在上一篇文章中，我簡要解釋并比較了發射器中使用的兩種光源：LED和LD。今天，我將討論在光纖鏈路另一端發生的情況—檢測器。顧名思義，光學檢測儀可以檢測接收到的光量。我們自己的眼睛是一對檢測器，因為它們可以接收視網膜的光信息并將該光數據傳輸到我們的大腦。在可見光譜中，我們的眼睛是檢測光纖斷裂或漏光的絕佳檢測儀。但是，大多數光纖都在肉眼看不見的不可見波長光譜中工作。那就是光學檢測儀進來的地方。
光電影響
如果不提及光電效應，就不可能解釋光學檢測儀的工作原理。簡而言之，如果金屬被光子撞擊，它將釋放電子。
這種(zhong)現象最早是(shi)由德國(guo)科學家海因里希(xi)·赫茲觀察到的，他只發(fa)表了他的觀察結果。后來，阿爾(er)(er)伯特·愛因斯(si)坦研究(jiu)了這種(zhong)效(xiao)應，并(bing)在他的一篇著名論(lun)文中將離散的光(guang)能量化為光(guang)子，從而獲得(de)了1921年的諾貝爾(er)(er)獎。真空光(guang)電二極管和光(guang)電倍增器利用(yong)(yong)了這項技術(shu)，可以(yi)將光(guang)信(xin)號(hao)轉換回(hui)電信(xin)號(hao)。信(xin)號(hao)。表征檢測(ce)器的一個(ge)關鍵參數是(shi)響(xiang)(xiang)應度(du)。它是(shi)輸出電流與光(guang)輸入功率(lv)的比率(lv)，單(dan)位為A / W。最后，我們將比較不同探測(ce)器的響(xiang)(xiang)應度(du)，并(bing)根據每種(zhong)應用(yong)(yong)進行明智選(xuan)擇。
真空光電二(er)極管和(he)光電倍增管
真空光電(dian)二極(ji)(ji)(ji)管(guan)（或(huo)光電(dian)管(guan)）主要(yao)由陰極(ji)(ji)(ji)和(he)陽極(ji)(ji)(ji)組(zu)成。當陰極(ji)(ji)(ji)檢(jian)測到(dao)光子(zi)時，根據光電(dian)效應(ying)發射電(dian)子(zi)，由于(yu)電(dian)子(zi)被吸引到(dao)陽極(ji)(ji)(ji)，電(dian)流將流過電(dian)路(lu)。下圖顯示了真空光電(dian)二極(ji)(ji)(ji)管(guan)的工(gong)作原理2。
真空管(guan)(guan)的(de)局限(xian)性(xing)在(zai)于它的(de)體積太大(da)，并且無法在(zai)比光纖通(tong)信(xin)所需(xu)的(de)波(bo)長范圍(wei)小的(de)波(bo)長范圍(wei)內工作。另一個問題是，它還需(xu)要(yao)很多電壓(ya)才能為其供(gong)電。真空光電二極管(guan)(guan)的(de)典(dian)型響應度為mA / W。
另一方面，光(guang)電(dian)(dian)(dian)倍增管(guan)(guan)具(ju)有內置的增益機(ji)制(zhi)，因此工作效率更高。除陽極(ji)和陰極(ji)外，它還具(ju)有一系(xi)列用于加速(su)電(dian)(dian)(dian)子的“倍增電(dian)(dian)(dian)極(ji)”。下圖顯示了光(guang)電(dian)(dian)(dian)倍增管(guan)(guan)3的簡化電(dian)(dian)(dian)路(lu)。
就像(xiang)在(zai)(zai)真空管中一(yi)樣，在(zai)(zai)光子(zi)被(bei)陰極吸收后，電(dian)子(zi)也會(hui)輻(fu)射出去(qu)。然而(er)，發(fa)射的(de)電(dian)子(zi)被(bei)具有非常高(gao)電(dian)壓的(de)中間(jian)倍增極所吸引。倍增極的(de)優點是，只有一(yi)個(ge)(ge)(ge)電(dian)子(zi)被(bei)吸引時，才會(hui)有一(yi)個(ge)(ge)(ge)以上(shang)的(de)電(dian)子(zi)被(bei)發(fa)射出去(qu)。這被(bei)稱為由電(dian)子(zi)擁(yong)有的(de)高(gao)動能(neng)引起的(de)二次(ci)發(fa)射。現在(zai)(zai)，每個(ge)(ge)(ge)電(dian)子(zi)在(zai)(zai)撞擊每個(ge)(ge)(ge)倍增極后變成一(yi)個(ge)(ge)(ge)以上(shang)的(de)電(dian)子(zi)，從(cong)而(er)引起一(yi)系列的(de)倍增，最終導致電(dian)信號放大。
