1. Parametri cheie de performanță

1.1.Responsabilitate (R)

Sensibilitatea este raportul dintre fotocurent generat și puterea optică incidentă, exprimată în A/W. Depinde de lungimea de undă, proprietățile materialului, eficiența cuantică și structura dispozitivului. Fotodiodele InGaAs oferă de obicei o capacitate de răspuns ridicată în benzile de telecomunicații de 1310 nm și 1550 nm, deși valoarea exactă variază în funcție de designul dispozitivului și de condițiile de operare. Reactivitatea mai mare produce mai mult fotocurent pentru o anumită intrare optică, ceea ce poate îmbunătăți sensibilitatea de detecție atunci când alte surse de zgomot rămân comparabile.

1.2.Curent întunecat (Id)

Curentul întunecat este curentul de scurgere care trece printr-o fotodiodă în absența luminii incidente. Poate apărea din mai multe mecanisme, inclusiv generarea termică-recombinare, difuzia purtătorului, scurgerile de suprafață și defecte ale dispozitivului. Curentul de întuneric crește în general cu polarizarea inversă și temperatura și contribuie la nivelul de zgomot al detectorului. Curentul scăzut de întuneric este deosebit de important pentru detectarea luminii scăzute și măsurarea de precizie a puterii optice.

1.3.Capacitatea joncțiunii (Cj) și lățimea de bandă

Capacitatea joncțiunii este capacitatea asociată joncțiunii fotodiodei. Împreună cu rezistența la sarcină, poate forma un răspuns RC low-pass care limitează lățimea de bandă a detectorului. Capacitatea de joncțiune mai mică permite, în general, o lățime de bandă mai mare, în timp ce capacitatea de joncțiune scade de obicei odată cu creșterea polarizării inverse și crește odată cu zona activă.

Când răspunsul RC este limitarea dominantă a lățimii de bandă, lățimea de bandă de aproximativ 3 dB poate fi estimată ca:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

Lățimea de bandă reală a fotodiodei depinde și de timpul de tranzit al purtătorului, rezistența seriei, paraziții pachetului și circuitul de citire. Zonele active mai mici și polarizarea inversă adecvată pot ajuta la obținerea unei lățime de bandă mai mare, dar designul optim depinde de structura detectorului și de cerințele aplicației.

1.4.Diametrul zonei active

Zona activă este regiunea fotosensibilă a fotodiodei, de obicei specificată de diametrul acesteia. Zonele active mai mari pot găzdui fascicule optice mai mari și oferă o toleranță mai mare de aliniere pentru fasciculele de spațiu liber sau divergente, dar au, în general, o capacitate de joncțiune mai mare și o lățime de bandă mai mică. Zonele active mai mici oferă o capacitate mai mică și un răspuns potențial mai rapid, dar necesită o aliniere optică mai precisă. Zona activă optimă depinde de dimensiunea fasciculului, metoda de cuplare, puterea optică și cerințele de lățime de bandă.

1.5.Interval de răspuns spectral

Intervalul de răspuns spectral definește lungimile de undă peste care fotodioda oferă fotorăspuns util. Limita lungimii de undă scurtă este influențată de absorbția și transmisia în structura dispozitivului, în timp ce limita de lungime de undă lungă este determinată în primul rând de banda interzisă a semiconductorilor. Fotodiodele standard InGaAs oferă de obicei răspuns de la aproximativ 900 nm la 1700 nm, în funcție de structura dispozitivului și compoziția materialului. Variantele InGaAs cu lungime de undă extinsă pot extinde răspunsul la aproximativ 2,6 µm sau mai mult pentru aplicații SWIR extinse și spectroscopie.

1.6.Liniaritate

Linearitatea fotodiodei se referă la relația proporțională dintre puterea optică incidentă și curentul foto de ieșire. Liniaritatea bună este importantă pentru contoarele optice de putere, monitorizarea optică și aplicațiile de măsurare cantitativă. Fotodiodele PIN pot oferi un răspuns extrem de liniar pe o gamă largă de putere optică atunci când sunt operate în condițiile specificate. La putere optică mare, liniaritatea poate fi limitată de rezistența în serie, căderea tensiunii, saturația, efectele de încărcare spațială și circuitul de citire. La putere optică scăzută, precizia măsurării este din ce în ce mai afectată de curentul întunecat și de nivelul general de zgomot al detectorului.

