1. Ключевые параметры производительности

1.1.Чувствительность (R)

Чувствительность — это отношение генерируемого фототока к падающей оптической мощности, выраженное в А/Вт. Это зависит от длины волны, свойств материала, квантовой эффективности и структуры устройства. Фотодиоды InGaAs обычно обеспечивают высокую чувствительность в телекоммуникационных диапазонах 1310 нм и 1550 нм, хотя точное значение зависит от конструкции устройства и условий эксплуатации. Более высокая чувствительность создает больший фототок для данного оптического входа, что может улучшить чувствительность обнаружения, когда другие источники шума остаются сопоставимыми.

1.2.Темный ток (идентификатор)

Темновой ток — это ток утечки, который протекает через фотодиод в отсутствие падающего света. Это может возникнуть в результате нескольких механизмов, включая термическую генерацию-рекомбинацию, диффузию носителей, поверхностную утечку и дефекты устройства. Темновой ток обычно увеличивается с увеличением обратного смещения и температуры и вносит свой вклад в минимальный уровень шума детектора. Низкий темновой ток особенно важен для обнаружения при слабом освещении и точного измерения оптической мощности.

1.3.Емкость перехода (Cj) и полоса пропускания

Емкость перехода — это емкость, связанная с фотодиодным переходом. Вместе с сопротивлением нагрузки он может формировать RC-характеристику нижних частот, ограничивающую полосу пропускания детектора. Меньшая емкость перехода обычно обеспечивает более широкую полосу пропускания, тогда как емкость перехода обычно уменьшается с увеличением обратного смещения и увеличивается с увеличением активной площади.

Когда отклик RC является доминирующим ограничением полосы пропускания, приблизительную полосу пропускания в 3 дБ можно оценить как:

f3дБ ≈ 1/(2π × RL × Cj)

Фактическая полоса пропускания фотодиода также зависит от времени прохождения несущей, последовательного сопротивления, паразитных свойств корпуса и схемы считывания. Меньшие активные площади и соответствующее обратное смещение могут помочь достичь более широкой полосы пропускания, но оптимальная конструкция зависит от структуры детектора и требований применения.

1.4.Диаметр активной области

Активная область — это светочувствительная область фотодиода, обычно определяемая ее диаметром. Активные области большего размера могут вместить более крупные оптические лучи и обеспечить больший допуск на выравнивание для лучей в свободном пространстве или расходящихся лучей, но обычно имеют более высокую емкость перехода и меньшую полосу пропускания. Меньшие активные области обеспечивают меньшую емкость и потенциально более быстрый отклик, но требуют более точной оптической юстировки. Оптимальная активная площадь зависит от размера луча, метода связи, оптической мощности и требований к полосе пропускания.

1,5.Спектральный диапазон отклика

Диапазон спектрального отклика определяет длины волн, на которых фотодиод обеспечивает полезный фотоответ. На коротковолновый предел влияют поглощение и пропускание в структуре устройства, тогда как длинноволновая граница определяется в первую очередь шириной запрещенной зоны полупроводника. Стандартные фотодиоды InGaAs обычно обеспечивают отклик примерно от 900 до 1700 нм, в зависимости от структуры устройства и состава материала. Варианты InGaAs с расширенной длиной волны могут расширить отклик примерно до 2,6 мкм или выше для приложений расширенного SWIR и спектроскопии.

1.6.Линейность

Линейность фотодиода относится к пропорциональному соотношению между падающей оптической мощностью и выходным фототоком. Хорошая линейность важна для измерителей оптической мощности, оптического мониторинга и приложений количественных измерений. PIN-фотодиоды могут обеспечивать очень линейный отклик в широком диапазоне оптической мощности при работе в заданных условиях. При высокой оптической мощности линейность может быть ограничена последовательным сопротивлением, падением напряжения, насыщением, эффектами пространственного заряда и схемой считывания. При низкой оптической мощности на точность измерений все больше влияют темновой ток и общий уровень шума детектора.

2. Типичные применения

2.1.Измерение и мониторинг оптической мощности

Фотодиоды широко используются в портативных и настольных измерителях оптической мощности, а также во встроенных модулях контроля оптической мощности в коммуникационном и испытательном оборудовании. Фотодиоды InGaAs с подходящей активной площадью, высокой чувствительностью, низким темновым током и хорошей линейностью обычно используются для измерения оптической мощности. Большие активные области могут обеспечить большую устойчивость к изменениям положения и выравнивания луча, а низкий темновой ток помогает повысить точность измерений при низких уровнях оптической мощности.

2.2.Приемники оптоволоконной связи

В приемниках оптической связи фотодиоды преобразуют модулированные оптические сигналы в электрические сигналы для последующей обработки. PIN-фотодиоды широко используются там, где требуется высокая скорость, линейность и адекватная чувствительность, в то время как ЛФД обеспечивают внутреннее усиление для приложений, требующих более высокой чувствительности приемника. Выбор между PIN и APD зависит от бюджета канала, скорости передачи данных, архитектуры приемника и требований к стоимости.

2.3.Волоконно-оптическое зондирование

Распределенные оптоволоконные системы измерения, включая распределенное измерение температуры (DTS), распределенное акустическое зондирование (DAS) и оптический временной анализ Бриллюэна (BOTDA), используют фотодетекторы для измерения обратно рассеянных или отраженных оптических сигналов от чувствительного волокна. Фотодиоды InGaAs обычно используются в системах, работающих в диапазоне 1550 нм, при этом чувствительность, шум и полоса пропускания выбираются в соответствии с конкретным методом измерения и архитектурой системы.

2.4.Мониторинг и контроль мощности лазера

Фотодиоды широко используются для мониторинга выходной мощности лазера в режиме реального времени и управления с обратной связью. Многие лазерные комплекты «бабочка» и TO-CAN могут включать в себя фотодиод монитора для отбора части выходного сигнала лазера, что обеспечивает автоматическое управление мощностью (APC). Внешние фотодиоды также используются для тестирования L-I-V, мониторинга оптической мощности, определения характеристик сканирования по длине волны и других приложений лазерных измерений. Фотодиоды InGaAs хорошо подходят для мониторинга телекоммуникационных и сенсорных лазеров, работающих в пределах их спектрального диапазона чувствительности.

2.5.Спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона и аналитическое оборудование

В системах БИК-спектроскопии фотодиоды используются для обнаружения света, проходящего через образцы или отраженного от них, для анализа химического состава, содержания влаги и свойств материалов. Фотодиоды InGaAs с длиной волны отклика до 1700 нм охватывают важные характеристики поглощения воды, углеводородов и других органических соединений в ближнем ИК-диапазоне. Низкий уровень шума и хорошо охарактеризованная спектральная чувствительность важны для точных количественных измерений.

2.6.Промышленное и экологическое зондирование

Фотодиоды InGaAs могут использоваться в оптических сенсорных системах, работающих в ближнем инфракрасном диапазоне, включая обнаружение газа NIR TDLAS, оптическое определение положения и другие промышленные измерительные приложения. В системах TDLAS фотодиод обнаруживает лазерный свет, проходящий через газовую ячейку, а изменения оптической интенсивности на целевой длине волны поглощения анализируются для определения концентрации газа. Характеристика длины волны детектора, шумовые характеристики и динамический диапазон должны выбираться в соответствии с конкретной архитектурой датчика.