1. Keskeiset suorituskykyparametrit

1.1.Responsiivisuus (R)

Responsiivisuus on generoidun valovirran ja tulevan optisen tehon suhde ilmaistuna A/W:na. Se riippuu aallonpituudesta, materiaalin ominaisuuksista, kvanttitehokkuudesta ja laitteen rakenteesta. InGaAs-valodiodit tarjoavat tyypillisesti korkean herkkyyden 1310nm ja 1550nm tietoliikennekaistoilla, vaikka tarkka arvo vaihtelee laitteen suunnittelun ja käyttöolosuhteiden mukaan. Korkeampi vaste tuottaa enemmän valovirtaa tietylle optiselle sisääntulolle, mikä voi parantaa tunnistusherkkyyttä, kun muut kohinalähteet ovat vertailukelpoisia.

1.2.Pimeä virta (tunnus)

Tumma virta on vuotovirta, joka virtaa valodiodin läpi tulevan valon puuttuessa. Se voi johtua useista mekanismeista, mukaan lukien lämpögeneraatio-rekombinaatio, kantajan diffuusio, pintavuoto ja laiteviat. Tumma virta yleensä kasvaa käänteisen biasin ja lämpötilan myötä ja myötävaikuttaa ilmaisimen kohinan pohjaan. Matala tumma virta on erityisen tärkeä vähäisen valon havaitsemisessa ja optisen tehon tarkkuudessa.

1.3.Liitoskapasitanssi (Cj) ja kaistanleveys

Liitoskapasitanssi on fotodiodiliitokseen liittyvä kapasitanssi. Yhdessä kuormitusvastuksen kanssa se voi muodostaa RC-alipäästövasteen, joka rajoittaa ilmaisimen kaistanleveyttä. Matalampi liitoskapasitanssi mahdollistaa yleensä suuremman kaistanleveyden, kun taas liitoskapasitanssi tyypillisesti pienenee käänteisen esijännityksen kasvaessa ja kasvaa aktiivisen alueen myötä.

Kun RC-vaste on hallitseva kaistanleveyden rajoitus, likimääräinen 3 dB:n kaistanleveys voidaan arvioida seuraavasti:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

Todellinen valodiodin kaistanleveys riippuu myös kantoaallon siirtoajasta, sarjaresistanssista, paketin loisista ja lukupiiristä. Pienemmät aktiiviset alueet ja sopiva käänteinen bias voivat auttaa saavuttamaan suuremman kaistanleveyden, mutta optimaalinen suunnittelu riippuu ilmaisimen rakenteesta ja sovelluksen vaatimuksista.

1.4.Aktiivisen alueen halkaisija

Aktiivinen alue on valodiodin valoherkkä alue, joka tyypillisesti määritellään sen halkaisijalla. Suuremmille aktiivisille alueille mahtuu suurempia optisia säteitä ja ne tarjoavat suuremman kohdistustoleranssin vapaan tilan tai hajoaville säteille, mutta niillä on yleensä suurempi liitoskapasitanssi ja pienempi kaistanleveys. Pienemmät aktiiviset alueet tarjoavat pienemmän kapasitanssin ja mahdollisesti nopeamman vasteen, mutta vaativat tarkempaa optista kohdistusta. Optimaalinen aktiivinen alue riippuu säteen koosta, kytkentätavasta, optisesta tehosta ja kaistanleveysvaatimuksista.

1.5.Spektrivastealue

Spektrivastealue määrittää aallonpituudet, joilla valodiodi tarjoaa hyödyllisen valovasteen. Lyhyen aallonpituuden rajaan vaikuttaa laitteen rakenteessa oleva absorptio ja läpäisy, kun taas pitkän aallonpituuden rajan määrää ensisijaisesti puolijohteen kaistaväli. Tavalliset InGaAs-valodiodit tarjoavat yleensä vasteen noin 900 nm - 1700 nm riippuen laitteen rakenteesta ja materiaalikoostumuksesta. Jatketun aallonpituuden InGaAs-muunnelmat voivat pidentää vastetta noin 2,6 µm:iin tai pidemmälle laajennettujen SWIR- ja spektroskopiasovellusten osalta.

