1. Nyckelprestandaparametrar

1.1.Responsivitet (R)

Responsivitet är förhållandet mellan genererad fotoström och infallande optisk effekt, uttryckt i A/W. Det beror på våglängd, materialegenskaper, kvanteffektivitet och enhetsstruktur. InGaAs-fotodioder ger vanligtvis hög responsivitet i 1310nm och 1550nm telekommunikationsbanden, även om det exakta värdet varierar beroende på enhetens design och driftsförhållanden. Högre responsivitet producerar mer fotoström för en given optisk ingång, vilket kan förbättra detekteringskänsligheten när andra bruskällor förblir jämförbara.

1.2.Mörkström (Id)

Mörkström är den läckström som flyter genom en fotodiod i frånvaro av infallande ljus. Det kan uppstå från flera mekanismer, inklusive termisk generation-rekombination, bärardiffusion, ytläckage och enhetsdefekter. Mörkström ökar i allmänhet med omvänd förspänning och temperatur och bidrar till detektorns brusgolv. Låg mörkström är särskilt viktig för detektering av svagt ljus och precisionsmätning av optisk effekt.

1.3.Junction Kapacitans (Cj) och bandbredd

Junction kapacitans är kapacitansen som är associerad med fotodiodövergången. Tillsammans med belastningsmotståndet kan det bilda ett RC-lågpasssvar som begränsar detektorbandbredden. Lägre kopplingskapacitans möjliggör generellt högre bandbredd, medan kopplingskapacitans vanligtvis minskar med ökande omvänd förspänning och ökar med aktiv area.

När RC-svaret är den dominerande bandbreddsbegränsningen kan den ungefärliga 3dB bandbredden uppskattas som:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

Den faktiska fotodiodens bandbredd beror också på bärvågens transittid, serieresistans, paketparasiter och avläsningskretsen. Mindre aktiva områden och lämplig omvänd bias kan hjälpa till att uppnå högre bandbredd, men den optimala designen beror på detektorstrukturen och applikationskraven.

1.4.Active Area Diameter

Det aktiva området är fotodiodens fotokänsliga område, typiskt specificerat av dess diameter. Större aktiva ytor kan ta emot större optiska strålar och ge större inriktningstolerans för fritt utrymme eller divergerande strålar, men har generellt högre korsningskapacitans och lägre bandbredd. Mindre aktiva områden ger lägre kapacitans och potentiellt snabbare respons, men kräver mer exakt optisk inriktning. Det optimala aktiva området beror på strålens storlek, kopplingsmetod, optisk effekt och bandbreddskrav.

1.5.Spektralt svarsområde

Det spektrala svarsområdet definierar de våglängder över vilka fotodioden ger användbar fotorespons. Den korta våglängdsgränsen påverkas av absorption och transmission i enhetens struktur, medan den långa våglängdsgränsen i första hand bestäms av halvledarbandgapet. Standard InGaAs-fotodioder ger vanligtvis svar från cirka 900nm till 1700nm, beroende på enhetens struktur och materialsammansättning. InGaAs-varianter med förlängd våglängd kan utöka responsen till cirka 2,6 µm eller mer för tillämpningar med utökad SWIR och spektroskopi.

1.6.Linjäritet

Fotodiodlinjäritet avser det proportionella förhållandet mellan infallande optisk effekt och utgående fotoström. God linjäritet är viktigt för optiska effektmätare, optisk övervakning och kvantitativa mätningsapplikationer. PIN-fotodioder kan ge ett mycket linjärt svar över ett brett optiskt effektområde när de används inom sina specificerade förhållanden. Vid hög optisk effekt kan linjäriteten begränsas av serieresistans, spänningsfall, mättnad, rymdladdningseffekter och avläsningskretsen. Vid låg optisk effekt påverkas mätnoggrannheten i allt högre grad av mörkström och det övergripande detektorbrusgolvet.

2. Typiska applikationer

2.1.Optisk effektmätning och övervakning

Fotodioder används i stor utsträckning i handhållna och bänkbara optiska effektmätare, såväl som inbyggda optiska effektövervakningsmoduler i kommunikations- och testutrustning. InGaAs-fotodioder med lämpliga aktiva områden, hög responsivitet, låg mörkström och bra linjäritet används vanligtvis för optisk effektmätning. Större aktiva områden kan ge större tolerans mot strålens position och inriktningsvariationer, medan låg mörkström hjälper till att förbättra mätnoggrannheten vid låga optiska effektnivåer.

2.2.Fiberoptiska kommunikationsmottagare

I optiska kommunikationsmottagare omvandlar fotodioder modulerade optiska signaler till elektriska signaler för efterföljande bearbetning. PIN-fotodioder används ofta där hög hastighet, linjäritet och adekvat känslighet krävs, medan APD:er ger intern förstärkning för applikationer som kräver högre mottagarkänslighet. Valet mellan PIN och APD beror på länkbudget, datahastighet, mottagararkitektur och kostnadskrav.

2.3.Fiberoptisk avkänning

Distribuerade fiberoptiska avkänningssystem, inklusive distribuerad temperaturavkänning (DTS), distribuerad akustisk avkänning (DAS) och Brillouin optisk tidsdomänanalys (BOTDA), använder fotodetektorer för att mäta tillbakaspridda eller reflekterade optiska signaler från den avkännande fibern. InGaAs-fotodioder används vanligtvis för system som arbetar runt 1550nm-regionen, med responsivitet, brus och bandbredd valda enligt den specifika avkänningstekniken och systemarkitekturen.

2.4.Laser Power Monitoring and Control

Fotodioder används i stor utsträckning för övervakning av laseruteffekt i realtid och återkopplingskontroll. Många fjärils- och TO-CAN-laserpaket kan integrera en monitorfotodiod för att sampla en del av laserutgången, vilket möjliggör automatisk effektkontroll (APC). Externa fotodioder används också för L-I-V-testning, optisk effektövervakning, karakterisering av våglängdsskanning och andra lasermätningsapplikationer. InGaAs-fotodioder är väl lämpade för att övervaka telekom- och avkänningslasrar som arbetar inom sitt spektrala svarsområde.

2.5.Nära-infraröd spektroskopi och analytisk instrumentering

NIR-spektroskopisystem använder fotodioder för att detektera ljus som överförs genom eller reflekteras från prover för analys av kemisk sammansättning, fukthalt och materialegenskaper. InGaAs-fotodioder med respons som sträcker sig till 1700nm täcker viktiga NIR-absorptionsegenskaper hos vatten, kolväten och andra organiska föreningar. Lågt brus och välkarakteriserad spektral känslighet är viktiga för korrekta kvantitativa mätningar.

2.6.Industriell och miljöavkänning

InGaAs-fotodioder kan användas i optiska avkänningssystem som arbetar inom det nära-infraröda området, inklusive NIR TDLAS-gasdetektion, optisk positionsavkänning och andra industriella mättillämpningar. I TDLAS-system detekterar fotodioden laserljus som överförs genom en gascell, medan förändringar i optisk intensitet vid målabsorptionsvåglängden analyseras för att bestämma gaskoncentrationen. Detektorvåglängdssvar, brusprestanda och dynamiskt område bör väljas enligt den specifika avkänningsarkitekturen.