进入PN结；同时减少光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗耗尽区

内被吸收。

4）响应速度

响应速度是光电检测器的另一个重要参数，通常用响应时间（上升时间和下降时间），如图来表示

光电二极管在接收机中使用时通常由偏置电路与放大器相连，这样检测器的响应特性必然与外电路相关。 图4为检测器电路及其等效电路，其中CPN为检测器的结电容；Rb为偏置电阻；Ra、Ca分别为放大器的输入电阻和输入电容；Rs为检测器的串联电阻通常只有几欧，可以忽略。

影响响应速度的主要因素有：

①检测器及其有关电路的RC时间常数，设它造成的脉冲前沿上升时间为：ιRC。要提高响应速度，就要降低整个电路的时间常数。从检测器本身来看，就要尽可能降低结电容。

式中，ε为材料的介电常数，A为结面积，W为耗尽区厚度。 ②载流子漂移通过耗尽区的渡越时间，设上升时间为：ιdr 光电二极管的响应速度主要受到耗尽区内的载流子在电场作用下的漂移通过所需时间(即渡越时间)的限制。渡越时间： 式中，vd为光身载流子的漂移速度。 漂移运动的速度与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比于电场强度，当电场强度达到某一值后，漂移速度不再变化。

③耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟，设上升时间为：ιdi。耗尽区外产生的载流子一部分复合，一部分扩散到耗尽区，被电路吸收。 由于扩散速度比漂移速度慢得多，因此，这部分载流子会带来附加时延，会使输出电信号脉冲拖尾加长。总的上升时间为：

光检测器的功能

光检测器的主要功能是将光信号转换为电信号。光检测器是光接收模块的重要部件。目前光纤通信系统中使用的光检测器主要是移相开关二极管，即PIN二极管。PIN二极管对低频信号具有整流作用，而对高频信号，却只有阻抗作用。阻抗值的大小决定于中间层。当中间层为正偏时，因为有载流子注入中间层，器件呈低阻；而当中间层处于零偏或反偏时，器件呈高阻。从而可以用于信息的检测。 光检测器的一个重要性质就是接收灵敏度，它是外入光信号使接收器工作必须具有的最小功率。应该指出，接收器灵敏度是针对一定范围的光波长而言的。

参考文献

1. 光探测器与红外探测器》 R J凯斯 董培芝 编著

2. 《光纤通信技术》孙学康，张金菊等编 北京邮电大学出版

3. 《光敏感器件信其应用》 齐丕智编著

4. 《光纤通信》刘增基，周洋溢编著 西安电子科技大学出版社

5. 《光纤通信系统》顾畹仪 李国瑞编著 北京邮电大学出版