每個(ge)(ge)(ge)打拿極(ji)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)益約為5，因此，如果管(guan)中有3個(ge)(ge)(ge)打拿極(ji)，則總增(zeng)(zeng)(zeng)量為125（5x5x5）。實際(ji)(ji)上，每個(ge)(ge)(ge)光(guang)電倍(bei)(bei)(bei)(bei)增(zeng)(zeng)(zeng)管(guan)通(tong)常有5到10個(ge)(ge)(ge)倍(bei)(bei)(bei)(bei)增(zeng)(zeng)(zeng)極(ji)，因此實際(ji)(ji)增(zeng)(zeng)(zeng)益為數百萬。光(guang)電倍(bei)(bei)(bei)(bei)增(zeng)(zeng)(zeng)管(guan)是高(gao)速的(de)，但也(ye)消耗數百個(ge)(ge)(ge)電壓來(lai)為每個(ge)(ge)(ge)倍(bei)(bei)(bei)(bei)增(zeng)(zeng)(zeng)極(ji)供電。它又重又大，幾乎與手榴彈(dan)一樣大。不幸的(de)是，光(guang)電倍(bei)(bei)(bei)(bei)增(zeng)(zeng)(zeng)管(guan)不適(shi)用于光(guang)纖通(tong)信。
半導體光電(dian)二極管(guan)
與光(guang)發射(she)器(qi)一樣，用(yong)于光(guang)纖傳輸的最有效的光(guang)檢測器(qi)也由半(ban)導體(ti)材料制(zhi)(zhi)成。它們如何工作的詳細機制(zhi)(zhi)非常(chang)復雜，因此(ci)我將省略電(dian)化學，而將重點放在光(guang)子(zi)如何轉換為(wei)電(dian)子(zi)上。
當光以光子(zi)的(de)形式入(ru)射到(dao)pn結（任何半導體的(de)基(ji)本成分）時(shi)，每(mei)個(ge)光子(zi)必須具有足夠的(de)能(neng)量來(lai)釋放電子(zi)。電子(zi)離(li)開后(hou)會(hui)留下一個(ge)洞，當電子(zi)移向陰極時(shi)，它將(jiang)向陽極移動，因此會(hui)產(chan)生電流。在下圖中，每(mei)個(ge)白(bai)色圓圈(quan)代表(biao)(biao)一個(ge)孔(kong)，并(bing)且金的(de)圓圈(quan)代表(biao)(biao)電子(zi)。
p區域(yu)和n區域(yu)之間(jian)的(de)(de)區域(yu)稱為(wei)耗盡(jin)區，這是一個高(gao)電(dian)(dian)阻區域(yu)，在(zai)該區域(yu)中(zhong)吸(xi)收了(le)光(guang)子(zi)。當(dang)一些光(guang)子(zi)擊中(zhong)耗盡(jin)區時，立即產生電(dian)(dian)流。一些光(guang)子(zi)但是，在(zai)耗盡(jin)區的(de)(de)邊緣附近命中(zhong)會(hui)導(dao)致電(dian)(dian)流創(chuang)建過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)輕(qing)微延遲。為(wei)了(le)克服此限制，使其更適合(he)于高(gao)頻光(guang)纖傳輸，別針 發(fa)明了(le)光(guang)電(dian)(dian)二極(ji)管。
PIN光(guang)電(dian)二極(ji)管
在p區(qu)(qu)域和n區(qu)(qu)域之(zhi)間，添加了(le)另(ling)一個名(ming)為本(ben)征(zheng)層(ceng)的層(ceng)以(yi)加寬(kuan)耗盡區(qu)(qu)，從(cong)而(er)增加了(le)光(guang)子直接在該層(ceng)中被吸收的可能性。下圖(tu)5顯示了(le)p區(qu)(qu)域和n區(qu)(qu)域之(zhi)間的擴(kuo)展(zhan)本(ben)征(zheng)層(ceng)。
