1. Kluczowe parametry wydajności

1.1.Responsywność (R)

Czułość to stosunek generowanego fotoprądu do padającej mocy optycznej, wyrażony w A/W. Zależy to od długości fali, właściwości materiału, wydajności kwantowej i struktury urządzenia. Fotodiody InGaAs zazwyczaj zapewniają wysoką czułość w pasmach telekomunikacyjnych 1310 nm i 1550 nm, chociaż dokładna wartość różni się w zależności od konstrukcji urządzenia i warunków pracy. Wyższa czułość wytwarza więcej fotoprądu dla danego wejścia optycznego, co może poprawić czułość wykrywania, gdy inne źródła hałasu pozostają porównywalne.

1.2.Ciemny Prąd (Id)

Prąd ciemny to prąd upływu, który przepływa przez fotodiodę przy braku padającego światła. Może wynikać z kilku mechanizmów, w tym rekombinacji wytwarzania ciepła, dyfuzji nośnika, wycieku powierzchniowego i defektów urządzenia. Prąd ciemny zwykle wzrasta wraz z odwrotnym polaryzacją i temperaturą, przyczyniając się do poziomu szumów detektora. Niski prąd ciemny jest szczególnie ważny przy detekcji słabego oświetlenia i precyzyjnym pomiarze mocy optycznej.

1.3.Pojemność złącza (Cj) i szerokość pasma

Pojemność złącza to pojemność związana ze złączem fotodiody. Razem z rezystancją obciążenia może tworzyć reakcję dolnoprzepustową RC, która ogranicza szerokość pasma detektora. Niższa pojemność złącza generalnie umożliwia większą szerokość pasma, podczas gdy pojemność złącza zwykle maleje wraz ze wzrostem polaryzacji zwrotnej i wzrasta wraz z obszarem aktywnym.

Gdy odpowiedź RC jest dominującym ograniczeniem pasma, przybliżoną szerokość pasma 3dB można oszacować jako:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

Rzeczywista szerokość pasma fotodiody zależy również od czasu przejścia nośnika, rezystancji szeregowej, pasożytów pakietu i obwodu odczytu. Mniejsze obszary aktywne i odpowiednie odchylenie odwrotne mogą pomóc w uzyskaniu większej szerokości pasma, ale optymalny projekt zależy od struktury detektora i wymagań aplikacji.

1.4.Średnica obszaru aktywnego

Obszar aktywny to światłoczuły obszar fotodiody, zwykle określony przez jego średnicę. Większe obszary aktywne mogą pomieścić większe wiązki optyczne i zapewnić większą tolerancję wyrównania dla wiązek w wolnej przestrzeni lub rozbieżnych, ale generalnie mają wyższą pojemność złącza i mniejszą szerokość pasma. Mniejsze obszary aktywne zapewniają niższą pojemność i potencjalnie szybszą reakcję, ale wymagają bardziej precyzyjnego ustawienia optycznego. Optymalny obszar aktywny zależy od rozmiaru wiązki, metody sprzęgania, mocy optycznej i wymagań dotyczących szerokości pasma.

1,5.Zakres odpowiedzi widmowej

Zakres odpowiedzi widmowej określa długości fal, w których fotodioda zapewnia użyteczną fotoreakcję. Na granicę krótkiej długości fali wpływa absorpcja i transmisja w strukturze urządzenia, podczas gdy na granicę długości fali wpływa przede wszystkim przerwa wzbroniona półprzewodnika. Standardowe fotodiody InGaAs zwykle zapewniają odpowiedź w zakresie od około 900 nm do 1700 nm, w zależności od struktury urządzenia i składu materiału. Warianty InGaAs o zwiększonej długości fali mogą rozszerzyć odpowiedź do około 2,6 µm lub więcej w zastosowaniach o rozszerzonym SWIR i spektroskopii.

1.6.Liniowość

Liniowość fotodiody odnosi się do proporcjonalnej zależności między padającą mocą optyczną a wyjściowym fotoprądem. Dobra liniowość jest ważna w przypadku mierników mocy optycznej, monitorowania optycznego i zastosowań w pomiarach ilościowych. Fotodiody PIN mogą zapewnić wysoce liniową odpowiedź w szerokim zakresie mocy optycznej, jeśli działają w określonych warunkach. Przy dużej mocy optycznej liniowość może być ograniczona przez rezystancję szeregową, spadek napięcia, nasycenie, efekt ładunku przestrzennego i obwód odczytu. Przy małej mocy optycznej na dokładność pomiaru w coraz większym stopniu wpływa prąd ciemny i ogólny poziom szumów detektora.

