1. Wichtige Leistungsparameter

1.1.Reaktionsfähigkeit (R)

Die Reaktionsfähigkeit ist das Verhältnis des erzeugten Photostroms zur einfallenden optischen Leistung, ausgedrückt in A/W. Dies hängt von der Wellenlänge, den Materialeigenschaften, der Quanteneffizienz und der Gerätestruktur ab. InGaAs-Fotodioden bieten typischerweise eine hohe Empfindlichkeit in den Telekommunikationsbändern 1310 nm und 1550 nm, obwohl der genaue Wert je nach Gerätedesign und Betriebsbedingungen variiert. Eine höhere Empfindlichkeit erzeugt mehr Photostrom für einen bestimmten optischen Eingang, was die Erkennungsempfindlichkeit verbessern kann, wenn andere Rauschquellen vergleichbar bleiben.

1.2.Dunkelstrom (Id)

Dunkelstrom ist der Leckstrom, der ohne einfallendes Licht durch eine Fotodiode fließt. Es kann durch verschiedene Mechanismen entstehen, darunter thermische Erzeugung-Rekombination, Trägerdiffusion, Oberflächenleckage und Gerätedefekte. Der Dunkelstrom nimmt im Allgemeinen mit der Sperrvorspannung und der Temperatur zu und trägt zum Grundrauschen des Detektors bei. Ein niedriger Dunkelstrom ist besonders wichtig für die Erkennung schwacher Lichtverhältnisse und die präzise Messung der optischen Leistung.

1.3.Sperrschichtkapazität (Cj) und Bandbreite

Die Sperrschichtkapazität ist die Kapazität, die dem Fotodiodenübergang zugeordnet ist. Zusammen mit dem Lastwiderstand kann es eine RC-Tiefpassantwort bilden, die die Detektorbandbreite begrenzt. Eine geringere Sperrschichtkapazität ermöglicht im Allgemeinen eine höhere Bandbreite, während die Sperrschichtkapazität typischerweise mit zunehmender Sperrvorspannung abnimmt und mit zunehmender aktiver Fläche zunimmt.

Wenn die RC-Antwort die dominierende Bandbreitenbegrenzung darstellt, kann die ungefähre 3-dB-Bandbreite wie folgt geschätzt werden:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

Die tatsächliche Bandbreite der Fotodiode hängt auch von der Trägerlaufzeit, dem Serienwiderstand, Gehäuseparasiten und der Ausleseschaltung ab. Kleinere aktive Flächen und eine entsprechende Sperrvorspannung können dabei helfen, eine höhere Bandbreite zu erreichen, das optimale Design hängt jedoch von der Detektorstruktur und den Anwendungsanforderungen ab.

1.4.Durchmesser der aktiven Fläche

Der aktive Bereich ist der lichtempfindliche Bereich der Fotodiode, der typischerweise durch seinen Durchmesser angegeben wird. Größere aktive Bereiche können größere optische Strahlen aufnehmen und bieten eine größere Ausrichtungstoleranz für Freiraum- oder divergente Strahlen, weisen jedoch im Allgemeinen eine höhere Sperrschichtkapazität und eine geringere Bandbreite auf. Kleinere aktive Bereiche bieten eine geringere Kapazität und möglicherweise eine schnellere Reaktion, erfordern jedoch eine präzisere optische Ausrichtung. Die optimale aktive Fläche hängt von der Strahlgröße, der Kopplungsmethode, der optischen Leistung und den Bandbreitenanforderungen ab.

1.5.Spektraler Reaktionsbereich

Der spektrale Antwortbereich definiert die Wellenlängen, über die die Fotodiode eine nützliche Fotoantwort liefert. Die Grenze für kurze Wellenlängen wird durch Absorption und Transmission in der Gerätestruktur beeinflusst, während die Grenze für lange Wellenlängen hauptsächlich durch die Halbleiterbandlücke bestimmt wird. Standard-InGaAs-Fotodioden bieten je nach Gerätestruktur und Materialzusammensetzung im Allgemeinen eine Reaktion von etwa 900 nm bis 1700 nm. InGaAs-Varianten mit erweiterter Wellenlänge können die Reaktion für erweiterte SWIR- und Spektroskopieanwendungen auf etwa 2,6 µm oder mehr erweitern.

1.6.Linearität

Die Linearität der Fotodiode bezieht sich auf die proportionale Beziehung zwischen der einfallenden optischen Leistung und dem ausgegebenen Fotostrom. Eine gute Linearität ist wichtig für optische Leistungsmesser, optische Überwachung und quantitative Messanwendungen. PIN-Fotodioden können bei Betrieb innerhalb ihrer spezifizierten Bedingungen über einen weiten optischen Leistungsbereich eine äußerst lineare Reaktion liefern. Bei hoher optischer Leistung kann die Linearität durch Serienwiderstand, Spannungsabfall, Sättigung, Raumladungseffekte und die Ausleseschaltung eingeschränkt sein. Bei geringer optischer Leistung wird die Messgenauigkeit zunehmend durch den Dunkelstrom und das Gesamtrauschen des Detektors beeinträchtigt.