這些半(ban)(ban)導體(ti)光(guang)(guang)電二極管通常由(you)硅或鍺制成，并(bing)且具有(you)0.5-1 A / W的(de)(de)(de)峰(feng)值(zhi)響應度，與真空管相(xiang)比，這被認為是一個巨大(da)的(de)(de)(de)進步。它(ta)們的(de)(de)(de)光(guang)(guang)學波長范圍從300nm-1700nm，用途廣泛。每個半(ban)(ban)導體(ti)的(de)(de)(de)尺寸類似(si)于(yu)可以容易地焊接到印刷電路板上的(de)(de)(de)LED的(de)(de)(de)尺寸。而且，您不必像在(zai)LED中那樣(yang)擔心光(guang)(guang)纖耦合，因為檢測器面積(ji)明(ming)顯(xian)大(da)于(yu)光(guang)(guang)纖的(de)(de)(de)直徑，從而幾(ji)乎實現了無損光(guang)(guang)子接收。
雪(xue)崩光電二極管
試想一下(xia)，如果將光電(dian)倍(bei)(bei)增(zeng)(zeng)(zeng)管(guan)的(de)(de)高增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)能(neng)力(li)與(yu)PIN二(er)(er)極(ji)管(guan)的(de)(de)響應(ying)能(neng)力(li)和較小(xiao)的(de)(de)占地面積(ji)相結合，那將是(shi)多么美好？您(nin)可以使(shi)用雪(xue)崩光電(dian)二(er)(er)極(ji)管(guan)或(huo)APD進(jin)(jin)行檢查，這是(shi)PIN二(er)(er)極(ji)管(guan)的(de)(de)內部增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)變化(hua)。與(yu)光電(dian)倍(bei)(bei)增(zeng)(zeng)(zeng)器不同，光電(dian)倍(bei)(bei)增(zeng)(zeng)(zeng)器使(shi)用多個倍(bei)(bei)增(zeng)(zeng)(zeng)極(ji)來(lai)加(jia)(jia)速和復(fu)制電(dian)子(zi)，APD的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)機制通過(guo)(guo)向從光子(zi)轉換的(de)(de)電(dian)子(zi)-空穴對(dui)施加(jia)(jia)大電(dian)壓，使(shi)其(qi)與(yu)其(qi)他原(yuan)子(zi)碰撞，將更(geng)多的(de)(de)電(dian)子(zi)擊出(chu)，來(lai)工作(zuo)。這些(xie)新電(dian)子(zi)可以進(jin)(jin)一步與(yu)更(geng)多原(yuan)子(zi)碰撞，從而在(zai)雪(xue)崩過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)迅(xun)速產生(sheng)更(geng)多電(dian)流。以下(xia)是(shi)APD5的(de)(de)簡化(hua)電(dian)路。
這種APD的(de)(de)增益(yi)，雖然不會像光電倍增管(guan)那樣，達到數(shu)百萬(wan)美元，但(dan)從(cong)幾(ji)十到數(shu)百不等(deng)。因此，如果硅(gui)PIN光電二極(ji)管(guan)的(de)(de)響(xiang)應(ying)度(du)為(wei)0.5A / W，則假設在相(xiang)同的(de)(de)光波長(chang)范(fan)圍內增益(yi)為(wei)150，則硅(gui)APD的(de)(de)響(xiang)應(ying)度(du)將為(wei)75A / W。
概(gai)括
PIN光(guang)(guang)電(dian)二(er)極管(guan)和(he)APD都(dou)是光(guang)(guang)纖(xian)傳輸的(de)理想選擇(ze)(ze)，PIN的(de)價格比APD便宜。PIN光(guang)(guang)電(dian)二(er)極管(guan)可以處理光(guang)(guang)纖(xian)鏈路短/中的(de)大多數情況。對(dui)于更長的(de)距離或較弱(ruo)的(de)源信號，將選擇(ze)(ze)APD，因為它具有更高的(de)靈敏度。選擇(ze)(ze)理想的(de)檢測器(qi)時，重要的(de)是要考慮(lv)所有因素，例如工作波長，光(guang)(guang)源，光(guang)(guang)纖(xian)長度，光(guang)(guang)纖(xian)類型，甚至(zhi)光(guang)(guang)纖(xian)材料。
