用于傳輸和接收數(shù)據(jù)的器件稱為收發(fā)器，是數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿χ�一。MKS 提供在光收發(fā)器的設(shè)計(jì)、 制造和測(cè)試制程中起重要作用的光電（OE）轉(zhuǎn)換器。這些光電轉(zhuǎn)換器將輸入的光子轉(zhuǎn)換成電流，這種電流可以被傳統(tǒng)的生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備( 如示波器 ) 來(lái)測(cè)量，光收發(fā)器使生產(chǎn)線測(cè)試成為可能。

OE 轉(zhuǎn)換原理

OE 轉(zhuǎn)換器通常使用光電二極管來(lái)吸收入射光子并將其轉(zhuǎn)換成電流。光電二極管是 p 型、n 型和本征半導(dǎo)體排列而成的器件，如圖 1 所示。這種結(jié)構(gòu)被稱為 p-i-n 型二極管，其中 “i” 表示 n 層和 p 層之間固有的未摻雜層。本征層吸收光子并將它們的能量轉(zhuǎn)移到原子中的電子上。光子能量的轉(zhuǎn)移將電子從原子中釋放出來(lái)，同時(shí)產(chǎn)生空穴。電子遷移到 p 型區(qū)域，由器件的陽(yáng)極 ( 正極 ) 收集電子，而空穴向 n 型區(qū)域和陰極 ( 負(fù)極 ) 移動(dòng)。這樣，入射的光子就被轉(zhuǎn)化為電流。

圖 1 p-i-n 光電二極管原理圖( 綠色層為防反射涂層)

在應(yīng)用于 OE 轉(zhuǎn)換器的光電二極管的選擇中，半導(dǎo)體材料是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的因素。這些材料決定了器件通用的波長(zhǎng)范圍，下表顯示了這些半導(dǎo)體材料構(gòu)成的光電二極管的常見(jiàn)波長(zhǎng)范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，半導(dǎo)體將在特定波長(zhǎng)產(chǎn)生更大的電流，這稱為器件的光譜響應(yīng)率。圖 2 顯示了 InGaAs 光電二極管的典型響應(yīng)曲線。半導(dǎo)體材料的選擇也在一定程度上決定了器件的暗電流，暗電流決定了可達(dá)到的信噪比和探測(cè)器的靈敏度。由于大多數(shù)通信應(yīng)用都使用了 SWIR 激光，InGaAs 具有高響應(yīng)率和低暗電流，這是它成為 OE 應(yīng)用中最受歡迎的光電二極管材料的主要原因。

常用光電二極管半導(dǎo)體材料的波長(zhǎng)范圍和暗電流性能

光電二極管的物理結(jié)構(gòu)對(duì)其電學(xué)特性有很大的影響。例如，小直徑光電二極管在要求帶寬超過(guò)幾十吉赫茲的光通信應(yīng)用中是具有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)殡娏鞯纳仙?下降時(shí)間與器件的有效直徑成反比。然而 , 較小直徑的光電二極管要求入射光被定向到一個(gè)更小的表面積上, 如一個(gè) 30 GHz p-i-n 光電二極管只有 20 μm 的有效直徑。隨著網(wǎng)絡(luò)速度的提高，光的耦合變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫M(jìn)一步減小光電二極管的活動(dòng)區(qū)域需要更緊密地聚焦光束。此外，聚焦于非常小的光斑尺寸的激光束大大增加了光電二極管表面的功率密度。這種高密度會(huì)對(duì)光電二極管造成物理?yè)p傷，并在器件中造成其他不希望出現(xiàn)的非線性效應(yīng)。因此，功率等級(jí)應(yīng)始終作為通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分。

