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光学检测仪为什么很重要
日期:2021-02-18 09:33:29
光纤链路

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。

光电
 
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。