2. Aplicații tipice

2.1.Măsurarea și monitorizarea puterii optice

Fotodiodele sunt utilizate pe scară largă în contoarele de putere optice portabile și de banc, precum și în modulele de monitorizare a puterii optice încorporate în echipamentele de comunicare și de testare. Fotodiodele InGaAs cu zone active adecvate, sensibilitate ridicată, curent de întuneric scăzut și liniaritate bună sunt utilizate în mod obișnuit pentru măsurarea puterii optice. Zonele active mai mari pot oferi o toleranță mai mare la variațiile de poziție și aliniere a fasciculului, în timp ce curentul de întuneric scăzut ajută la îmbunătățirea preciziei măsurătorii la niveluri scăzute de putere optică.

2.2.Receptoare de comunicații cu fibră optică

În receptoarele de comunicații optice, fotodiodele convertesc semnalele optice modulate în semnale electrice pentru procesarea ulterioară. Fotodiodele PIN sunt utilizate pe scară largă acolo unde sunt necesare viteză mare, liniaritate și sensibilitate adecvată, în timp ce APD-urile oferă câștig intern pentru aplicațiile care necesită o sensibilitate mai mare a receptorului. Alegerea între PIN și APD depinde de bugetul conexiunii, rata de date, arhitectura receptorului și cerințele de cost.

2.3.Detecție prin fibră optică

Sistemele de detecție cu fibră optică distribuită, inclusiv senzorul distribuit de temperatură (DTS), senzorul acustic distribuit (DAS) și analiza optică în domeniul timpului Brillouin (BOTDA), utilizează fotodetectoare pentru a măsura semnalele optice retroîmprăștiate sau reflectate de la fibra de detectare. Fotodiodele InGaAs sunt utilizate în mod obișnuit pentru sistemele care funcționează în jurul regiunii de 1550 nm, cu receptivitatea, zgomotul și lățimea de bandă selectate în funcție de tehnica de detectare specifică și arhitectura sistemului.

2.4.Monitorizarea și controlul puterii laser

Fotodiodele sunt utilizate pe scară largă pentru monitorizarea în timp real a puterii de ieșire a laserului și controlul feedback-ului. Multe pachete laser tip fluture și TO-CAN pot integra o fotodiodă de monitor pentru a eșantiona o parte din ieșirea laserului, permițând controlul automat al puterii (APC). Fotodiodele externe sunt, de asemenea, utilizate pentru testarea L-I-V, monitorizarea puterii optice, caracterizarea lungimii de undă de scanare și alte aplicații de măsurare cu laser. Fotodiodele InGaAs sunt potrivite pentru monitorizarea telecomunicațiilor și laserele de detectare care funcționează în intervalul lor de răspuns spectral.

2.5.Spectroscopie în infraroșu apropiat și instrumentație analitică

Sistemele de spectroscopie NIR folosesc fotodiode pentru a detecta lumina transmisă prin sau reflectată din probe pentru analiza compoziției chimice, conținutului de umiditate și proprietăților materialului. Fotodiodele InGaAs cu răspuns care se extinde până la 1700 nm acoperă caracteristici importante de absorbție NIR ale apei, hidrocarburilor și alți compuși organici. Zgomotul redus și răspunsul spectral bine caracterizat sunt importante pentru măsurători cantitative precise.

2.6.Detectare industrială și de mediu

Fotodiodele InGaAs pot fi utilizate în sistemele de detectare optică care funcționează în domeniul infraroșu apropiat, inclusiv detectarea gazelor NIR TDLAS, detectarea poziției optice și alte aplicații de măsurare industrială. În sistemele TDLAS, fotodioda detectează lumina laser transmisă printr-o celulă de gaz, în timp ce modificările intensității optice la lungimea de undă de absorbție țintă sunt analizate pentru a determina concentrația de gaz. Răspunsul la lungimea de undă a detectorului, performanța zgomotului și intervalul dinamic trebuie selectate în funcție de arhitectura de detectare specifică.