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)通信市場增長的主要動力之一。MKS 提供在光收發(fā)器的設計、 制造和測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)測試設備( 如示波器 ) 來測量，光收發(fā)器使生產(chǎn)線測試成為可能。

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，同時產(chǎn)生空穴。電子遷移到 p 型區(qū)域，由器件的陽極 ( 正極 ) 收集電子，而空穴向 n 型區(qū)域和陰極 ( 負極 ) 移動。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)

在應用于 OE 轉(zhuǎn)換器的光電二極管的選擇中，半導體材料是一個需要重點考慮的因素。這些材料決定了器件通用的波長范圍，下表顯示了這些半導體材料構(gòu)成的光電二極管的常見波長范圍。在這個范圍內(nèi)，半導體將在特定波長產(chǎn)生更大的電流，這稱為器件的光譜響應率。圖 2 顯示了 InGaAs 光電二極管的典型響應曲線。半導體材料的選擇也在一定程度上決定了器件的暗電流，暗電流決定了可達到的信噪比和探測器的靈敏度。由于大多數(shù)通信應用都使用了 SWIR 激光，InGaAs 具有高響應率和低暗電流，這是它成為 OE 應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體材料的波長范圍和暗電流性能

光電二極管的物理結(jié)構(gòu)對其電學特性有很大的影響。例如，小直徑光電二極管在要求帶寬超過幾十吉赫茲的光通信應用中是具有優(yōu)勢的，因為電流的上升/下降時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更小的表面積上, 如一個 30 GHz p-i-n 光電二極管只有 20 μm 的有效直徑。隨著網(wǎng)絡速度的提高，光的耦合變得越來越具有挑戰(zhàn)性，因為進一步減小光電二極管的活動區(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。這種高密度會對光電二極管造成物理損傷，并在器件中造成其他不希望出現(xiàn)的非線性效應。因此，功率等級應始終作為通信系統(tǒng)設計的一部分。

圖 2 InGaAs 相應率曲線

先進的光電二極管設計

傳統(tǒng)的光電二極管設計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。現(xiàn)在先進的設計采用波導結(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。這使得器件設計在保持快速電流上升/下降時間的同時，具有更大的光吸收面積。盡管波導結(jié)構(gòu)更加復雜， 制造成本也更高，但是快速、大帶寬器件的需求越來越多，這保證了波導光電二極管在未來的應用十分廣泛。

圖 3 光波導

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

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

OE 器件設計

選擇合適的光電二極管后，其已知的電學特性可用于 OE 器件的設計。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)，形成一個基本的光電探測器電路，該電路可以用電流表進行監(jiān)控。添加一個簡單的跨阻放大器可以將電流信號從電流轉(zhuǎn)換為電壓，并允許信號的放大。輸出的電壓可以很容易地用電壓表檢測，在通信系統(tǒng)中一般用示波器檢測。在某些情況下，采用多級跨阻放大器可進一步放大信號。

圖 5 典型 OE 變換器的電路示意圖

OE 光學設計

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。在光通信應用中 ,一個典型的情形是 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( 見圖 6)。為實現(xiàn)最佳耦合，光電二極管和光纖的定位需要最佳自動化運動控制產(chǎn)品。 在具有 50 μm 纖芯直徑的多模光纖應用中，定位變得更加具有挑戰(zhàn)性。在這種情況下，需要先進的光學技術(shù)來聚焦光束，而這些額外的光學技術(shù)使這一過程對失調(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)射器測試中的應用

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

圖 7 MKS 高速光電探測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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