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(lai)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(zao)是由德國科學家海因里希·赫茲觀(guan)察到的(de)(de)，他只(zhi)發表(biao)了(le)(le)他的(de)(de)觀(guan)察結果(guo)。后(hou)來，阿爾(er)(er)伯特·愛因斯坦研(yan)究了(le)(le)這種(zhong)效應(ying)，并(bing)(bing)在他的(de)(de)一篇著(zhu)名論文中將離散的(de)(de)光能量化為(wei)光子，從(cong)而(er)獲得(de)了(le)(le)1921年的(de)(de)諾(nuo)貝爾(er)(er)獎。真空光電(dian)二極(ji)管和(he)光電(dian)倍增(zeng)器利用了(le)(le)這項技術，可以將光信(xin)(xin)號轉(zhuan)換回電(dian)信(xin)(xin)號。信(xin)(xin)號。表(biao)征檢測器的(de)(de)一個關鍵參數是響應(ying)度。它是輸出電(dian)流與光輸入功(gong)率(lv)的(de)(de)比(bi)率(lv)，單位為(wei)A / W。最后(hou)，我們將比(bi)較(jiao)不(bu)同探測器的(de)(de)響應(ying)度，并(bing)(bing)根據每(mei)種(zhong)應(ying)用進行明智(zhi)選擇。
真空光電二極管(guan)和光電倍增管(guan)
真空光(guang)電(dian)二極(ji)管(guan)（或(huo)光(guang)電(dian)管(guan)）主要(yao)由陰極(ji)和陽極(ji)組成。當陰極(ji)檢(jian)測(ce)到光(guang)子(zi)時，根據光(guang)電(dian)效(xiao)應發射電(dian)子(zi)，由于電(dian)子(zi)被吸引到陽極(ji)，電(dian)流將流過(guo)電(dian)路。下(xia)圖顯示(shi)了真空光(guang)電(dian)二極(ji)管(guan)的工(gong)作原理2。
真空管(guan)的(de)局限性在于它的(de)體(ti)積太大，并(bing)且無法在比光纖通(tong)信所需的(de)波(bo)長范圍(wei)小的(de)波(bo)長范圍(wei)內(nei)工(gong)作。另一個問題是，它還需要很多(duo)電(dian)(dian)壓才能為其(qi)供電(dian)(dian)。真空光電(dian)(dian)二極管(guan)的(de)典型(xing)響應度為mA / W。
另一方(fang)面，光電倍(bei)增管具有(you)(you)內置的(de)增益機制，因(yin)此工(gong)作(zuo)效率更高。除(chu)陽(yang)極和陰(yin)極外，它還(huan)具有(you)(you)一系列(lie)用于(yu)加速電子(zi)的(de)“倍(bei)增電極”。下圖顯示了光電倍(bei)增管3的(de)簡化(hua)電路。
就像(xiang)在(zai)真空管中(zhong)一(yi)樣，在(zai)光子(zi)被(bei)(bei)陰極(ji)吸(xi)收后(hou)，電子(zi)也會輻射(she)出(chu)去。然(ran)而(er)，發射(she)的電子(zi)被(bei)(bei)具有(you)非常(chang)高電壓的中(zhong)間(jian)倍增極(ji)所(suo)吸(xi)引。倍增極(ji)的優點是(shi)，只有(you)一(yi)個(ge)電子(zi)被(bei)(bei)吸(xi)引時，才會有(you)一(yi)個(ge)以(yi)上的電子(zi)被(bei)(bei)發射(she)出(chu)去。這被(bei)(bei)稱為由電子(zi)擁有(you)的高動能引起(qi)(qi)的二次發射(she)。現(xian)在(zai)，每個(ge)電子(zi)在(zai)撞擊每個(ge)倍增極(ji)后(hou)變(bian)成一(yi)個(ge)以(yi)上的電子(zi)，從(cong)而(er)引起(qi)(qi)一(yi)系列(lie)的倍增，最終導(dao)致電信(xin)號放大。
