1. Parametri chiave delle prestazioni

1.1.Reattività (R)

La reattività è il rapporto tra la fotocorrente generata e la potenza ottica incidente, espressa in A/W. Dipende dalla lunghezza d'onda, dalle proprietà dei materiali, dall'efficienza quantistica e dalla struttura del dispositivo. I fotodiodi InGaAs in genere forniscono un'elevata reattività nelle bande di telecomunicazioni da 1310 nm e 1550 nm, sebbene il valore esatto vari in base alla progettazione del dispositivo e alle condizioni operative. Una reattività più elevata produce più fotocorrente per un dato ingresso ottico, il che può migliorare la sensibilità di rilevamento quando altre fonti di rumore rimangono paragonabili.

1.2.Corrente Oscura (Id)

La corrente oscura è la corrente di dispersione che scorre attraverso un fotodiodo in assenza di luce incidente. Può derivare da diversi meccanismi, tra cui la generazione-ricombinazione termica, la diffusione del portatore, le perdite superficiali e i difetti del dispositivo. La corrente oscura generalmente aumenta con la polarizzazione inversa e la temperatura e contribuisce al rumore di fondo del rivelatore. La bassa corrente di buio è particolarmente importante per il rilevamento in condizioni di scarsa illuminazione e la misurazione precisa della potenza ottica.

1.3.Capacità di giunzione (Cj) e larghezza di banda

La capacità di giunzione è la capacità associata alla giunzione del fotodiodo. Insieme alla resistenza di carico, può formare una risposta RC passa-basso che limita la larghezza di banda del rilevatore. Una capacità di giunzione inferiore generalmente consente una larghezza di banda maggiore, mentre la capacità di giunzione generalmente diminuisce con l'aumento della polarizzazione inversa e aumenta con l'area attiva.

Quando la risposta RC è la limitazione dominante della larghezza di banda, la larghezza di banda approssimativa di 3 dB può essere stimata come:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

La larghezza di banda effettiva del fotodiodo dipende anche dal tempo di transito del portante, dalla resistenza in serie, dai parassiti del pacchetto e dal circuito di lettura. Aree attive più piccole e un'adeguata polarizzazione inversa possono contribuire a ottenere una larghezza di banda maggiore, ma la progettazione ottimale dipende dalla struttura del rilevatore e dai requisiti dell'applicazione.

1.4.Diametro dell'area attiva

L'area attiva è la regione fotosensibile del fotodiodo, tipicamente specificata dal suo diametro. Aree attive più grandi possono accogliere raggi ottici più grandi e fornire una maggiore tolleranza di allineamento per lo spazio libero o i raggi divergenti, ma generalmente hanno una capacità di giunzione più elevata e una larghezza di banda inferiore. Aree attive più piccole forniscono una capacità inferiore e una risposta potenzialmente più rapida, ma richiedono un allineamento ottico più preciso. L'area attiva ottimale dipende dalla dimensione del raggio, dal metodo di accoppiamento, dalla potenza ottica e dai requisiti di larghezza di banda.

1.5.Intervallo di risposta spettrale

L'intervallo di risposta spettrale definisce le lunghezze d'onda su cui il fotodiodo fornisce una fotorisposta utile. Il limite della lunghezza d'onda corta è influenzato dall'assorbimento e dalla trasmissione nella struttura del dispositivo, mentre il limite della lunghezza d'onda lunga è determinato principalmente dal gap di banda del semiconduttore. I fotodiodi InGaAs standard forniscono comunemente una risposta da circa 900 nm a 1700 nm, a seconda della struttura del dispositivo e della composizione del materiale. Le varianti InGaAs a lunghezza d'onda estesa possono estendere la risposta fino a circa 2,6 µm o oltre per applicazioni SWIR estese e spettroscopia.

1.6.Linearità

La linearità del fotodiodo si riferisce alla relazione proporzionale tra la potenza ottica incidente e la fotocorrente in uscita. Una buona linearità è importante per i misuratori di potenza ottica, il monitoraggio ottico e le applicazioni di misurazione quantitativa. I fotodiodi PIN possono fornire una risposta altamente lineare su un ampio intervallo di potenza ottica se utilizzati nelle condizioni specificate. Ad alta potenza ottica, la linearità può essere limitata dalla resistenza in serie, dalla caduta di tensione, dalla saturazione, dagli effetti di carica spaziale e dal circuito di lettura. A bassa potenza ottica, la precisione della misurazione è sempre più influenzata dalla corrente oscura e dal rumore di fondo complessivo del rilevatore.

