用于传输和接收数据的器件称为收发器，是数据通信市场增长的主要动力之一。MKS 提供在光收发器的设计、 制造和测试制程中起重要作用的光电（OE）转换器。这些光电转换器将输入的光子转换成电流，这种电流可以被传统的生产测试设备( 如示波器 ) 来测量，光收发器使生产线测试成为可能。

OE 转换原理

OE 转换器通常使用光电二极管来吸收入射光子并将其转换成电流。光电二极管是 p 型、n 型和本征半导体排列而成的器件，如图 1 所示。这种结构被称为 p-i-n 型二极管，其中 “i” 表示 n 层和 p 层之间固有的未掺杂层。本征层吸收光子并将它们的能量转移到原子中的电子上。光子能量的转移将电子从原子中释放出来，同时产生空穴。电子迁移到 p 型区域，由器件的阳极 ( 正极 ) 收集电子，而空穴向 n 型区域和阴极 ( 负极 ) 移动。这样，入射的光子就被转化为电流。

图 1 p-i-n 光电二极管原理图( 绿色层为防反射涂层)

在应用于 OE 转换器的光电二极管的选择中，半导体材料是一个需要重点考虑的因素。这些材料决定了器件通用的波长范围，下表显示了这些半导体材料构成的光电二极管的常见波长范围。在这个范围内，半导体将在特定波长产生更大的电流，这称为器件的光谱响应率。图 2 显示了 InGaAs 光电二极管的典型响应曲线。半导体材料的选择也在一定程度上决定了器件的暗电流，暗电流决定了可达到的信噪比和探测器的灵敏度。由于大多数通信应用都使用了 SWIR 激光，InGaAs 具有高响应率和低暗电流，这是它成为 OE 应用中最受欢迎的光电二极管材料的主要原因。

常用光电二极管半导体材料的波长范围和暗电流性能

光电二极管的物理结构对其电学特性有很大的影响。例如，小直径光电二极管在要求带宽超过几十吉赫兹的光通信应用中是具有优势的，因为电流的上升/下降时间与器件的有效直径成反比。然而 , 较小直径的光电二极管要求入射光被定向到一个更小的表面积上, 如一个 30 GHz p-i-n 光电二极管只有 20 μm 的有效直径。随着网络速度的提高，光的耦合变得越来越具有挑战性，因为进一步减小光电二极管的活动区域需要更紧密地聚焦光束。此外，聚焦于非常小的光斑尺寸的激光束大大增加了光电二极管表面的功率密度。这种高密度会对光电二极管造成物理损伤，并在器件中造成其他不希望出现的非线性效应。因此，功率等级应始终作为通信系统设计的一部分。

图 2 InGaAs 相应率曲线

先进的光电二极管设计

传统的光电二极管设计使得光线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， 这种方法有带宽限制。现在先进的设计采用波导结构( 图 3)，允许光的吸收和沿着光束传播路径产生电子空穴对。这使得器件设计在保持快速电流上升/下降时间的同时，具有更大的光吸收面积。尽管波导结构更加复杂， 制造成本也更高，但是快速、大带宽器件的需求越来越多，这保证了波导光电二极管在未来的应用十分广泛。

图 3 光波导

雪崩光电二极管（APD）也用于数据通信网络。APD 的横截面如图 256 所示。这些器件利用雪崩效应在内部放大光电流信号。APD 是低强度信号和长距离通信的理想选择，在长距离通信中，衰减会减弱信号。

图4 Si/InGaAs 异质结 APD 的横截面示意图 

OE 器件设计

选择合适的光电二极管后，其已知的电学特性可用于 OE 器件的设计。图 5 所示是典型 OE 电路示意图， 电路图最左边是光电二极管。电阻 (R1) 与光电二极管串联，形成一个基本的光电探测器电路，该电路可以用电流表进行监控。添加一个简单的跨阻放大器可以将电流信号从电流转换为电压，并允许信号的放大。输出的电压可以很容易地用电压表检测，在通信系统中一般用示波器检测。在某些情况下，采用多级跨阻放大器可进一步放大信号。

图 5 典型 OE 变换器的电路示意图

OE 光学设计

光子与快速光电二极管的有效耦合是极具挑战性的。如上所述,30 GHz 光电二极管的有效直径仅约 20 μm。在光通信应用中 ,一个典型的情形是 1550 nm 的单模光纤具有 9 μm 纤芯直径和约 1.4 的 NA 值 。这意味着光电二极管表面到光纤的最优聚焦距离大约是 80 μm, X 和 Y 方向都有 ±0.25 μm 的容忍误差( 见图 6)。为实现最佳耦合，光电二极管和光纤的定位需要最佳自动化运动控制产品。 在具有 50 μm 纤芯直径的多模光纤应用中，定位变得更加具有挑战性。在这种情况下，需要先进的光学技术来聚焦光束，而这些额外的光学技术使这一过程对失调更加敏感。

图 6 光从单模光纤到光电二极管 (PD) 表面的耦合

 OE 在光发射器测试中的应用

OE 转换器主要用于光收发器的测试。在典型的测试仪器( 图 7) 中，它们与快速示波器配对，以测量收发器的性能。通过发送到收发器的样本数据与实际输入信号的比较，生成眼图来确认误差。该测试仪器在电子示波器前附加有一个 OE 模块，并且两者都需要足够的带宽来支持被测器件，这一点很重要。随着光学测试变得越来越普遍，示波器制造商已经开始将 OE 直接嵌入到示波器中，从而减少了对外部转换器的需求。

图 7 MKS 高速光电探测器是许多电子仪器的前端 OE 转换器

转自：MKS光电解决方案

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