每個(ge)打拿極(ji)(ji)的(de)(de)增(zeng)(zeng)益(yi)約(yue)為(wei)5，因此，如果管(guan)(guan)中有3個(ge)打拿極(ji)(ji)，則總增(zeng)(zeng)量為(wei)125（5x5x5）。實際(ji)上，每個(ge)光(guang)(guang)電倍(bei)增(zeng)(zeng)管(guan)(guan)通常有5到10個(ge)倍(bei)增(zeng)(zeng)極(ji)(ji)，因此實際(ji)增(zeng)(zeng)益(yi)為(wei)數百萬。光(guang)(guang)電倍(bei)增(zeng)(zeng)管(guan)(guan)是高速(su)的(de)(de)，但也消(xiao)耗數百個(ge)電壓來為(wei)每個(ge)倍(bei)增(zeng)(zeng)極(ji)(ji)供電。它又重(zhong)又大，幾乎與手榴彈一樣大。不(bu)幸的(de)(de)是，光(guang)(guang)電倍(bei)增(zeng)(zeng)管(guan)(guan)不(bu)適用于光(guang)(guang)纖通信。
半導(dao)體光電二極管
與光發(fa)射器(qi)(qi)一(yi)樣(yang)，用于光纖(xian)傳輸的(de)最有效(xiao)的(de)光檢測器(qi)(qi)也由半導體材料制成。它們如(ru)何工(gong)作(zuo)的(de)詳細機制非(fei)常復雜(za)，因此我(wo)將省略電(dian)化學，而將重點放(fang)在光子(zi)如(ru)何轉換為電(dian)子(zi)上。
當光(guang)以光(guang)子的形式入射到pn結（任何半導體的基本成(cheng)分）時(shi)，每個光(guang)子必須具(ju)有足夠的能量(liang)來釋(shi)放(fang)電子。電子離開后(hou)會留下一個洞，當電子移向(xiang)(xiang)陰極時(shi)，它將向(xiang)(xiang)陽極移動，因此會產生電流。在(zai)下圖中，每個白色圓(yuan)圈代表一個孔，并(bing)且金的圓(yuan)圈代表電子。
p區(qu)(qu)域和n區(qu)(qu)域之間(jian)的區(qu)(qu)域稱為(wei)(wei)耗盡區(qu)(qu)，這是一(yi)個高電(dian)阻區(qu)(qu)域，在(zai)該(gai)區(qu)(qu)域中(zhong)吸(xi)收了光(guang)(guang)子(zi)(zi)。當一(yi)些光(guang)(guang)子(zi)(zi)擊中(zhong)耗盡區(qu)(qu)時，立即產(chan)生(sheng)電(dian)流。一(yi)些光(guang)(guang)子(zi)(zi)但是，在(zai)耗盡區(qu)(qu)的邊緣附近命中(zhong)會導致電(dian)流創(chuang)建過程中(zhong)的輕(qing)微延(yan)遲。為(wei)(wei)了克服此限制，使其更適合于高頻光(guang)(guang)纖傳輸(shu)，別針 發明了光(guang)(guang)電(dian)二極(ji)管。
PIN光電二(er)極管(guan)
在p區域和n區域之(zhi)間(jian)，添(tian)加(jia)了(le)(le)另一個(ge)名為(wei)本征(zheng)層(ceng)的(de)層(ceng)以加(jia)寬耗(hao)盡區，從(cong)而增(zeng)加(jia)了(le)(le)光(guang)子直接在該層(ceng)中(zhong)被吸收的(de)可能(neng)性。下圖5顯(xian)示了(le)(le)p區域和n區域之(zhi)間(jian)的(de)擴展本征(zheng)層(ceng)。
