1. Ključni parametri delovanja

1.1.Odzivnost (R)

Odzivnost je razmerje med ustvarjenim fototokom in vpadno optično močjo, izraženo v A/W. Odvisno je od valovne dolžine, lastnosti materiala, kvantne učinkovitosti in strukture naprave. Fotodiode InGaAs običajno zagotavljajo visoko odzivnost v telekomunikacijskih pasovih 1310 nm in 1550 nm, čeprav se natančna vrednost razlikuje glede na zasnovo naprave in pogoje delovanja. Večja odzivnost proizvede več fototoka za dani optični vhod, kar lahko izboljša občutljivost zaznavanja, ko drugi viri šuma ostanejo primerljivi.

1.2.Temni tok (Id)

Temni tok je uhajajoči tok, ki teče skozi fotodiodo v odsotnosti vpadne svetlobe. Pojavi se lahko zaradi več mehanizmov, vključno s toplotno generacijo-rekombinacijo, difuzijo nosilcev, površinskim puščanjem in okvarami naprave. Temni tok se na splošno poveča z obratno prednapetostjo in temperaturo ter prispeva k nizki šumnosti detektorja. Nizek temni tok je še posebej pomemben za zaznavanje pri šibki svetlobi in natančno merjenje optične moči.

1.3.Spojna kapacitivnost (Cj) in pasovna širina

Kapacitivnost spoja je kapacitivnost, povezana s spojem fotodiode. Skupaj z odpornostjo proti obremenitvi lahko tvori nizkoprepustni odziv RC, ki omejuje pasovno širino detektorja. Nižja kapacitivnost spoja na splošno omogoča večjo pasovno širino, medtem ko se kapacitivnost spoja običajno zmanjšuje z naraščajočo povratno pristranskostjo in povečuje z aktivnim območjem.

Ko je odziv RC prevladujoča omejitev pasovne širine, je približno pasovno širino 3dB mogoče oceniti kot:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

Dejanska pasovna širina fotodiode je odvisna tudi od tranzitnega časa nosilca, serijske upornosti, parazitov paketa in odčitavalnega vezja. Manjša aktivna območja in ustrezna povratna prednapetost lahko pomagajo doseči višjo pasovno širino, vendar je optimalna zasnova odvisna od strukture detektorja in aplikacijskih zahtev.

1.4.Premer aktivnega območja

Aktivno območje je fotoobčutljivo območje fotodiode, običajno določeno z njenim premerom. Večja aktivna območja lahko sprejmejo večje optične žarke in zagotovijo večjo toleranco poravnave za prazen prostor ali divergentne žarke, vendar imajo na splošno večjo spojno kapacitivnost in manjšo pasovno širino. Manjša aktivna območja zagotavljajo manjšo kapacitivnost in potencialno hitrejši odziv, vendar zahtevajo natančnejšo optično poravnavo. Optimalno aktivno območje je odvisno od velikosti žarka, načina spajanja, optične moči in zahtev glede pasovne širine.

1.5.Spektralno območje odziva

Območje spektralnega odziva določa valovne dolžine, na katerih fotodioda zagotavlja uporaben fotoodziv. Na mejo kratkih valovnih dolžin vplivata absorpcija in prenos v strukturi naprave, medtem ko je meja dolgih valovnih dolžin v prvi vrsti določena z razmakom polprevodniškega pasu. Standardne fotodiode InGaAs običajno zagotavljajo odziv od približno 900 nm do 1700 nm, odvisno od strukture naprave in sestave materiala. Različice InGaAs s podaljšano valovno dolžino lahko razširijo odziv na približno 2,6 µm ali več za aplikacije s podaljšanim SWIR in spektroskopijo.

1.6.Linearnost

Linearnost fotodiode se nanaša na sorazmerno razmerje med vpadno optično močjo in izhodnim fototokom. Dobra linearnost je pomembna za optične merilnike moči, optični nadzor in kvantitativne meritve. Fotodiode PIN lahko zagotovijo zelo linearen odziv v širokem razponu optične moči, če delujejo v določenih pogojih. Pri visoki optični moči je lahko linearnost omejena z zaporedno upornostjo, padcem napetosti, nasičenostjo, učinki prostorskega naboja in vezjem za odčitavanje. Pri nizki optični moči na natančnost meritev vedno bolj vplivata temni tok in skupna raven šuma detektorja.

