1. Βασικές Παράμετροι Απόδοσης

1.1.Απόκριση (R)

Η απόκριση είναι η αναλογία του παραγόμενου φωτορεύματος προς την προσπίπτουσα οπτική ισχύ, εκφρασμένη σε A/W. Εξαρτάται από το μήκος κύματος, τις ιδιότητες του υλικού, την κβαντική απόδοση και τη δομή της συσκευής. Οι φωτοδίοδοι InGaAs παρέχουν συνήθως υψηλή απόκριση στις ζώνες τηλεπικοινωνιών 1310nm και 1550nm, αν και η ακριβής τιμή ποικίλλει ανάλογα με το σχεδιασμό της συσκευής και τις συνθήκες λειτουργίας. Η υψηλότερη απόκριση παράγει περισσότερο φωτορεύμα για μια δεδομένη οπτική είσοδο, η οποία μπορεί να βελτιώσει την ευαισθησία ανίχνευσης όταν άλλες πηγές θορύβου παραμένουν συγκρίσιμες.

1.2.Σκοτεινό ρεύμα (Αναγνωριστικό)

Το σκοτεινό ρεύμα είναι το ρεύμα διαρροής που διαρρέει μια φωτοδίοδο απουσία προσπίπτοντος φωτός. Μπορεί να προκύψει από διάφορους μηχανισμούς, όπως θερμική παραγωγή-ανασυνδυασμός, διάχυση φορέα, διαρροή στην επιφάνεια και ελαττώματα της συσκευής. Το σκοτεινό ρεύμα γενικά αυξάνεται με την αντίστροφη πόλωση και τη θερμοκρασία και συμβάλλει στο δάπεδο του θορύβου του ανιχνευτή. Το χαμηλό σκοτεινό ρεύμα είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την ανίχνευση χαμηλού φωτισμού και την ακριβή μέτρηση οπτικής ισχύος.

1.3.Χωρητικότητα διασταύρωσης (Cj) και εύρος ζώνης

Η χωρητικότητα διακλάδωσης είναι η χωρητικότητα που σχετίζεται με τη διασταύρωση της φωτοδιόδου. Μαζί με την αντίσταση φορτίου, μπορεί να σχηματίσει μια απόκριση χαμηλής διέλευσης RC που περιορίζει το εύρος ζώνης του ανιχνευτή. Η χαμηλότερη χωρητικότητα διασταύρωσης γενικά επιτρέπει υψηλότερο εύρος ζώνης, ενώ η χωρητικότητα διασταύρωσης τυπικά μειώνεται με την αύξηση της αντίστροφης πόλωσης και αυξάνεται με την ενεργή περιοχή.

Όταν η απόκριση RC είναι ο κυρίαρχος περιορισμός εύρους ζώνης, το κατά προσέγγιση εύρος ζώνης 3dB μπορεί να εκτιμηθεί ως:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

Το πραγματικό εύρος ζώνης της φωτοδιόδου εξαρτάται επίσης από τον χρόνο μετάβασης του φορέα, την αντίσταση σειράς, τα παρασιτικά συσκευασίας και το κύκλωμα ανάγνωσης. Οι μικρότερες ενεργές περιοχές και η κατάλληλη αντίστροφη προκατάληψη μπορούν να βοηθήσουν στην επίτευξη υψηλότερου εύρους ζώνης, αλλά ο βέλτιστος σχεδιασμός εξαρτάται από τη δομή του ανιχνευτή και τις απαιτήσεις εφαρμογής.

1.4.Διάμετρος ενεργής περιοχής

Η ενεργή περιοχή είναι η φωτοευαίσθητη περιοχή της φωτοδιόδου, που τυπικά προσδιορίζεται από τη διάμετρό της. Οι μεγαλύτερες ενεργές περιοχές μπορούν να φιλοξενήσουν μεγαλύτερες οπτικές δέσμες και παρέχουν μεγαλύτερη ανοχή ευθυγράμμισης για δέσμες ελεύθερου χώρου ή αποκλίνουσες δέσμες, αλλά γενικά έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα διασταύρωσης και χαμηλότερο εύρος ζώνης. Οι μικρότερες ενεργές περιοχές παρέχουν χαμηλότερη χωρητικότητα και δυνητικά ταχύτερη απόκριση, αλλά απαιτούν πιο ακριβή οπτική ευθυγράμμιση. Η βέλτιστη ενεργή περιοχή εξαρτάται από το μέγεθος της δέσμης, τη μέθοδο σύζευξης, την οπτική ισχύ και τις απαιτήσεις εύρους ζώνης.