2. Typowe zastosowania

2.1.Pomiar i monitorowanie mocy optycznej

Fotodiody są szeroko stosowane w ręcznych i stacjonarnych miernikach mocy optycznej, a także we wbudowanych modułach monitorowania mocy optycznej w sprzęcie komunikacyjnym i testowym. Do pomiaru mocy optycznej powszechnie stosuje się fotodiody InGaAs o odpowiednich obszarach aktywnych, wysokiej czułości, niskim prądzie ciemnym i dobrej liniowości. Większe obszary aktywne mogą zapewnić większą tolerancję na zmiany położenia wiązki i ustawienia, podczas gdy niski prąd ciemny pomaga poprawić dokładność pomiaru przy niskich poziomach mocy optycznej.

2.2.Odbiorniki komunikacji światłowodowej

W optycznych odbiornikach komunikacyjnych fotodiody przekształcają zmodulowane sygnały optyczne na sygnały elektryczne w celu późniejszego przetwarzania. Fotodiody PIN są szeroko stosowane tam, gdzie wymagana jest duża prędkość, liniowość i odpowiednia czułość, natomiast APD zapewniają wewnętrzne wzmocnienie do zastosowań wymagających wyższej czułości odbiornika. Wybór pomiędzy PIN a APD zależy od budżetu łącza, szybkości transmisji danych, architektury odbiornika i wymagań kosztowych.

2.3.Wykrywanie światłowodowe

Rozproszone systemy wykrywania światłowodowego, w tym rozproszone wykrywanie temperatury (DTS), rozproszone wykrywanie akustyczne (DAS) i optyczna analiza w dziedzinie czasu Brillouina (BOTDA), wykorzystują fotodetektory do pomiaru rozproszonych wstecznie lub odbitych sygnałów optycznych ze światłowodu czujnikowego. Fotodiody InGaAs są powszechnie stosowane w systemach działających w obszarze 1550 nm, przy czym czułość, szum i szerokość pasma są dobierane zgodnie z konkretną techniką wykrywania i architekturą systemu.

2.4.Monitorowanie i sterowanie mocą lasera

Fotodiody są szeroko stosowane do monitorowania mocy wyjściowej lasera w czasie rzeczywistym i kontroli sprzężenia zwrotnego. Wiele pakietów laserowych Butterfly i TO-CAN może zintegrować fotodiodę monitorującą w celu próbkowania części mocy lasera, umożliwiając automatyczną kontrolę mocy (APC). Zewnętrzne fotodiody są również używane do testowania L-I-V, monitorowania mocy optycznej, charakteryzacji skanowania długości fali i innych zastosowań w pomiarach laserowych. Fotodiody InGaAs doskonale nadają się do monitorowania laserów telekomunikacyjnych i wykrywających działających w ich zakresie widmowym.

2.5.Spektroskopia w bliskiej podczerwieni i oprzyrządowanie analityczne

Systemy spektroskopii NIR wykorzystują fotodiody do wykrywania światła przechodzącego przez próbki lub odbitego od nich w celu analizy składu chemicznego, zawartości wilgoci i właściwości materiału. Fotodiody InGaAs o długości fali sięgającej 1700 nm pokrywają ważne właściwości absorpcji NIR wody, węglowodorów i innych związków organicznych. Niski poziom szumów i dobrze scharakteryzowana czułość widmowa są ważne dla dokładnych pomiarów ilościowych.

2.6.Wykrywanie przemysłu i środowiska

Fotodiody InGaAs można stosować w systemach czujników optycznych działających w zakresie bliskiej podczerwieni, w tym w detekcji gazu NIR TDLAS, optycznym wykrywaniu położenia i innych przemysłowych zastosowaniach pomiarowych. W systemach TDLAS fotodioda wykrywa światło lasera przechodzące przez ogniwo gazowe, natomiast zmiany natężenia optycznego przy docelowej długości fali absorpcji są analizowane w celu określenia stężenia gazu. Odpowiedź długości fali detektora, poziom szumów i zakres dynamiki należy wybrać zgodnie z konkretną architekturą wykrywania.