圖 2 InGaAs 相應(yīng)率曲線

先進(jìn)的光電二極管設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的光電二極管設(shè)計(jì)使得光線可以正常地入射到表面。不幸的是，由于高功率密度和小光斑尺寸的限制， 這種方法有帶寬限制�，F(xiàn)在先進(jìn)的設(shè)計(jì)采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)( 圖 3)，允許光的吸收和沿著光束傳播路徑產(chǎn)生電子空穴對(duì)。這使得器件設(shè)計(jì)在保持快速電流上升/下降時(shí)間的同時(shí)，具有更大的光吸收面積。盡管波導(dǎo)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜， 制造成本也更高，但是快速、大帶寬器件的需求越來(lái)越多，這保證了波導(dǎo)光電二極管在未來(lái)的應(yīng)用十分廣泛。

圖 3 光波導(dǎo)

雪崩光電二極管（APD）也用于數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。APD 的橫截面如圖 256 所示。這些器件利用雪崩效應(yīng)在內(nèi)部放大光電流信號(hào)。APD 是低強(qiáng)度信號(hào)和長(zhǎng)距離通信的理想選擇，在長(zhǎng)距離通信中，衰減會(huì)減弱信號(hào)。

圖4 Si/InGaAs 異質(zhì)結(jié) APD 的橫截面示意圖 

OE 器件設(shè)計(jì)

選擇合適的光電二極管后，其已知的電學(xué)特性可用于 OE 器件的設(shè)計(jì)。圖 5 所示是典型 OE 電路示意圖， 電路圖最左邊是光電二極管。電阻 (R1) 與光電二極管串聯(lián)，形成一個(gè)基本的光電探測(cè)器電路，該電路可以用電流表進(jìn)行監(jiān)控。添加一個(gè)簡(jiǎn)單的跨阻放大器可以將電流信號(hào)從電流轉(zhuǎn)換為電壓，并允許信號(hào)的放大。輸出的電壓可以很容易地用電壓表檢測(cè)，在通信系統(tǒng)中一般用示波器檢測(cè)。在某些情況下，采用多級(jí)跨阻放大器可進(jìn)一步放大信號(hào)。

圖 5 典型 OE 變換器的電路示意圖

OE 光學(xué)設(shè)計(jì)

光子與快速光電二極管的有效耦合是極具挑戰(zhàn)性的。如上所述,30 GHz 光電二極管的有效直徑僅約 20 μm。在光通信應(yīng)用中 ,一個(gè)典型的情形是 1550 nm 的單模光纖具有 9 μm 纖芯直徑和約 1.4 的 NA 值 。這意味著光電二極管表面到光纖的最優(yōu)聚焦距離大約是 80 μm, X 和 Y 方向都有 ±0.25 μm 的容忍誤差( 見(jiàn)圖 6)。為實(shí)現(xiàn)最佳耦合，光電二極管和光纖的定位需要最佳自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品。 在具有 50 μm 纖芯直徑的多模光纖應(yīng)用中，定位變得更加具有挑戰(zhàn)性。在這種情況下，需要先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)來(lái)聚焦光束，而這些額外的光學(xué)技術(shù)使這一過(guò)程對(duì)失調(diào)更加敏感。

圖 6 光從單模光纖到光電二極管 (PD) 表面的耦合

 OE 在光發(fā)射器測(cè)試中的應(yīng)用

OE 轉(zhuǎn)換器主要用于光收發(fā)器的測(cè)試。在典型的測(cè)試儀器( 圖 7) 中，它們與快速示波器配對(duì)，以測(cè)量收發(fā)器的性能。通過(guò)發(fā)送到收發(fā)器的樣本數(shù)據(jù)與實(shí)際輸入信號(hào)的比較，生成眼圖來(lái)確認(rèn)誤差。該測(cè)試儀器在電子示波器前附加有一個(gè) OE 模塊，并且兩者都需要足夠的帶寬來(lái)支持被測(cè)器件，這一點(diǎn)很重要。隨著光學(xué)測(cè)試變得越來(lái)越普遍，示波器制造商已經(jīng)開始將 OE 直接嵌入到示波器中，從而減少了對(duì)外部轉(zhuǎn)換器的需求。

圖 7 MKS 高速光電探測(cè)器是許多電子儀器的前端 OE 轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)自：MKS光電解決方案

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