1.5.Εύρος Φασματικής Απόκρισης

Το εύρος φασματικής απόκρισης ορίζει τα μήκη κύματος στα οποία η φωτοδίοδος παρέχει χρήσιμη φωτοαπόκριση. Το όριο μικρού μήκους κύματος επηρεάζεται από την απορρόφηση και τη μετάδοση στη δομή της συσκευής, ενώ η αποκοπή μεγάλου μήκους κύματος καθορίζεται κυρίως από το διάκενο ζώνης ημιαγωγών. Οι τυπικές φωτοδίοδοι InGaAs παρέχουν συνήθως απόκριση από περίπου 900nm έως 1700nm, ανάλογα με τη δομή της συσκευής και τη σύνθεση του υλικού. Οι παραλλαγές InGaAs εκτεταμένου μήκους κύματος μπορούν να επεκτείνουν την απόκριση σε περίπου 2,6 μm ή περισσότερο για εφαρμογές εκτεταμένου SWIR και φασματοσκοπίας.

1.6.Γραμμικότητα

Η γραμμικότητα της φωτοδιόδου αναφέρεται στην αναλογική σχέση μεταξύ της προσπίπτουσας οπτικής ισχύος και του φωτορεύματος εξόδου. Η καλή γραμμικότητα είναι σημαντική για τους μετρητές οπτικής ισχύος, την οπτική παρακολούθηση και τις εφαρμογές ποσοτικών μετρήσεων. Οι φωτοδίοδοι PIN μπορούν να παρέχουν μια εξαιρετικά γραμμική απόκριση σε ένα ευρύ φάσμα οπτικής ισχύος όταν λειτουργούν εντός των καθορισμένων συνθηκών τους. Σε υψηλή οπτική ισχύ, η γραμμικότητα μπορεί να περιοριστεί από την αντίσταση σειράς, την πτώση τάσης, τον κορεσμό, τα εφέ φόρτισης χώρου και το κύκλωμα ανάγνωσης. Σε χαμηλή οπτική ισχύ, η ακρίβεια μέτρησης επηρεάζεται όλο και περισσότερο από το σκοτεινό ρεύμα και το συνολικό επίπεδο θορύβου του ανιχνευτή.

2. Τυπικές Εφαρμογές

2.1.Μέτρηση και παρακολούθηση οπτικής ισχύος

Οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται ευρέως σε μετρητές οπτικής ισχύος χειρός και σε πάγκο, καθώς και σε ενσωματωμένες μονάδες παρακολούθησης οπτικής ισχύος σε εξοπλισμό επικοινωνίας και δοκιμής. Οι φωτοδίοδοι InGaAs με κατάλληλες ενεργές περιοχές, υψηλή απόκριση, χαμηλό σκοτεινό ρεύμα και καλή γραμμικότητα χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μέτρηση οπτικής ισχύος. Οι μεγαλύτερες ενεργές περιοχές μπορούν να παρέχουν μεγαλύτερη ανοχή στις διακυμάνσεις της θέσης της δέσμης και της ευθυγράμμισης, ενώ το χαμηλό σκοτεινό ρεύμα βοηθά στη βελτίωση της ακρίβειας μέτρησης σε χαμηλά επίπεδα οπτικής ισχύος.

2.2.Δέκτες επικοινωνίας οπτικών ινών

Στους δέκτες οπτικής επικοινωνίας, οι φωτοδίοδοι μετατρέπουν τα διαμορφωμένα οπτικά σήματα σε ηλεκτρικά σήματα για μεταγενέστερη επεξεργασία. Οι φωτοδίοδοι PIN χρησιμοποιούνται ευρέως όπου απαιτείται υψηλή ταχύτητα, γραμμικότητα και επαρκής ευαισθησία, ενώ οι APD παρέχουν εσωτερικό κέρδος για εφαρμογές που απαιτούν υψηλότερη ευαισθησία δέκτη. Η επιλογή μεταξύ PIN και APD εξαρτάται από τον προϋπολογισμό σύνδεσης, τον ρυθμό δεδομένων, την αρχιτεκτονική του δέκτη και τις απαιτήσεις κόστους.