這(zhe)些半導體光(guang)電二極(ji)管通(tong)常由硅或鍺制成，并且具有0.5-1 A / W的(de)(de)(de)峰(feng)值響應度(du)，與真空管相比，這(zhe)被認為是一個巨大的(de)(de)(de)進(jin)步。它們的(de)(de)(de)光(guang)學波長(chang)范圍從300nm-1700nm，用途廣(guang)泛。每個半導體的(de)(de)(de)尺寸(cun)類似于可以容(rong)易地焊接到印刷電路板上的(de)(de)(de)LED的(de)(de)(de)尺寸(cun)。而(er)且，您(nin)不必像在LED中(zhong)那(nei)樣擔心光(guang)纖(xian)耦(ou)合，因為檢測器面積(ji)明(ming)顯大于光(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)直徑(jing)，從而(er)幾乎實現了無(wu)損光(guang)子接收。
雪崩光電二極管
試(shi)想一(yi)下(xia)(xia)，如果將(jiang)光(guang)電(dian)(dian)倍(bei)(bei)增(zeng)管的(de)高增(zeng)益(yi)能力與(yu)PIN二(er)(er)極管的(de)響應能力和(he)較小(xiao)的(de)占地面積相(xiang)結(jie)合(he)，那將(jiang)是(shi)(shi)多么美好(hao)？您可(ke)以使(shi)用雪(xue)崩光(guang)電(dian)(dian)二(er)(er)極管或APD進行檢查(cha)，這是(shi)(shi)PIN二(er)(er)極管的(de)內(nei)部增(zeng)益(yi)變化(hua)。與(yu)光(guang)電(dian)(dian)倍(bei)(bei)增(zeng)器(qi)不同，光(guang)電(dian)(dian)倍(bei)(bei)增(zeng)器(qi)使(shi)用多個倍(bei)(bei)增(zeng)極來加速(su)和(he)復制電(dian)(dian)子(zi)，APD的(de)增(zeng)益(yi)機制通過向從光(guang)子(zi)轉換的(de)電(dian)(dian)子(zi)-空穴對施加大電(dian)(dian)壓，使(shi)其與(yu)其他原(yuan)子(zi)碰撞(zhuang)(zhuang)，將(jiang)更多的(de)電(dian)(dian)子(zi)擊出，來工作。這些新電(dian)(dian)子(zi)可(ke)以進一(yi)步與(yu)更多原(yuan)子(zi)碰撞(zhuang)(zhuang)，從而(er)在雪(xue)崩過程(cheng)中迅速(su)產生更多電(dian)(dian)流(liu)。以下(xia)(xia)是(shi)(shi)APD5的(de)簡化(hua)電(dian)(dian)路。
這種APD的(de)增(zeng)益，雖然不(bu)會像光電倍增(zeng)管(guan)那樣，達(da)到數百萬美元，但從幾(ji)十到數百不(bu)等。因此，如果硅(gui)PIN光電二極管(guan)的(de)響應度為(wei)0.5A / W，則假設在相同的(de)光波(bo)長范圍內增(zeng)益為(wei)150，則硅(gui)APD的(de)響應度將為(wei)75A / W。
概括
PIN光(guang)(guang)電二(er)極(ji)(ji)管(guan)和APD都是光(guang)(guang)纖(xian)(xian)傳輸的(de)理想(xiang)選擇，PIN的(de)價(jia)格比APD便宜。PIN光(guang)(guang)電二(er)極(ji)(ji)管(guan)可以處理光(guang)(guang)纖(xian)(xian)鏈路(lu)短/中的(de)大(da)多數情況。對(dui)于(yu)更長的(de)距(ju)離或(huo)較弱(ruo)的(de)源信號，將選擇APD，因為它具有更高的(de)靈敏度。選擇理想(xiang)的(de)檢(jian)測器時(shi)，重(zhong)要的(de)是要考慮所有因素，例(li)如工作(zuo)波長，光(guang)(guang)源，光(guang)(guang)纖(xian)(xian)長度，光(guang)(guang)纖(xian)(xian)類型，甚至光(guang)(guang)纖(xian)(xian)材料。
