1. 主要なパフォーマンスパラメータ

1.1.応答性(R)

応答性は、生成された光電流と入射光パワーの比であり、A/W で表されます。それは波長、材料特性、量子効率、デバイス構造に依存します。 InGaAs フォトダイオードは通常、1310nm および 1550nm の通信帯域で高い応答性を提供しますが、正確な値はデバイスの設計や動作条件によって異なります。応答性が高くなると、特定の光入力に対してより多くの光電流が生成され、他のノイズ源が同程度であれば検出感度が向上します。

1.2.暗電流 (Id)

暗電流は、入射光がないときにフォトダイオードを流れる漏れ電流です。これは、熱生成 - 再結合、キャリア拡散、表面リーク、デバイス欠陥など、いくつかのメカニズムから発生する可能性があります。暗電流は一般に、逆バイアスおよび温度とともに増加し、検出器のノイズフロアに寄与します。暗電流が低いことは、低照度の検出と高精度の光パワー測定にとって特に重要です。

1.3.接合容量 (Cj) と帯域幅

接合容量は、フォトダイオード接合に関連する容量です。負荷抵抗とともに、検出器の帯域幅を制限する RC ローパス応答を形成する可能性があります。一般に、接合容量が低いほど帯域幅が広くなりますが、接合容量は通常、逆バイアスが増加すると減少し、アクティブ領域が増加すると増加します。

RC 応答が主要な帯域幅制限である場合、おおよその 3dB 帯域幅は次のように推定できます。

f3dB ≒ 1 / (2π × RL × Cj)

実際のフォトダイオードの帯域幅は、キャリア通過時間、直列抵抗、パッケージの寄生成分、および読み出し回路にも依存します。より小さいアクティブ領域と適切な逆バイアスは、より高い帯域幅を達成するのに役立ちますが、最適な設計は検出器の構造とアプリケーションの要件によって異なります。

1.4.アクティブエリアの直径

アクティブ領域はフォトダイオードの感光領域であり、通常はその直径によって指定されます。アクティブ領域が大きくなると、より大きな光ビームに対応でき、自由空間または発散ビームに対する位置合わせ許容差が大きくなりますが、一般に接合容量が大きくなり、帯域幅が小さくなります。アクティブ領域が小さくなると、静電容量が低くなり、応答が速くなる可能性がありますが、より正確な光学的位置合わせが必要になります。最適なアクティブ領域は、ビーム サイズ、結合方法、光パワー、および帯域幅の要件によって異なります。

1.5.スペクトル応答範囲

スペクトル応答範囲は、フォトダイオードが有用な光応答を提供する波長を定義します。短波長の限界はデバイス構造における吸収と透過の影響を受けるのに対し、長波長のカットオフは主に半導体のバンドギャップによって決まります。標準的な InGaAs フォトダイオードは、デバイスの構造と材料の組成に応じて、一般に約 900 nm ～ 1700 nm の範囲で応答します。拡張波長 InGaAs バリアントは、拡張 SWIR および分光アプリケーション向けに応答を約 2.6µm 以上に拡張できます。

1.6.直線性

フォトダイオードの線形性は、入射光パワーと出力光電流の間の比例関係を指します。良好な直線性は、光パワーメーター、光モニタリング、および定量的測定アプリケーションにとって重要です。 PIN フォトダイオードは、指定された条件内で動作すると、広い光パワー範囲にわたって高度に線形な応答を提供できます。高い光パワーでは、直列抵抗、電圧降下、飽和、空間電荷効果、および読み出し回路によって直線性が制限される可能性があります。光パワーが低い場合、測定精度は暗電流と検出器全体のノイズフロアによってますます影響を受けます。

2. 代表的な用途

2.1.光パワーの測定と監視

フォトダイオードは、ハンドヘルド型およびベンチトップ型の光パワー メータだけでなく、通信およびテスト機器の組み込み光パワー モニタリング モジュールでも広く使用されています。光パワー測定には、適切な活性領域、高い応答性、低い暗電流、良好な直線性を備えた InGaAs フォトダイオードが一般的に使用されます。アクティブ領域が大きいほど、ビーム位置およびアライメントの変動に対する許容度が大きくなり、暗電流が低いため、低い光パワー レベルでの測定精度が向上します。

2.2.光ファイバー通信受信機

光通信受信機では、フォトダイオードが変調された光信号を電気信号に変換し、その後の処理に備えます。 PIN フォトダイオードは高速性、直線性、適切な感度が必要な場合に広く使用されており、APD はより高い受信感度を必要とするアプリケーションに内部ゲインを提供します。 PIN と APD のどちらを選択するかは、リンク バジェット、データ レート、受信機のアーキテクチャ、およびコスト要件によって異なります。

2.3.光ファイバーセンシング

分散型温度センシング (DTS)、分散型音響センシング (DAS)、ブリルアン光時間領域解析 (BOTDA) などの分散型光ファイバ センシング システムでは、光検出器を使用してセンシング ファイバからの後方散乱または反射光信号を測定します。 InGaAs フォトダイオードは、特定のセンシング技術とシステム アーキテクチャに従って選択された応答性、ノイズ、帯域幅を備えた 1550nm 領域付近で動作するシステムに一般的に使用されます。

2.4.レーザーパワーの監視と制御

フォトダイオードは、リアルタイムのレーザー出力監視とフィードバック制御に広く使用されています。多くのバタフライおよび TO-CAN レーザー パッケージは、モニター フォトダイオードを統合してレーザー出力の一部をサンプリングし、自動出力制御 (APC) を可能にすることができます。外部フォトダイオードは、L-I-V テスト、光パワー監視、波長スキャン特性評価、およびその他のレーザー測定アプリケーションにも使用されます。 InGaAs フォトダイオードは、通信の監視やスペクトル応答範囲内で動作するレーザーの検出に適しています。

2.5.近赤外分光法と分析機器

NIR 分光システムは、フォトダイオードを使用してサンプルを透過または反射した光を検出し、化学組成、水分含有量、材料特性を分析します。応答範囲が 1700nm に及ぶ InGaAs フォトダイオードは、水、炭化水素、その他の有機化合物の重要な NIR 吸収特性をカバーします。正確な定量測定には、低ノイズと十分に特性化されたスペクトル応答性が重要です。

2.6.産業および環境センシング

InGaAs フォトダイオードは、NIR TDLAS ガス検出、光学位置センシング、その他の工業用測定アプリケーションなど、近赤外範囲内で動作する光学センシング システムで使用できます。 TDLAS システムでは、フォトダイオードがガスセルを透過したレーザー光を検出し、ターゲットの吸収波長での光強度の変化を分析してガス濃度を決定します。検出器の波長応答、ノイズ性能、およびダイナミック レンジは、特定のセンシング アーキテクチャに従って選択する必要があります。