1. Principais parâmetros de desempenho

1.1.Responsividade (R)

A responsividade é a relação entre a fotocorrente gerada e a potência óptica incidente, expressa em A/W. Depende do comprimento de onda, das propriedades do material, da eficiência quântica e da estrutura do dispositivo. Os fotodiodos InGaAs normalmente fornecem alta responsividade nas bandas de telecomunicações de 1310 nm e 1550 nm, embora o valor exato varie de acordo com o design do dispositivo e as condições de operação. Uma maior capacidade de resposta produz mais fotocorrente para uma determinada entrada óptica, o que pode melhorar a sensibilidade de detecção quando outras fontes de ruído permanecem comparáveis.

1.2.Corrente Escura (Id)

Corrente escura é a corrente de fuga que flui através de um fotodiodo na ausência de luz incidente. Pode surgir de vários mecanismos, incluindo recombinação de geração térmica, difusão de transportadores, vazamento de superfície e defeitos de dispositivos. A corrente escura geralmente aumenta com a polarização reversa e a temperatura e contribui para o nível de ruído do detector. A baixa corrente escura é particularmente importante para detecção de pouca luz e medição precisa de potência óptica.

1.3.Capacitância de junção (Cj) e largura de banda

A capacitância da junção é a capacitância associada à junção do fotodiodo. Juntamente com a resistência da carga, pode formar uma resposta RC passa-baixa que limita a largura de banda do detector. A capacitância de junção mais baixa geralmente permite maior largura de banda, enquanto a capacitância de junção normalmente diminui com o aumento da polarização reversa e aumenta com a área ativa.

Quando a resposta RC é a limitação de largura de banda dominante, a largura de banda aproximada de 3dB pode ser estimada como:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

A largura de banda real do fotodiodo também depende do tempo de trânsito da portadora, da resistência em série, dos parasitas do pacote e do circuito de leitura. Áreas ativas menores e polarização reversa apropriada podem ajudar a obter maior largura de banda, mas o design ideal depende da estrutura do detector e dos requisitos da aplicação.

1.4.Diâmetro da área ativa

A área ativa é a região fotossensível do fotodiodo, normalmente especificada pelo seu diâmetro. Áreas ativas maiores podem acomodar feixes ópticos maiores e fornecer maior tolerância de alinhamento para espaço livre ou feixes divergentes, mas geralmente têm maior capacitância de junção e menor largura de banda. Áreas ativas menores fornecem capacitância mais baixa e resposta potencialmente mais rápida, mas exigem alinhamento óptico mais preciso. A área ativa ideal depende do tamanho do feixe, método de acoplamento, potência óptica e requisitos de largura de banda.

1.5.Faixa de resposta espectral

A faixa de resposta espectral define os comprimentos de onda nos quais o fotodiodo fornece fotorresposta útil. O limite do comprimento de onda curto é influenciado pela absorção e transmissão na estrutura do dispositivo, enquanto o corte do comprimento de onda longo é determinado principalmente pelo bandgap do semicondutor. Os fotodiodos InGaAs padrão geralmente fornecem resposta de aproximadamente 900 nm a 1700 nm, dependendo da estrutura do dispositivo e da composição do material. Variantes InGaAs de comprimento de onda estendido podem estender a resposta para aproximadamente 2,6 µm ou além para aplicações de SWIR estendido e espectroscopia.

1.6.Linearidade

A linearidade do fotodiodo refere-se à relação proporcional entre a potência óptica incidente e a fotocorrente de saída. Uma boa linearidade é importante para medidores de potência óptica, monitoramento óptico e aplicações de medição quantitativa. Os fotodiodos PIN podem fornecer uma resposta altamente linear em uma ampla faixa de potência óptica quando operados dentro de suas condições especificadas. Em alta potência óptica, a linearidade pode ser limitada pela resistência em série, queda de tensão, saturação, efeitos de carga espacial e circuito de leitura. Em baixa potência óptica, a precisão da medição é cada vez mais afetada pela corrente escura e pelo ruído geral do detector.

2. Aplicações Típicas

2.1.Medição e monitoramento de potência óptica

Os fotodiodos são amplamente utilizados em medidores de potência óptica portáteis e de bancada, bem como em módulos integrados de monitoramento de potência óptica em equipamentos de comunicação e teste. Fotodiodos InGaAs com áreas ativas adequadas, alta responsividade, baixa corrente escura e boa linearidade são comumente usados ​​para medição de potência óptica. Áreas ativas maiores podem fornecer maior tolerância às variações de posição e alinhamento do feixe, enquanto a corrente escura baixa ajuda a melhorar a precisão da medição em níveis baixos de potência óptica.

2.2.Receptores de comunicação de fibra óptica

Em receptores de comunicação óptica, os fotodiodos convertem sinais ópticos modulados em sinais elétricos para processamento posterior. Os fotodiodos PIN são amplamente utilizados onde são necessárias alta velocidade, linearidade e sensibilidade adequada, enquanto os APDs fornecem ganho interno para aplicações que exigem maior sensibilidade do receptor. A escolha entre PIN e APD depende do orçamento do link, da taxa de dados, da arquitetura do receptor e dos requisitos de custo.

2.3.Detecção de fibra óptica

Sistemas de detecção de fibra óptica distribuída, incluindo detecção de temperatura distribuída (DTS), detecção acústica distribuída (DAS) e análise óptica de domínio de tempo Brillouin (BOTDA), usam fotodetectores para medir sinais ópticos retroespalhados ou refletidos da fibra de detecção. Os fotodiodos InGaAs são comumente usados ​​para sistemas que operam na região de 1550 nm, com responsividade, ruído e largura de banda selecionados de acordo com a técnica de detecção específica e a arquitetura do sistema.

2.4.Monitoramento e controle de potência a laser

Os fotodiodos são amplamente utilizados para monitoramento de potência de saída de laser em tempo real e controle de feedback. Muitos pacotes de laser borboleta e TO-CAN podem integrar um fotodiodo monitor para amostrar uma parte da saída do laser, permitindo o controle automático de potência (APC). Fotodiodos externos também são usados ​​para testes L-I-V, monitoramento de potência óptica, caracterização de varredura de comprimento de onda e outras aplicações de medição a laser. Os fotodiodos InGaAs são adequados para monitorar telecomunicações e detectar lasers operando dentro de sua faixa de resposta espectral.

2.5.Espectroscopia no infravermelho próximo e instrumentação analítica

Os sistemas de espectroscopia NIR usam fotodiodos para detectar luz transmitida ou refletida em amostras para análise de composição química, teor de umidade e propriedades do material. Fotodiodos InGaAs com resposta que se estende até 1700 nm cobrem importantes características de absorção NIR de água, hidrocarbonetos e outros compostos orgânicos. Baixo ruído e responsividade espectral bem caracterizada são importantes para medições quantitativas precisas.

2.6.Sensoriamento Industrial e Ambiental

Os fotodiodos InGaAs podem ser usados ​​em sistemas de detecção óptica operando na faixa do infravermelho próximo, incluindo detecção de gás NIR TDLAS, detecção de posição óptica e outras aplicações de medição industrial. Nos sistemas TDLAS, o fotodiodo detecta a luz laser transmitida através de uma célula de gás, enquanto as alterações na intensidade óptica no comprimento de onda de absorção alvo são analisadas para determinar a concentração do gás. A resposta do comprimento de onda do detector, o desempenho do ruído e a faixa dinâmica devem ser selecionados de acordo com a arquitetura de detecção específica.