1. Belangrijkste prestatieparameters

1.1.Responsiviteit (R)

Responsiviteit is de verhouding tussen gegenereerde fotostroom en invallend optisch vermogen, uitgedrukt in A/W. Het hangt af van de golflengte, materiaaleigenschappen, kwantumefficiëntie en apparaatstructuur. InGaAs-fotodiodes bieden doorgaans een hoge responsiviteit in de telecommunicatiebanden van 1310 nm en 1550 nm, hoewel de exacte waarde varieert afhankelijk van het ontwerp van het apparaat en de bedrijfsomstandigheden. Een hogere responsiviteit produceert meer fotostroom voor een bepaalde optische invoer, wat de detectiegevoeligheid kan verbeteren wanneer andere geluidsbronnen vergelijkbaar blijven.

1.2.Donkere stroom (ID)

Donkerstroom is de lekstroom die door een fotodiode vloeit bij afwezigheid van invallend licht. Het kan voortkomen uit verschillende mechanismen, waaronder thermische generatie-recombinatie, dragerdiffusie, oppervlaktelekkage en apparaatdefecten. Donkerstroom neemt over het algemeen toe met tegengestelde bias en temperatuur en draagt ​​bij aan de detectorruisvloer. Een lage donkerstroom is vooral belangrijk voor detectie bij weinig licht en nauwkeurige optische vermogensmeting.

1.3.Verbindingscapaciteit (Cj) en bandbreedte

De junctiecapaciteit is de capaciteit die geassocieerd is met de fotodiode-junctie. Samen met de belastingsweerstand kan het een RC-laagdoorlaatrespons vormen die de detectorbandbreedte beperkt. Een lagere junctiecapaciteit maakt over het algemeen een hogere bandbreedte mogelijk, terwijl de junctiecapaciteit doorgaans afneemt bij toenemende tegengestelde bias en toeneemt met het actieve gebied.

Wanneer de RC-respons de dominante bandbreedtebeperking is, kan de bandbreedte van ongeveer 3 dB worden geschat als:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

De werkelijke fotodiodebandbreedte hangt ook af van de transittijd van de drager, serieweerstand, pakketparasitaire eigenschappen en het uitleescircuit. Kleinere actieve gebieden en de juiste omgekeerde bias kunnen helpen een grotere bandbreedte te bereiken, maar het optimale ontwerp hangt af van de detectorstructuur en toepassingsvereisten.

1.4.Actieve gebiedsdiameter

Het actieve gebied is het lichtgevoelige gebied van de fotodiode, doorgaans gespecificeerd door de diameter ervan. Grotere actieve gebieden zijn geschikt voor grotere optische bundels en bieden een grotere uitlijningstolerantie voor bundels in de vrije ruimte of divergerende bundels, maar hebben over het algemeen een hogere junctiecapaciteit en een lagere bandbreedte. Kleinere actieve gebieden zorgen voor een lagere capaciteit en mogelijk een snellere respons, maar vereisen een nauwkeurigere optische uitlijning. Het optimale actieve gebied hangt af van de bundelgrootte, koppelingsmethode, optisch vermogen en bandbreedtevereisten.

1.5.Spectraal responsbereik

Het spectrale responsbereik definieert de golflengten waarover de fotodiode een bruikbare fotorespons levert. De limiet voor de korte golflengte wordt beïnvloed door absorptie en transmissie in de apparaatstructuur, terwijl de grens voor de lange golflengte voornamelijk wordt bepaald door de bandafstand van de halfgeleider. Standaard InGaAs-fotodiodes bieden doorgaans een respons van ongeveer 900 nm tot 1700 nm, afhankelijk van de structuur van het apparaat en de materiaalsamenstelling. InGaAs-varianten met verlengde golflengte kunnen de respons uitbreiden tot ongeveer 2,6 µm of meer voor uitgebreide SWIR- en spectroscopietoepassingen.

1.6.Lineariteit

Lineariteit van fotodioden verwijst naar de proportionele relatie tussen invallend optisch vermogen en uitgangsfotostroom. Een goede lineariteit is belangrijk voor optische vermogensmeters, optische monitoring en kwantitatieve meettoepassingen. PIN-fotodiodes kunnen een zeer lineaire respons bieden over een breed optisch vermogensbereik wanneer ze binnen de gespecificeerde omstandigheden worden gebruikt. Bij een hoog optisch vermogen kan de lineariteit worden beperkt door serieweerstand, spanningsval, verzadiging, ruimteladingseffecten en het uitleescircuit. Bij een laag optisch vermogen wordt de meetnauwkeurigheid steeds meer beïnvloed door donkerstroom en de algehele detectorruisvloer.

