3.2 光 检 测 器 v 在光纤传输线路的输出端，必须有一个能够转换光信号的 接收装置即光接收机接收机的首要部件就是光探测器（ 光检测器） v 光探测器能检测出入射在其面上的光功率，并把这个光功 率的变化转换为相应的电流由于光信号在光纤中传输时 会有损耗和失真，所以对光检测器的性能要求很高 * 3.2 光 检 测 器 v 光探测器主要有以下几种不同的类型：光电倍增管、热电 探测器、半导体光探测器等 v 在半导体光探测器中，光电二极管体积小，灵活度高，响 应速度快，在光纤通信系统中得到了广泛的应用常用的 光电二极管有两种类型，即 PIN 光电二极管和雪崩光电 二极管(APD) * PIN光电二极管及其工作原理 3.2.1 雪崩光电二极管（APD） 3.2.2 光电二极管一般性能和应用 3.1.3 3.2 光 检 测 器 * 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理 v 1．工作原理 v 光电二极管是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，其 工作原理可用光电效应来解释，如图所示 光电二极管工作原理 * 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理 v 反向偏压使PN结加宽，空间电荷区的载流子基本耗尽了 。
光入射到PN结上，如果光子能量hf大于半导体材料的 禁带宽度 ，价带上电子可以吸收光子而跃迁到导带产 生电子-空穴对 v 若电子-空穴对在耗尽层内产生，在电场作用下，电子向 N区漂移，空穴向P区漂移，形成光生电流当入射光功 率变化时，光生电流随之线性变化，从而把光信号转化成 电流信号 * 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理 v 然而，当入射光子能量小于 时，无论入射光多么强， 光电效应都不会发生，也就是说，发生光电效应必须满 足 ＞hf因此，任何半导体材料制作的光电二极管都 有上限截止波长 ，其表示式为 v (5.1) v 对于材料Si ， ；对于材料Ge， v 光电二极管除了具有上限截止波长外，当入射波长太短 时，材料的吸收系数变得很大，光电转换效率也会大幅 度下降 * 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理 v 2．光电转换效率 v 常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率入射光在光 电二极管的表面有反射，设入射表面的反射率为R，当入 射光功率为P时，光生电流可以表示为 式中， 是零电场表面层厚度； 是耗尽区的厚度； 是吸收系数 * 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理 v 量子效率定义为 v R 也可以用响应度来表示： (A/W) * 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理 v 要得到高的量子效率，必须采取如下措施：(1) 减小入射 表面的反射率；(2) 尽量减小光子在表面层被吸收的可能 性，增加耗尽层的宽度。
因此，为了得到高的量子效率， 常采用 PIN 结构，如图所示 PIN 光电二极管 * 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理 v I 区是一层接近本征的掺杂很低的N 区，在这种结构中， 零电场区（ 区和 区）非常薄，而低掺杂的 I 区很 厚，耗尽层几乎占据了整个PN 结，从而使光子在耗尽区 被充分吸收 v 对于 InGaAs 材料的光电二极管，往往还采用异质结结 构，耗尽区( InGaAs )夹在宽带隙的 InP 材料之间，而 InP 对于入射光几乎是透明的 * 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理 v 如图给出了几种不同材料PIN 光电二极管的响应度和量子 效率 几种不同材料 PIN 光电二极管的响应度和量子效率 * 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理 v 3．响应速度 v 响应速度通常用响应时间（上升时间τr和下降时间τf） 来表示影响响应速度的主要因素有 v (1) 光电二极管等效电路的 RC时间常数 图5.4 光电二极管的等效电路 * 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理 v (2) 载流子在耗尽区的渡越时间 v (3) 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟 图5.5 结电容、耗尽区宽度以及零电场区对输出脉冲的影响 v 4．暗电流 暗电流是指无光照时，光电二极管的反向电流。
Si 的光电二极管可小于1 nA，Ge 的光电二极管的暗电流 通常几百纳安 * 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理 v 5. 噪声 噪声是反映光电二极管特性的重要参数，它直接影响光接 收机的灵敏度主要包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流 噪声以及负载电阻的热噪声 * 3.2.2 雪崩光电二极管(APD) v 1．工作原理 v 与光电二极管不同，雪崩光电二极管能承受高的反向偏压 在PN结内部形成一个高电场区，光生的电子或空穴经 过高场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运 动中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发新的电 子-空穴对，这个过程称为碰撞电离 v 通过碰撞电离产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对 新生的电子-空穴对在高场区内再被加速，又可能碰撞新 的原子，这样多次碰撞电离的结果是载流子浓度增加，反 向电流增大，称为雪崩增益 * 3.2.2 雪崩光电二极管(APD) v 2．APD的结构 在 850 nm，常用的APD有保护环形( GAPD )和拉通型( RAPD )两种 下图是拉通型APD的结构和内部场强分布示意图 RAPD的结构和内部场强分布示意图 * 3.2.2 雪崩光电二极管(APD) v 当偏压加大到某一值后，耗尽层拉通到 区（本征区） （少量P 掺杂），一直抵达 接触层，此后若电压再增 加，电场增量就在P区和 区分布，高场区电场随电压变 化相对缓慢，G-V 曲线的非线性有所改善。
