1. Nøkkelytelsesparametere

1.1.Responsivitet (R)

Responsivitet er forholdet mellom generert fotostrøm og innfallende optisk effekt, uttrykt i A/W. Det avhenger av bølgelengde, materialegenskaper, kvanteeffektivitet og enhetsstruktur. InGaAs-fotodioder gir vanligvis høy responsivitet i 1310nm og 1550nm telekommunikasjonsbånd, selv om den eksakte verdien varierer etter enhetsdesign og driftsforhold. Høyere responsivitet produserer mer fotostrøm for en gitt optisk inngang, noe som kan forbedre deteksjonsfølsomheten når andre støykilder forblir sammenlignbare.

1.2.Dark Current (Id)

Mørkstrøm er lekkasjestrømmen som strømmer gjennom en fotodiode i fravær av innfallende lys. Det kan oppstå fra flere mekanismer, inkludert termisk generasjon-rekombinasjon, bærerdiffusjon, overflatelekkasje og enhetsdefekter. Mørk strøm øker generelt med omvendt skjevhet og temperatur og bidrar til detektorstøygulvet. Lav mørkestrøm er spesielt viktig for deteksjon av lavt lys og presis optisk effektmåling.

1.3.Junction Capacitance (Cj) og båndbredde

Koblingskapasitans er kapasitansen assosiert med fotodiodekrysset. Sammen med belastningsmotstanden kan den danne en RC lavpassrespons som begrenser detektorbåndbredden. Lavere koblingskapasitans muliggjør generelt høyere båndbredde, mens koblingskapasitans vanligvis avtar med økende revers bias og øker med aktivt område.

Når RC-responsen er den dominerende båndbreddebegrensningen, kan den omtrentlige båndbredden på 3dB estimeres som:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

Faktisk fotodiodebåndbredde avhenger også av transporttid, seriemotstand, pakkeparasitter og avlesningskretsen. Mindre aktive områder og passende omvendt skjevhet kan bidra til å oppnå høyere båndbredde, men det optimale designet avhenger av detektorstrukturen og applikasjonskravene.

1.4.Active Area Diameter

Det aktive området er det lysfølsomme området til fotodioden, typisk spesifisert av dens diameter. Større aktive områder kan romme større optiske stråler og gi større innrettingstoleranse for frirom eller divergerende stråler, men har generelt høyere koblingskapasitans og lavere båndbredde. Mindre aktive områder gir lavere kapasitans og potensielt raskere respons, men krever mer presis optisk justering. Det optimale aktive området avhenger av strålestørrelsen, koblingsmetoden, optisk kraft og båndbreddekrav.

1.5.Spektralt responsområde

Det spektrale responsområdet definerer bølgelengdene som fotodioden gir nyttig fotorespons over. Kortbølgelengdegrensen påvirkes av absorpsjon og transmisjon i enhetsstrukturen, mens langbølgelengdeavskjæringen primært bestemmes av halvlederbåndgapet. Standard InGaAs-fotodioder gir vanligvis respons fra omtrent 900 nm til 1700 nm, avhengig av enhetens struktur og materialsammensetning. InGaAs-varianter med utvidet bølgelengde kan utvide responsen til omtrent 2,6 µm eller mer for utvidede SWIR- og spektroskopiapplikasjoner.

1.6.Linearitet

Fotodiodelinearitet refererer til det proporsjonale forholdet mellom innfallende optisk effekt og utgangsfotostrøm. God linearitet er viktig for optiske effektmålere, optisk overvåking og kvantitative måleapplikasjoner. PIN-fotodioder kan gi en svært lineær respons over et bredt optisk effektområde når de brukes innenfor de spesifiserte forholdene. Ved høy optisk effekt kan lineariteten begrenses av seriemotstand, spenningsfall, metning, romladningseffekter og avlesningskretsen. Ved lav optisk effekt blir målenøyaktigheten i økende grad påvirket av mørk strøm og det generelle detektorstøygulvet.

2. Typiske applikasjoner

2.1.Optisk effektmåling og overvåking

Fotodioder er mye brukt i håndholdte og benchtop optiske effektmålere, samt innebygde optiske effektovervåkingsmoduler i kommunikasjons- og testutstyr. InGaAs-fotodioder med passende aktive områder, høy responsivitet, lav mørkestrøm og god linearitet brukes ofte til optisk effektmåling. Større aktive områder kan gi større toleranse for stråleposisjons- og justeringsvariasjoner, mens lav mørkestrøm bidrar til å forbedre målenøyaktigheten ved lave optiske effektnivåer.

2.2.Fiberoptiske kommunikasjonsmottakere

I optiske kommunikasjonsmottakere konverterer fotodioder modulerte optiske signaler til elektriske signaler for påfølgende behandling. PIN-fotodioder er mye brukt der høy hastighet, linearitet og tilstrekkelig følsomhet er nødvendig, mens APD-er gir intern forsterkning for applikasjoner som krever høyere mottakerfølsomhet. Valget mellom PIN og APD avhenger av koblingsbudsjett, datahastighet, mottakerarkitektur og kostnadskrav.

2.3.Fiberoptisk sensing

Distribuerte fiberoptiske sensingsystemer, inkludert distribuert temperaturføling (DTS), distribuert akustisk sensing (DAS) og Brillouin optisk tidsdomeneanalyse (BOTDA), bruker fotodetektorer for å måle tilbakespredte eller reflekterte optiske signaler fra sensingfiberen. InGaAs-fotodioder brukes ofte for systemer som opererer rundt 1550nm-området, med responsivitet, støy og båndbredde valgt i henhold til den spesifikke sensorteknikken og systemarkitekturen.

2.4.Laserkraftovervåking og kontroll

Fotodioder er mye brukt for sanntids laserutgangseffektovervåking og tilbakemeldingskontroll. Mange sommerfugl- og TO-CAN-laserpakker kan integrere en monitorfotodiode for å prøve en del av laserutgangen, noe som muliggjør automatisk strømkontroll (APC). Eksterne fotodioder brukes også til L-I-V-testing, optisk effektovervåking, karakterisering av bølgelengdeskanning og andre lasermålingsapplikasjoner. InGaAs-fotodioder er godt egnet til å overvåke telekommunikasjons- og sensinglasere som opererer innenfor deres spektrale responsområde.

2.5.Nær-infrarød spektroskopi og analytisk instrumentering

NIR-spektroskopisystemer bruker fotodioder for å oppdage lys som sendes gjennom eller reflekteres fra prøver for analyse av kjemisk sammensetning, fuktighetsinnhold og materialegenskaper. InGaAs-fotodioder med respons som strekker seg til 1700nm dekker viktige NIR-absorpsjonsegenskaper til vann, hydrokarboner og andre organiske forbindelser. Lav støy og godt karakterisert spektral respons er viktig for nøyaktige kvantitative målinger.

2.6.Industriell og miljøføling

InGaAs-fotodioder kan brukes i optiske sensorsystemer som opererer innenfor det nær-infrarøde området, inkludert NIR TDLAS-gassdeteksjon, optisk posisjonsregistrering og andre industrielle måleapplikasjoner. I TDLAS-systemer oppdager fotodioden laserlys som sendes gjennom en gasscelle, mens endringer i optisk intensitet ved målabsorpsjonsbølgelengden analyseres for å bestemme gasskonsentrasjonen. Detektorbølgelengderespons, støyytelse og dynamisk område bør velges i henhold til den spesifikke sensorarkitekturen.