光电转换器

光电转换器是什么？

光电转换器是设计光学仪器的主要组件。顾名思义，它是一种调制设备，将激光源发出的光信号转换为电信号，广泛应用于数据通信系统。该设备通常由光电探测器和放大器（放大电信号的设备）组成。光电转换器的主要组件是光电探测器。这是一种对光能敏感的半导体器件，能够将光子（或光）转换为电流。在光电探测器中，当光子的能量大于能量带隙（即 hν > E_g）时，它会激发价带中的电子跃迁到导带。这种电子的空位形成了一个孔，导致电流流动，这种电流被称为光电流。光电流的大小可以用以下公式表示：

其中 I_p 是光电二极管产生的光电流，P_in = 进入光电探测器的总光功率，R = 在空气-半导体界面的菲涅尔反射系数，e是电子电荷，h = 普朗克常数，v = 入射光的频率，α = 半导体在入射波长下的吸收系数，d是吸收区域的宽度。

光电探测器可以在两种模式下工作：光伏模式（零偏置）或光导模式（反向偏置）。上述图中展示了光电转换器的光伏模式，其中光伏意味着使用半导体材料将光直接转换为电能。电流源的特性是其电压必须由电路中的其他元件决定。如果光电探测器连接到负载电阻R_L，电路的输出电压为：

其中 V 是输出电压，ρ 是光电探测器在所选光源波长下的响应度，R_L 是电路中负载的电阻。第一张图展示了偏置PIN二极管以将光信号转换为电压信号的最简单方法。

第二张图展示了使用运算放大器进行光电转换的光导模式。测量的输出电流与输入光功率成线性比例。在光导模式下，光电探测器为反向偏置，即阴极连接到电池的正极，相对于阳极。

在此，入射光子在PIN结的活跃区域生成电子-空穴对。在这个偏置区域内，存在内建电势（扩散电势），这导致电子向n侧移动，空穴向p侧移动，因此载流子被分开，从而产生反向光电流。

这种反向偏置减少了响应时间，因为耗尽层（内在层）的宽度增加，降低了结的电容，并增加了带电场的区域，从而使电子能够快速收集。此外，在电子和空穴分离后，由于产生的强电场，它们不会再复合。因此，光电流与照度之间的关系呈线性比例。

光电转换器的应用

光电转换器旨在测量光通信信号。其广泛的波长范围和多模式输入光学使这些设备非常适合包括以太网、光纤通道和ITU电信标准在内的应用。光电转换器的主要应用之一是使电到电的测试设备能够表征光电设备。每个转换器的电信级组件包括由全自动偏置控制器稳定的铌酸锂（LiNbO₃）调制器和可调或固定波长的激光源。在需要快速检查激光源、光学发射器或光纤通信链路的吞吐量的实验室、工厂和现场服务中极为有用。其他应用包括光学元件的一般实验室测试、现场服务测试和故障排除、激光对准和调谐以及等离子物理测量。