v 最后给出一些光探测器的性能参数，参见下表 * 3.2.2 雪崩光电二极管(APD) 表1 Si, Ge, InGaAs PIN光电二极管的通用工作特性参数 参数符号单位SiGeInGaAs 波长范围λnm400~1000800~16501100~1700 响应度 RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95 暗电流InnA1~1050~5000.5~2.0 上升时间τns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5 带宽 BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0 偏压VBV55~105 * 3.2.2 雪崩光电二极管(APD) 表2 Si, Ge, InGaAs雪崩光电二极管的通用工作特性参数 参数符号单位SiGeInGaAs 波长范围λnm400~1000800~16501100~1700 雪崩增益 G-20~40050~20010~40 暗电流IDnA0.1~150~50010~50 上升时间τns0.1~20.5~0.80.1~0.5 增益带宽积 G·BGHz100~4002~1020~250 偏压VBV150~40020~4020~30 * 3.2.2 雪崩光电二极管(APD) v 3．APD的平均雪崩增益（倍增因子） v 雪崩过程是一个复杂的随机过程，只能以APD的平均雪 崩增益（APD输出光电流I0和一次光生电流Ip的比值）来 表示APD增益的大小： v 式中，V是反向偏压； 是反向击穿电压；m 是APD结 构和材料决定的参量。
* 3.2.2 雪崩光电二极管(APD) v 雪崩增益随反向偏压变化的非线性十分突出，如图所示 要得到足够的增益，必须在接近击穿电压下工作，而击穿 电压对温度很敏感 APD的平均雪崩增益 * 3.2.2 雪崩光电二极管(APD) v 4．噪声特性 v APD中的噪声除了量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声 之外，还有附加的倍增噪声雪崩倍增效应不仅对信号电 流有放大作用，对噪声电流也有放大作用 v 雪崩过程产生的载流子是随机的，也会引入新的噪声成分 用附加噪声因子描述雪崩效应的随机性引起的噪声增加 的倍数 x为附加噪声指数Si：x=1.3-0.5；Ge：x=0.6-1.0； InGaAsP：x=0.5-0.7 * APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高 的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离但是采用APD 要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增加了成 本因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用PINPD SiPIN和APD用于短波长(0.85μm)光纤通信系统InGaAs PIN用于长波长(1.31μm和1.55 μm)系统，性能非常稳定， 通 常把它和使用场效应管(FET)的前置放大器集成在同一基片上 ，构成FET PIN接收组件，以进一步提高灵敏度，改善器件的 性能。
表3和表4列出半导体光电二极管(PIN和APD)的一般性 能 3.2.3 光电二极管一般性能和应用 * 3.2.3 光电二极管一般性能和应用 表3 PIN光电二极管一般性能 * 3.2.3 光电二极管一般性能和应用 * 这种组件已经得到广泛应用新近研究的InGaAs APD的 特点是响应速度快，传输速率可达几到十几Gb/s，适用于超 高速光纤通信系统由于GeAPD的暗电流和附加噪声指数较 大，很少用于实际通信系统 3.2.3 光电二极管一般性能和应用 * * 3.3 光无源器件 为了实现光信号从发射极值接收机的传输，在整个光 纤的传输线路上既需要解决由光线损耗、色散及非线性引起 的信号衰减和畸变等问题，还需要解决信号的调制、信号的 选路、线路的连接、光功率的分配、光功率的控制、杂散光 的隔离等一系列工程实际问题 在光纤传输线路中，有一类本身不发生光电火电光转 换的传输器件，称之为光无源器件 * 3.3 光无源器件 常见的光无源器件 光隔离器、光环行器、光耦合器 、光纤连接器、光调制器、光开关等 光无源器件的功能主要是：连接、导向光路；分配、 融合光能量；合波和分波等 * 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件 ，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间， 或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。
接头是实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接，主要 用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施连接器件是光 纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件 连接器有单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器，其特性主要 取决于结构设计、加工精度和所用材料单纤连接器结构有 许多种类型，其中精密套管结构设计合理、效果良好，适宜 大规模生产， 因而得到很广泛的应用 3.3.1 连接器和接头 * 3.3.1 连接器和接头 光纤连接器一般性能 * 套管结构连接器简图 如图所示，精密套管结构的连接器包括用于对中的套管、带 有微孔的插针和端面的形状(图中画出平面的端面)光纤固 定在插针的微孔内，两支带光纤的插针用套管对中实现连接 要求光纤与微孔、插针与套 管精密配合对低插入损耗 的连接器，要求两根光纤之 间的横向偏移在1μm以内， 轴线倾角小于0.5° 3.3.1 连接器和接头 * 普通的FC型连接器，光纤端面为平面对于高反射损耗的连 接器，要求光纤端面为球面或斜面，实现物理接触(PC)型 套管和插针的材料一般可以用铜或不锈钢，但插针材料用 ZrO2陶瓷最理想ZrO2陶瓷机械性能好、耐磨，热膨胀系数 和光纤相近，使连接器的 寿命(插拔次数)和工作温度 范围(插入损耗变化±0.1 dB) 大大改善。
套管结构连接器简图 3.3.1 连接器和接头 * 一种常用的多纤连接器是用压模塑料形成的高精度套管和 矩形外壳，配合陶瓷插针构成的，这种方法可以做成2纤或4纤 连接器另一种多纤连接器是把光纤固定在用硅晶片制成的精 密V形槽内，然后多片叠加并配合适当外壳这种多纤连接器 配合高密度带状光缆， 适用于接入网或局域网的连接 对于实现固定连接的接头，国内外大多借助专用自动熔接 机在现场进行热熔接，也可以用V形槽连接热熔接的接头平 均损耗达0.05 dB/个 3.3.1 连接器和接头 * 耦合器是能使光信号在特殊。