2. Applicazioni tipiche

2.1.Misurazione e monitoraggio della potenza ottica

I fotodiodi sono ampiamente utilizzati nei misuratori di potenza ottica portatili e da banco, nonché nei moduli di monitoraggio della potenza ottica integrati nelle apparecchiature di comunicazione e test. Per la misurazione della potenza ottica vengono comunemente utilizzati fotodiodi InGaAs con aree attive adeguate, alta reattività, bassa corrente di buio e buona linearità. Aree attive più grandi possono fornire una maggiore tolleranza alle variazioni di posizione del raggio e di allineamento, mentre la bassa corrente di buio aiuta a migliorare la precisione della misurazione a bassi livelli di potenza ottica.

2.2.Ricevitori di comunicazione in fibra ottica

Nei ricevitori per comunicazioni ottiche, i fotodiodi convertono i segnali ottici modulati in segnali elettrici per la successiva elaborazione. I fotodiodi PIN sono ampiamente utilizzati laddove sono richieste alta velocità, linearità e sensibilità adeguata, mentre gli APD forniscono guadagno interno per applicazioni che richiedono una maggiore sensibilità del ricevitore. La scelta tra PIN e APD dipende dal budget del collegamento, dalla velocità dei dati, dall'architettura del ricevitore e dai requisiti di costo.

2.3.Rilevamento a fibra ottica

I sistemi di rilevamento distribuiti in fibra ottica, inclusi il rilevamento distribuito della temperatura (DTS), il rilevamento acustico distribuito (DAS) e l'analisi ottica nel dominio del tempo Brillouin (BOTDA), utilizzano fotorilevatori per misurare segnali ottici retrodiffusi o riflessi dalla fibra di rilevamento. I fotodiodi InGaAs sono comunemente utilizzati per sistemi che operano nella regione dei 1550 nm, con reattività, rumore e larghezza di banda selezionati in base alla specifica tecnica di rilevamento e all'architettura del sistema.

2.4.Monitoraggio e controllo della potenza laser

I fotodiodi sono ampiamente utilizzati per il monitoraggio della potenza di uscita del laser in tempo reale e il controllo del feedback. Molti pacchetti laser Butterfly e TO-CAN possono integrare un fotodiodo di monitoraggio per campionare una parte dell'uscita laser, consentendo il controllo automatico della potenza (APC). I fotodiodi esterni vengono utilizzati anche per test L-I-V, monitoraggio della potenza ottica, caratterizzazione della scansione della lunghezza d'onda e altre applicazioni di misurazione laser. I fotodiodi InGaAs sono particolarmente adatti per monitorare i laser di rilevamento e telecomunicazioni che operano nel loro intervallo di risposta spettrale.

2.5.Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione analitica

I sistemi di spettroscopia NIR utilizzano fotodiodi per rilevare la luce trasmessa o riflessa dai campioni per l'analisi della composizione chimica, del contenuto di umidità e delle proprietà dei materiali. I fotodiodi InGaAs con risposta che si estende fino a 1700 nm coprono importanti caratteristiche di assorbimento NIR di acqua, idrocarburi e altri composti organici. Il basso rumore e la reattività spettrale ben caratterizzata sono importanti per misurazioni quantitative accurate.

2.6.Rilevamento industriale e ambientale

I fotodiodi InGaAs possono essere utilizzati in sistemi di rilevamento ottico che operano nella gamma del vicino infrarosso, compreso il rilevamento di gas NIR TDLAS, il rilevamento ottico della posizione e altre applicazioni di misurazione industriale. Nei sistemi TDLAS, il fotodiodo rileva la luce laser trasmessa attraverso una cella a gas, mentre i cambiamenti nell'intensità ottica alla lunghezza d'onda di assorbimento target vengono analizzati per determinare la concentrazione del gas. La risposta della lunghezza d'onda del rilevatore, le prestazioni del rumore e la gamma dinamica devono essere selezionate in base all'architettura di rilevamento specifica.