2. Tipične aplikacije

2.1.Merjenje in spremljanje optične moči

Fotodiode se pogosto uporabljajo v ročnih in namiznih optičnih merilnikih moči, pa tudi v vgrajenih optičnih modulih za nadzor moči v komunikacijski in testni opremi. Za merjenje optične moči se običajno uporabljajo fotodiode InGaAs z ustreznimi aktivnimi območji, visoko odzivnostjo, nizkim temnim tokom in dobro linearnostjo. Večja aktivna območja lahko zagotovijo večjo toleranco do variacij položaja žarka in poravnave, medtem ko nizek temni tok pomaga izboljšati natančnost merjenja pri nizkih ravneh optične moči.

2.2.Komunikacijski sprejemniki z optičnimi vlakni

V optičnih komunikacijskih sprejemnikih fotodiode pretvorijo modulirane optične signale v električne signale za nadaljnjo obdelavo. PIN fotodiode se pogosto uporabljajo tam, kjer se zahteva visoka hitrost, linearnost in ustrezna občutljivost, medtem ko APD zagotavljajo notranje ojačenje za aplikacije, ki zahtevajo večjo občutljivost sprejemnika. Izbira med PIN in APD je odvisna od proračuna povezave, hitrosti prenosa podatkov, arhitekture sprejemnika in zahtev glede stroškov.

2.3.Optično zaznavanje

Porazdeljeni sistemi za zaznavanje optičnih vlaken, vključno s porazdeljenim zaznavanjem temperature (DTS), porazdeljenim akustičnim zaznavanjem (DAS) in Brillouinovo optično analizo časovne domene (BOTDA), uporabljajo fotodetektorje za merjenje nazaj sipanih ali odbitih optičnih signalov iz zaznavalnega vlakna. Fotodiode InGaAs se običajno uporabljajo za sisteme, ki delujejo okoli območja 1550 nm, z odzivnostjo, šumom in pasovno širino, izbranimi glede na posebno tehniko zaznavanja in sistemsko arhitekturo.

2.4.Nadzor in nadzor laserske moči

Fotodiode se pogosto uporabljajo za spremljanje izhodne moči laserja v realnem času in nadzor povratnih informacij. Številni metuljčki in laserski paketi TO-CAN lahko integrirajo fotodiodo monitorja za vzorčenje dela laserskega izhoda, kar omogoča samodejno krmiljenje moči (APC). Zunanje fotodiode se uporabljajo tudi za testiranje L-I-V, spremljanje optične moči, karakterizacijo skeniranja valovne dolžine in druge aplikacije laserskega merjenja. Fotodiode InGaAs so zelo primerne za spremljanje telekomunikacijskih in zaznavnih laserjev, ki delujejo znotraj svojega spektralnega odzivnega območja.

2.5.Bližnja infrardeča spektroskopija in analitična instrumentacija

Sistemi NIR spektroskopije uporabljajo fotodiode za zaznavanje svetlobe, prepuščene skozi ali odbite od vzorcev za analizo kemične sestave, vsebnosti vlage in lastnosti materiala. Fotodiode InGaAs z odzivom, ki sega do 1700 nm, pokrivajo pomembne značilnosti absorpcije NIR vode, ogljikovodikov in drugih organskih spojin. Nizek šum in dobro opredeljena spektralna odzivnost sta pomembna za natančne kvantitativne meritve.

2.6.Industrijsko in okoljsko zaznavanje

Fotodiode InGaAs se lahko uporabljajo v sistemih za optično zaznavanje, ki delujejo v bližnjem infrardečem območju, vključno z zaznavanjem plina NIR TDLAS, optičnim zaznavanjem položaja in drugimi industrijskimi merilnimi aplikacijami. V sistemih TDLAS fotodioda zaznava lasersko svetlobo, ki se prenaša skozi plinsko celico, medtem ko se spremembe optične intenzitete pri ciljni absorpcijski valovni dolžini analizirajo, da se določi koncentracija plina. Odziv detektorja na valovno dolžino, zmogljivost hrupa in dinamični razpon je treba izbrati glede na specifično arhitekturo zaznavanja.