2.3.Ανίχνευση οπτικών ινών

Τα κατανεμημένα συστήματα ανίχνευσης οπτικών ινών, συμπεριλαμβανομένης της κατανεμημένης ανίχνευσης θερμοκρασίας (DTS), της κατανεμημένης ακουστικής ανίχνευσης (DAS) και της ανάλυσης οπτικού πεδίου χρόνου Brillouin (BOTDA), χρησιμοποιούν φωτοανιχνευτές για τη μέτρηση των οπισθοσκεδασμένων ή ανακλώμενων οπτικών σημάτων από την αισθητήρια ίνα. Οι φωτοδίοδοι InGaAs χρησιμοποιούνται συνήθως για συστήματα που λειτουργούν γύρω από την περιοχή των 1550 nm, με ανταπόκριση, θόρυβο και εύρος ζώνης που επιλέγονται σύμφωνα με τη συγκεκριμένη τεχνική ανίχνευσης και την αρχιτεκτονική του συστήματος.

2.4.Παρακολούθηση και έλεγχος ισχύος λέιζερ

Οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται ευρέως για παρακολούθηση ισχύος εξόδου λέιζερ σε πραγματικό χρόνο και έλεγχο ανάδρασης. Πολλά πακέτα λέιζερ πεταλούδας και TO-CAN μπορούν να ενσωματώσουν μια φωτοδίοδο οθόνης για τη δειγματοληψία ενός τμήματος της εξόδου λέιζερ, επιτρέποντας τον αυτόματο έλεγχο ισχύος (APC). Οι εξωτερικές φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται επίσης για δοκιμές L-I-V, παρακολούθηση οπτικής ισχύος, χαρακτηρισμό σάρωσης μήκους κύματος και άλλες εφαρμογές μέτρησης λέιζερ. Οι φωτοδίοδοι InGaAs είναι κατάλληλες για την παρακολούθηση τηλεπικοινωνιών και λέιζερ ανίχνευσης που λειτουργούν εντός του εύρους φασματικής απόκρισής τους.

2.5.Φασματοσκοπία εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας και αναλυτικά όργανα

Τα συστήματα φασματοσκοπίας NIR χρησιμοποιούν φωτοδίοδοι για την ανίχνευση του φωτός που μεταδίδεται μέσω ή ανακλάται από δείγματα για την ανάλυση της χημικής σύνθεσης, της περιεκτικότητας σε υγρασία και των ιδιοτήτων του υλικού. Οι φωτοδίοδοι InGaAs με απόκριση που εκτείνεται στα 1700 nm καλύπτουν σημαντικά χαρακτηριστικά απορρόφησης NIR νερού, υδρογονανθράκων και άλλων οργανικών ενώσεων. Ο χαμηλός θόρυβος και η καλά χαρακτηρισμένη φασματική απόκριση είναι σημαντικά για ακριβείς ποσοτικές μετρήσεις.

2.6.Βιομηχανική και Περιβαλλοντική Ανίχνευση

Οι φωτοδίοδοι InGaAs μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα οπτικής ανίχνευσης που λειτουργούν εντός του εγγύς υπέρυθρου εύρους, συμπεριλαμβανομένης της ανίχνευσης αερίου NIR TDLAS, της οπτικής ανίχνευσης θέσης και άλλων βιομηχανικών εφαρμογών μέτρησης. Στα συστήματα TDLAS, η φωτοδίοδος ανιχνεύει το φως λέιζερ που μεταδίδεται μέσω μιας κυψέλης αερίου, ενώ οι αλλαγές στην οπτική ένταση στο μήκος κύματος απορρόφησης στόχου αναλύονται για να προσδιοριστεί η συγκέντρωση αερίου. Η απόκριση του μήκους κύματος του ανιχνευτή, η απόδοση θορύβου και το δυναμικό εύρος πρέπει να επιλέγονται σύμφωνα με τη συγκεκριμένη αρχιτεκτονική ανίχνευσης.