光电耦合器的发展

光电耦合器的发展
随着半导体技术和光电子学的发展，一种能有效地隔离噪音和抑制干扰的新型半导体器件——光电耦合器，于1966年问世了。

光耦合器是对光信号实现分路、合路和分配的无源器件，是波分复用、光纤局域网、光纤有线电视网以及某些测量仪表中不可缺少的光学器件。

几种典型的光纤耦合器结构图如下所示：
光耦合器件的工作原理如下：
4端口光耦合器是最简单的器件。

4端口光耦合器的结构和原理如图3-33所示。

光耦合器件的性能参数如下：
一、插入损耗：插入损耗是指光功率从特定的端口到另一端口路径的损耗。

从输入端口
k到输出端口j的插入损耗可表示为：
二、附加损耗：附加损耗Le的定义是输入功率与总输出功率的比值。

对于图3-33所示
的4端口光耦合器有：
三、分光比：分光比是某一输出端口的光功率与所有输出端口光功率之比。

它说明输出端口间光功率分配的百分比。

对于4端口光耦合器可以表示为：
四、隔离度：隔离度也称为方向性或串扰，隔离度高意味着线路之间的串扰小。

它表示输入功率出现在不希望的输出端的多少。

对于4端口光耦合器，其数学形式是：
光电耦合的主要特点如下：
输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于10 10Ω，耐压一般可超过1kV，有的甚至可以达到10kV以上。

由于“光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。

由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流电压信号。

因此光电耦合器件的共模抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。

容易和逻辑电路配合。

响应速度快。

光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极。

无触点、寿命长、体积小、耐冲击。

光电耦合器的优点是体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、能隔离噪音、工作温度宽，输入输出之间电绝缘，单向传输信号及逻辑电路易连接等。

光电耦合器按光接收器件可分为有硅光敏器件（光敏二极管、雪崩型光敏二极管、PIN光敏二极管、光敏三极管等）、光敏可控硅和光敏集成电路。

把不同的发光器件和各种光接收器组合起来，就可构成几百个品种系列的光电耦合器，因而，该器件已成为一类独特的半导体器件。

其中光敏二极管加放大器类的光电耦合器随着近年来信息处理的数字化、高速化以及仪器的系统化和网络化的发展，其需求量不断增加。

光电耦合器是一种将发光二极管和光敏三极管组装在一起的新颖光电器件，它采用光信号来传递信息，从而使电路的输入与电气上处于完全隔离的状态，这种信息传递方式是所有采用变压器和继电器作隔离来进行信号传递的一般解决方案所不能相比的。

由于光电耦合器具有可单向传递信息、通频带宽、寄生反馈小、消噪能力强、抗电磁干扰性能好等特点，因而无论在数字电路还是在模拟电路中均得到了越来越广泛的应用。

我国光纤无源器件虽然至今只有20多年的历史，但在技术上取得了长足的进步。

从科研到小批量生产再到形成产业群，基本满足了我国各时期电信网、有线电视网和宽带网对光无源器件的需求。

目前我国光纤连接器、光纤耦合器和二波长复用器的制造技术和一般性能已与国际先进水平相当。

与此同时，由于相关技术基础较为薄弱，科技投入较少，所以在密集波分复用器方面只有薄膜滤波型产品，大端口数矩阵光开关还属空白，有待进一步开发。

我国光纤耦合器的制造技术、生产的产品与发达国家是一致的，都采用熔融拉锥设
备制成熔融双锥体，然后进行一次和二次封装，所以其基本的光学性能也与国际先进水平相当。

2×2或1×2耦合器的附加损耗一般≤0.2dB，隔离度≥ 55dB，分光比可以从1∶99到50∶50。

其带宽性能分别有标准型(±20nm)、宽带型(±40nm)和波长平坦型(1310~1550nm)。

国内所需的这些耦合器及其级连的树型耦合器、星型耦合器绝大部分都是采用国产的。

我国在熔融拉锥设备的制造技术方面也有很大提高。

过去国产设备在工艺过程控制和产品质量的稳定性方面与进口设备的差距较大，经过有关专业公司的努力，现在这种差距已经逐步缩小，因此国产设备的市场份额有了明显的提高。

我国在研制特种光纤耦合器方面也有很大进步。

例如2×2保偏光纤耦合器，其消光比可达25 dB，接近国际水平，但附加损耗为0.5 dB，略差于国外。

这些耦合器已应用于光纤陀螺、光纤水听器的研制。

对于未来的光发展趋势，首先是继续提高耦合器的带宽性能。

随着城域网、局域网以及接入网的不断发展，需要全波段工作的器件是必然趋势。

对耦合器而言，工作波长需要从波长平坦型(1310~1550nm)发展到全波型(1260nm~1650nm)。

光纤耦合器技术的另一个重要发展趋势是提高产品的机械和环境性能。

我国有些企业希望将生产的光纤耦合器以OEM方式销往国外，即以外国公司的牌子进行销售。

但不管采用国产的还是进口的设备，产品往往很难通过国外较严格标准(如Telcordia标准)的机械和环境性能试验。

估计是对熔融拉锥工艺、半成品温度筛选、封装工艺和材料等缺乏深入的研究。

所以我国还应对这些问题进行技术攻关，以便出口甚至在国际上创建中国自己的品牌。

还有一个值得注意的动向是“无拉锥区熔融扩散法”的制造方法。

这种方法的特点是只熔融，不拉锥。

其基本原理是在熔融区域内，光纤纤芯里固有的Ge2+的热扩散现象，导致模场直径增大，实现光纤间的光耦合。

通过控制扩散时间和温度可以制造预定耦合比的不同产品。

这种方法的优点是没有变细的拉锥区，因而大大改善了耦合区的应力状态，不易产生耦合区的断裂，从而提高了产品的可靠性。

两根光纤融合后的耦合区的理论直径为176.8μm(实际测得的数据为175μm)，这比拉锥后的耦合区直径大3~6倍。

此外，这种方法可以利用现有制造设备的热源系统、光功率监测系统和微机控制系统，然后对夹持机构作一些改进，无需拉伸机构，十分简易。

更为可喜的是，利用这种方法同样可以制造各种标准耦合器、宽带耦合器、整体式的1×3和1×4耦合器、光纤衰减器和波分复用器等。

光电耦合器在多种电子设备中的应用非常广泛。

随着数字通信技术的迅速发展以及光隔离器和固体继电器等自动控制部件在机械工业中应用的不断扩大，特别是微处理机在各个领域中的应用推广（有时一台微机上的用量可达十几个甚至上百个）和产品性能的逐步提高，光电耦合器的应用市场将日益扩大，同时，其社会交流和经济交流也一定会十分显著。

今后，光电耦合器将向高速化、高性能，小体积，轻重量的方向发展。