光子也能发电

十五、光子也能发电

通过光纤传输过来的光信号，在接收端被接收后，如何转换为电信号呢？将光信号转换为电信号的器件称为光检测器件。这里就要谈到光电效应的另一个方面——受激吸收。

前面谈到，位于高能态的电子会跃迁到低能态并释放出光子。我们不禁思考：有没有相反的过程呢？

当然有。事实上，位于低能态的电子，如果受到外来光的照射，当光子的能量足够大的时候，电子将吸收这个光子，并借助其中的能量跃迁到高能态上去。这个过程就是受激吸收。

这个跃迁到高能态上的电子，如果同时受到外加电场的作用，就会移动而产生电流，称为光电流。正是按照这个原理，我们制造出半导体光电二极管（PIN）。它能将通过光纤送到接收端的光信号转换为电流信号。

PIN光电二极管的工作原理如下：如图6-15所示，当通过光纤传输而来的光信号照射到二极管上时，发生受激吸收，使得电子由低能态往高能态跃迁。在外加电场的作用下，这些跃迁到高能态的电子流动形成电流。显然，照射过来的光信号强度越大，发出的光子越多，那么吸收光子能量而发生跃迁的电子也就越多，形成的电流也就越大。这样就得到了正比于光信号强度的电流信号，换言之，完成了光电检测的任务。

图6-15　PIN光电二极管简图

不过，在很多时候，经过较远距离的传输，送过来的光信号可能会变得比较微弱。这时候使用PIN光电二极管，产生的电信号也比较微弱，难于检测和进一步处理。应该怎么办呢？

一方面，我们当然可以对这个微弱的电信号进行放大。不过放大的同时，放大器本身也会带来噪声，影响通信质量。此外，就是设法使光检测器件能够由较微弱的光信号得出更强的电信号。或者说，增强检测器件的响应度（响应度是指光电检测器产生的光电流与接收的光信号功率之比）。

于是人们又制作了雪崩光电二极管（APD）。相比于PIN光电二极管，在它的材料中加了一层增益区，并加强其外部电压。这样，当受到光照时，受激吸收产生跃迁到达高能态的电子，在外加电压作用下，与增益区的结构发生碰撞，从而碰撞出更多的电子来，而这些碰撞出来的电子又会去进行更厉害的碰撞。如此就像雪崩一样，很快形成了较强的光电流。

在同样强度的光信号照射下，雪崩光电二极管可以发出比PIN光电二极管强得多的光电流。因此，它非常适合于长途的光纤通信系统。光纤通信系统中由光到电的这一转换环节，也由此得以解决。