光学检测仪为什么很重要

在上一篇文章中，我简要解释并比较了发射器中使用的两种光源：LED和LD。今天，我将讨论在光纤链路另一端发生的情况—检测器。顾名思义，光学检测仪可以检测接收到的光量。我们自己的眼睛是一对检测器，因为它们可以接收视网膜的光信息并将该光数据传输到我们的大脑。在可见光谱中，我们的眼睛是检测光纤断裂或漏光的绝佳检测仪。但是，大多数光纤都在肉眼看不见的不可见波长光谱中工作。那就是光学检测仪进来的地方。

光电影响

如果不提及光电效应，就不可能解释光学检测仪的工作原理。简而言之，如果金属被光子撞击，它将释放电子。

这种现象最早是由德国科学家海因里希·赫兹观察到的，他只发表了他的观察结果。后来，阿尔伯特·爱因斯坦研究了这种效应，并在他的一篇著名论文中将离散的光能量化为光子，从而获得了1921年的诺贝尔奖。真空光电二极管和光电倍增器利用了这项技术，可以将光信号转换回电信号。信号。表征检测器的一个关键参数是响应度。它是输出电流与光输入功率的比率，单位为A / W。最后，我们将比较不同探测器的响应度，并根据每种应用进行明智选择。

真空光电二极管和光电倍增管

真空光电二极管（或光电管）主要由阴极和阳极组成。当阴极检测到光子时，根据光电效应发射电子，由于电子被吸引到阳极，电流将流过电路。下图显示了真空光电二极管的工作原理2。

真空管的局限性在于它的体积太大，并且无法在比光纤通信所需的波长范围小的波长范围内工作。另一个问题是，它还需要很多电压才能为其供电。真空光电二极管的典型响应度为mA / W。

另一方面，光电倍增管具有内置的增益机制，因此工作效率更高。除阳极和阴极外，它还具有一系列用于加速电子的“倍增电极”。下图显示了光电倍增管3的简化电路。

就像在真空管中一样，在光子被阴极吸收后，电子也会辐射出去。然而，发射的电子被具有非常高电压的中间倍增极所吸引。倍增极的优点是，只有一个电子被吸引时，才会有一个以上的电子被发射出去。这被称为由电子拥有的高动能引起的二次发射。现在，每个电子在撞击每个倍增极后变成一个以上的电子，从而引起一系列的倍增，最终导致电信号放大。

每个打拿极的增益约为5，因此，如果管中有3个打拿极，则总增量为125（5x5x5）。实际上，每个光电倍增管通常有5到10个倍增极，因此实际增益为数百万。光电倍增管是高速的，但也消耗数百个电压来为每个倍增极供电。它又重又大，几乎与手榴弹一样大。不幸的是，光电倍增管不适用于光纤通信。

半导体光电二极管

与光发射器一样，用于光纤传输的最有效的光检测器也由半导体材料制成。它们如何工作的详细机制非常复杂，因此我将省略电化学，而将重点放在光子如何转换为电子上。

当光以光子的形式入射到pn结（任何半导体的基本成分）时，每个光子必须具有足够的能量来释放电子。电子离开后会留下一个洞，当电子移向阴极时，它将向阳极移动，因此会产生电流。在下图中，每个白色圆圈代表一个孔，并且金的圆圈代表电子。

p区域和n区域之间的区域称为耗尽区，这是一个高电阻区域，在该区域中吸收了光子。当一些光子击中耗尽区时，立即产生电流。一些光子但是，在耗尽区的边缘附近命中会导致电流创建过程中的轻微延迟。为了克服此限制，使其更适合于高频光纤传输，别针发明了光电二极管。

PIN光电二极管

在p区域和n区域之间，添加了另一个名为本征层的层以加宽耗尽区，从而增加了光子直接在该层中被吸收的可能性。下图5显示了p区域和n区域之间的扩展本征层。

这些半导体光电二极管通常由硅或锗制成，并且具有0.5-1 A / W的峰值响应度，与真空管相比，这被认为是一个巨大的进步。它们的光学波长范围从300nm-1700nm，用途广泛。每个半导体的尺寸类似于可以容易地焊接到印刷电路板上的LED的尺寸。而且，您不必像在LED中那样担心光纤耦合，因为检测器面积明显大于光纤的直径，从而几乎实现了无损光子接收。

雪崩光电二极管

试想一下，如果将光电倍增管的高增益能力与PIN二极管的响应能力和较小的占地面积相结合，那将是多么美好？您可以使用雪崩光电二极管或APD进行检查，这是PIN二极管的内部增益变化。与光电倍增器不同，光电倍增器使用多个倍增极来加速和复制电子，APD的增益机制通过向从光子转换的电子-空穴对施加大电压，使其与其他原子碰撞，将更多的电子击出，来工作。这些新电子可以进一步与更多原子碰撞，从而在雪崩过程中迅速产生更多电流。以下是APD5的简化电路。

这种APD的增益，虽然不会像光电倍增管那样，达到数百万美元，但从几十到数百不等。因此，如果硅PIN光电二极管的响应度为0.5A / W，则假设在相同的光波长范围内增益为150，则硅APD的响应度将为75A / W。

概括

PIN光电二极管和APD都是光纤传输的理想选择，PIN的价格比APD便宜。PIN光电二极管可以处理光纤链路短/中的大多数情况。对于更长的距离或较弱的源信号，将选择APD，因为它具有更高的灵敏度。选择理想的检测器时，重要的是要考虑所有因素，例如工作波长，光源，光纤长度，光纤类型，甚至光纤材料。