1. Klíčové parametry výkonu

1.1.Odezva (R)

Citlivost je poměr generovaného fotoproudu k dopadajícímu optickému výkonu, vyjádřený v A/W. Závisí to na vlnové délce, vlastnostech materiálu, kvantové účinnosti a struktuře zařízení. Fotodiody InGaAs obvykle poskytují vysokou odezvu v telekomunikačních pásmech 1310nm a 1550nm, i když přesná hodnota se liší podle konstrukce zařízení a provozních podmínek. Vyšší citlivost produkuje více fotoproudu pro daný optický vstup, což může zlepšit citlivost detekce, když ostatní zdroje šumu zůstávají srovnatelné.

1.2.Temný proud (ID)

Temný proud je svodový proud, který protéká fotodiodou v nepřítomnosti dopadajícího světla. Může vzniknout z několika mechanismů, včetně tepelné generování-rekombinace, difúze nosiče, povrchové netěsnosti a defektů zařízení. Temný proud se obecně zvyšuje s reverzní odchylkou a teplotou a přispívá ke snížení šumu detektoru. Nízký temný proud je zvláště důležitý pro detekci slabého osvětlení a přesné měření optického výkonu.

1.3.Kapacita spoje (Cj) a šířka pásma

Kapacita přechodu je kapacita spojená s přechodem fotodiody. Spolu s odporem zátěže může tvořit RC dolní propust, která omezuje šířku pásma detektoru. Nižší kapacita přechodu obecně umožňuje vyšší šířku pásma, zatímco kapacita přechodu typicky klesá s rostoucím zpětným předpětím a zvyšuje se s aktivní oblastí.

Když je odezva RC dominantním omezením šířky pásma, lze přibližnou šířku pásma 3dB odhadnout jako:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

Skutečná šířka pásma fotodiody také závisí na době přenosu nosné, sériovém odporu, parazitárních vlastnostech pouzdra a čtecím obvodu. Menší aktivní oblasti a vhodné zpětné zkreslení mohou pomoci dosáhnout vyšší šířky pásma, ale optimální návrh závisí na struktuře detektoru a požadavcích aplikace.

1.4.Průměr aktivní oblasti

Aktivní oblast je fotocitlivá oblast fotodiody, typicky specifikovaná jejím průměrem. Větší aktivní oblasti mohou pojmout větší optické paprsky a poskytují větší toleranci zarovnání pro paprsky s volným prostorem nebo divergentní paprsky, ale obecně mají vyšší spojovou kapacitu a nižší šířku pásma. Menší aktivní oblasti poskytují nižší kapacitu a potenciálně rychlejší odezvu, ale vyžadují přesnější optické vyrovnání. Optimální aktivní plocha závisí na velikosti paprsku, metodě vazby, optické síle a požadavcích na šířku pásma.

1.5.Rozsah spektrální odezvy

Rozsah spektrální odezvy definuje vlnové délky, na kterých fotodioda poskytuje užitečnou fotoodezvu. Limit pro krátkovlnnou délku je ovlivněn absorpcí a prostupem ve struktuře zařízení, zatímco limit pro dlouhé vlnové délky je primárně určen polovodičovým bandgapem. Standardní fotodiody InGaAs běžně poskytují odezvu od přibližně 900 nm do 1700 nm, v závislosti na struktuře zařízení a složení materiálu. Varianty InGaAs s prodlouženou vlnovou délkou mohou prodloužit odezvu na přibližně 2,6 µm nebo více pro rozšířené SWIR a spektroskopické aplikace.

1.6.Linearita

Linearita fotodiody se týká proporcionálního vztahu mezi dopadajícím optickým výkonem a výstupním fotoproudem. Dobrá linearita je důležitá pro optické měřiče výkonu, optické monitorování a aplikace kvantitativního měření. PIN fotodiody mohou poskytovat vysoce lineární odezvu v širokém rozsahu optického výkonu, pokud jsou provozovány v jejich specifikovaných podmínkách. Při vysokém optickém výkonu může být linearita omezena sériovým odporem, poklesem napětí, saturací, efekty prostorového náboje a čtecím obvodem. Při nízkém optickém výkonu je přesnost měření stále více ovlivňována temným proudem a celkovým šumem detektoru.