2. Typische Anwendungen

2.1.Optische Leistungsmessung und -überwachung

Fotodioden werden häufig in optischen Hand- und Tischleistungsmessgeräten sowie in integrierten optischen Leistungsüberwachungsmodulen in Kommunikations- und Testgeräten eingesetzt. Für die optische Leistungsmessung werden üblicherweise InGaAs-Fotodioden mit geeigneten aktiven Flächen, hoher Empfindlichkeit, niedrigem Dunkelstrom und guter Linearität verwendet. Größere aktive Bereiche können eine größere Toleranz gegenüber Strahlpositions- und Ausrichtungsschwankungen bieten, während ein niedriger Dunkelstrom zur Verbesserung der Messgenauigkeit bei niedrigen optischen Leistungspegeln beiträgt.

2.2.Glasfaser-Kommunikationsempfänger

In optischen Kommunikationsempfängern wandeln Fotodioden modulierte optische Signale zur anschließenden Verarbeitung in elektrische Signale um. PIN-Fotodioden werden häufig dort eingesetzt, wo hohe Geschwindigkeit, Linearität und ausreichende Empfindlichkeit erforderlich sind, während APDs eine interne Verstärkung für Anwendungen bieten, die eine höhere Empfängerempfindlichkeit erfordern. Die Wahl zwischen PIN und APD hängt vom Verbindungsbudget, der Datenrate, der Empfängerarchitektur und den Kostenanforderungen ab.

2.3.Faseroptische Sensorik

Verteilte faseroptische Sensorsysteme, einschließlich verteilter Temperatursensorik (DTS), verteilter akustischer Sensorik (DAS) und optischer Brillouin-Zeitbereichsanalyse (BOTDA), verwenden Fotodetektoren, um rückgestreute oder reflektierte optische Signale von der Sensorfaser zu messen. InGaAs-Fotodioden werden üblicherweise für Systeme verwendet, die im 1550-nm-Bereich arbeiten, wobei Empfindlichkeit, Rauschen und Bandbreite entsprechend der spezifischen Erfassungstechnik und Systemarchitektur ausgewählt werden.

2.4.Überwachung und Steuerung der Laserleistung

Fotodioden werden häufig zur Echtzeitüberwachung und Feedback-Steuerung der Laserausgangsleistung eingesetzt. Viele Butterfly- und TO-CAN-Laserpakete können eine Monitor-Fotodiode integrieren, um einen Teil der Laserleistung abzutasten und so eine automatische Leistungssteuerung (APC) zu ermöglichen. Externe Fotodioden werden auch für L-I-V-Tests, optische Leistungsüberwachung, Wellenlängen-Scan-Charakterisierung und andere Lasermessanwendungen verwendet. InGaAs-Fotodioden eignen sich gut zur Überwachung von Telekommunikations- und Sensorlasern, die innerhalb ihres spektralen Reaktionsbereichs arbeiten.

2.5.Nahinfrarotspektroskopie und analytische Instrumentierung

NIR-Spektroskopiesysteme verwenden Fotodioden, um durch Proben hindurchgelassenes oder von Proben reflektiertes Licht zu erfassen und so die chemische Zusammensetzung, den Feuchtigkeitsgehalt und die Materialeigenschaften zu analysieren. InGaAs-Fotodioden mit einer Empfindlichkeit bis 1700 nm decken wichtige NIR-Absorptionsmerkmale von Wasser, Kohlenwasserstoffen und anderen organischen Verbindungen ab. Für genaue quantitative Messungen sind geringes Rauschen und eine gut charakterisierte spektrale Empfindlichkeit wichtig.

2.6.Industrie- und Umweltsensorik

InGaAs-Fotodioden können in optischen Sensorsystemen verwendet werden, die im Nahinfrarotbereich arbeiten, einschließlich NIR-TDLAS-Gaserkennung, optischer Positionserkennung und anderen industriellen Messanwendungen. In TDLAS-Systemen erkennt die Fotodiode das durch eine Gaszelle übertragene Laserlicht, während Änderungen der optischen Intensität bei der Zielabsorptionswellenlänge analysiert werden, um die Gaskonzentration zu bestimmen. Die Wellenlängenreaktion, die Rauschleistung und der Dynamikbereich des Detektors sollten entsprechend der spezifischen Sensorarchitektur ausgewählt werden.