2. Typische toepassingen

2.1.Optische vermogensmeting en -bewaking

Fotodiodes worden veel gebruikt in draagbare en tafelmodel optische vermogensmeters, evenals in ingebouwde optische vermogensbewakingsmodules in communicatie- en testapparatuur. InGaAs-fotodiodes met geschikte actieve gebieden, hoge responsiviteit, lage donkerstroom en goede lineariteit worden vaak gebruikt voor het meten van optisch vermogen. Grotere actieve gebieden kunnen een grotere tolerantie bieden voor variaties in de straalpositie en uitlijning, terwijl een lage donkerstroom de meetnauwkeurigheid bij lage optische vermogensniveaus helpt verbeteren.

2.2.Ontvangers voor glasvezelcommunicatie

In ontvangers voor optische communicatie zetten fotodiodes gemoduleerde optische signalen om in elektrische signalen voor daaropvolgende verwerking. PIN-fotodiodes worden veel gebruikt waar hoge snelheid, lineariteit en voldoende gevoeligheid vereist zijn, terwijl APD's interne versterking bieden voor toepassingen die een hogere ontvangergevoeligheid vereisen. De keuze tussen PIN en APD hangt af van het verbindingsbudget, de datasnelheid, de ontvangerarchitectuur en de kostenvereisten.

2.3.Glasvezeldetectie

Gedistribueerde glasvezeldetectiesystemen, waaronder gedistribueerde temperatuurdetectie (DTS), gedistribueerde akoestische detectie (DAS) en Brillouin optische tijddomeinanalyse (BOTDA), gebruiken fotodetectoren om terugverstrooide of gereflecteerde optische signalen van de detectievezel te meten. InGaAs-fotodiodes worden vaak gebruikt voor systemen die rond het 1550 nm-gebied werken, waarbij responsiviteit, ruis en bandbreedte worden geselecteerd op basis van de specifieke detectietechniek en systeemarchitectuur.

2.4.Bewaking en controle van laservermogen

Fotodiodes worden veel gebruikt voor realtime monitoring van het laseruitgangsvermogen en feedbackcontrole. Veel vlinder- en TO-CAN-laserpakketten kunnen een monitorfotodiode integreren om een ​​deel van de laseruitvoer te bemonsteren, waardoor automatische vermogensregeling (APC) mogelijk wordt. Externe fotodiodes worden ook gebruikt voor L-I-V-tests, monitoring van optisch vermogen, karakterisering van golflengtescans en andere lasermeettoepassingen. InGaAs-fotodiodes zijn zeer geschikt voor het monitoren van telecom- en detectielasers die binnen hun spectrale responsbereik werken.

2.5.Nabij-infraroodspectroscopie en analytische instrumenten

NIR-spectroscopiesystemen gebruiken fotodiodes om licht te detecteren dat wordt doorgelaten of gereflecteerd door monsters voor de analyse van de chemische samenstelling, het vochtgehalte en de materiaaleigenschappen. InGaAs-fotodiodes met een respons tot 1700 nm dekken belangrijke NIR-absorptiekenmerken van water, koolwaterstoffen en andere organische verbindingen. Lage ruis en goed gekarakteriseerde spectrale responsiviteit zijn belangrijk voor nauwkeurige kwantitatieve metingen.

2.6.Industriële en milieudetectie

InGaAs-fotodiodes kunnen worden gebruikt in optische detectiesystemen die werken binnen het nabij-infraroodbereik, waaronder NIR TDLAS-gasdetectie, optische positiedetectie en andere industriële meettoepassingen. In TDLAS-systemen detecteert de fotodiode laserlicht dat door een gascel wordt doorgelaten, terwijl veranderingen in de optische intensiteit bij de beoogde absorptiegolflengte worden geanalyseerd om de gasconcentratie te bepalen. De golflengterespons van de detector, de ruisprestaties en het dynamisch bereik moeten worden geselecteerd op basis van de specifieke detectiearchitectuur.