2. Typické aplikace

2.1.Měření a monitorování optického výkonu

Fotodiody jsou široce používány v ručních a stolních optických měřičích výkonu, stejně jako vestavěné moduly pro monitorování optického výkonu v komunikačních a testovacích zařízeních. Pro měření optického výkonu se běžně používají InGaAs fotodiody s vhodnými aktivními plochami, vysokou citlivostí, nízkým temným proudem a dobrou linearitou. Větší aktivní oblasti mohou poskytnout větší toleranci vůči změnám polohy paprsku a zarovnání, zatímco nízký temný proud pomáhá zlepšit přesnost měření při nízkých úrovních optického výkonu.

2.2.Komunikační přijímače z optických vláken

V optických komunikačních přijímačích převádějí fotodiody modulované optické signály na elektrické signály pro následné zpracování. PIN fotodiody jsou široce používány tam, kde je vyžadována vysoká rychlost, linearita a adekvátní citlivost, zatímco APD poskytují vnitřní zisk pro aplikace vyžadující vyšší citlivost přijímače. Volba mezi PIN a APD závisí na rozpočtu linky, datové rychlosti, architektuře přijímače a požadavcích na náklady.

2.3.Snímání optických vláken

Distribuované optické snímací systémy, včetně distribuovaného snímání teploty (DTS), distribuovaného akustického snímání (DAS) a Brillouinovy ​​optické analýzy v časové oblasti (BOTDA), používají fotodetektory k měření zpětně rozptýlených nebo odražených optických signálů ze snímacího vlákna. Fotodiody InGaAs se běžně používají pro systémy pracující v oblasti 1550nm s odezvou, šumem a šířkou pásma vybranými podle konkrétní snímací techniky a architektury systému.

2.4.Monitorování a řízení výkonu laseru

Fotodiody jsou široce používány pro monitorování výstupního výkonu laseru v reálném čase a zpětnovazební řízení. Mnoho laserových balíčků typu butterfly a TO-CAN může integrovat monitorovou fotodiodu pro vzorkování části laserového výstupu, což umožňuje automatické řízení výkonu (APC). Externí fotodiody se také používají pro L-I-V testování, monitorování optického výkonu, charakterizaci vlnovou délkou skenování a další aplikace laserového měření. Fotodiody InGaAs jsou vhodné pro monitorování telekomunikačních a snímacích laserů pracujících v rámci jejich spektrálního rozsahu odezvy.

2.5.Blízká infračervená spektroskopie a analytické přístroje

Systémy NIR spektroskopie používají fotodiody k detekci světla procházejícího nebo odraženého od vzorků pro analýzu chemického složení, obsahu vlhkosti a vlastností materiálu. Fotodiody InGaAs s odezvou až 1700nm pokrývají důležité vlastnosti NIR absorpce vody, uhlovodíků a dalších organických sloučenin. Nízký šum a dobře charakterizovaná spektrální odezva jsou důležité pro přesná kvantitativní měření.

2.6.Průmyslové a environmentální snímání

Fotodiody InGaAs lze použít v optických snímacích systémech pracujících v blízkém infračerveném rozsahu, včetně detekce plynů NIR TDLAS, optického snímání polohy a dalších průmyslových měřicích aplikací. V systémech TDLAS detekuje fotodioda laserové světlo procházející plynovým článkem, zatímco změny optické intenzity na cílové absorpční vlnové délce jsou analyzovány za účelem stanovení koncentrace plynu. Odezva vlnové délky detektoru, výkon šumu a dynamický rozsah by měly být vybrány podle specifické architektury snímání.