1.6.Lineaarisuus

Valodiodin lineaarisuus viittaa tulevan optisen tehon ja lähtövalovirran väliseen suhteeseen. Hyvä lineaarisuus on tärkeää optisissa tehomittareissa, optisessa valvonnassa ja kvantitatiivisissa mittaussovelluksissa. PIN-valodiodit voivat tarjota erittäin lineaarisen vasteen laajalla optisella tehoalueella, kun niitä käytetään määritellyissä olosuhteissa. Suurella optisella teholla lineaarisuutta voidaan rajoittaa sarjavastuksen, jännitehäviön, kylläisyyden, tilavarausefektien ja lukupiirin avulla. Pienellä optisella teholla mittaustarkkuuteen vaikuttavat yhä enemmän tumma virta ja ilmaisimen yleinen kohinan pohja.

2. Tyypilliset sovellukset

2.1.Optisen tehon mittaus ja valvonta

Valodiodeja käytetään laajasti kädessä pidettävissä ja pöytätietokoneissa pidettävissä optisissa tehomittareissa sekä sisäänrakennetuissa optisissa tehonvalvontamoduuleissa viestintä- ja testauslaitteissa. Optisen tehon mittaamiseen käytetään yleisesti InGaAs-valodiodeja, joissa on sopivat aktiiviset alueet, korkea herkkyys, pieni tummavirta ja hyvä lineaarisuus. Suuremmat aktiiviset alueet voivat tarjota paremman toleranssin säteen sijainnin ja kohdistuksen vaihteluille, kun taas alhainen pimeävirta auttaa parantamaan mittaustarkkuutta alhaisilla optisilla tehotasoilla.

2.2.Kuituoptiset viestintävastaanottimet

Optisissa viestintävastaanottimissa valodiodit muuntavat moduloidut optiset signaalit sähköisiksi signaaleiksi myöhempää käsittelyä varten. PIN-valodiodeja käytetään laajalti, kun vaaditaan suurta nopeutta, lineaarisuutta ja riittävää herkkyyttä, kun taas APD:t tarjoavat sisäisen vahvistuksen sovelluksille, jotka vaativat suurempaa vastaanottimen herkkyyttä. Valinta PIN:n ja APD:n välillä riippuu linkin budjetista, tiedonsiirtonopeudesta, vastaanottimen arkkitehtuurista ja kustannusvaatimuksista.

2.3.Kuituoptinen anturi

Hajautetut kuituoptiset anturijärjestelmät, mukaan lukien hajautettu lämpötilan tunnistus (DTS), hajautettu akustinen tunnistus (DAS) ja Brillouinin optinen aika-alueanalyysi (BOTDA), käyttävät valoilmaisimia mittaamaan takaisinsironneita tai heijastuneita optisia signaaleja tunnistuskuidusta. InGaAs-valodiodeja käytetään yleisesti järjestelmissä, jotka toimivat noin 1550 nm:n alueella ja joiden vaste, kohina ja kaistanleveys valitaan tietyn tunnistustekniikan ja järjestelmäarkkitehtuurin mukaan.

2.4.Lasertehon valvonta ja ohjaus

Valodiodeja käytetään laajalti reaaliaikaiseen laserlähtötehon valvontaan ja takaisinkytkennän ohjaukseen. Monet butterfly- ja TO-CAN-laserpaketit voivat integroida näytön fotodiodin ottamaan näytteitä osan laserlähdöstä, mikä mahdollistaa automaattisen tehonsäädön (APC). Ulkoisia valodiodeja käytetään myös L-I-V-testaukseen, optisen tehon valvontaan, aallonpituusskannauksen karakterisointiin ja muihin lasermittaussovelluksiin. InGaAs-valodiodit sopivat hyvin niiden spektrivastealueella toimivien televiestintä- ja anturilaserien valvontaan.

2.5.Lähi-infrapunaspektroskopia ja analyyttinen instrumentointi

NIR-spektroskopiajärjestelmät käyttävät valodiodeja näytteistä läpäisevän tai niistä heijastuneen valon havaitsemiseen kemiallisen koostumuksen, kosteuspitoisuuden ja materiaaliominaisuuksien analysoimiseksi. InGaAs-valodiodit, joiden vaste ulottuu 1700 nm:iin, kattavat tärkeitä veden, hiilivetyjen ja muiden orgaanisten yhdisteiden NIR-absorptio-ominaisuuksia. Matala kohina ja hyvin karakterisoitu spektrivaste ovat tärkeitä tarkkoja kvantitatiivisia mittauksia varten.

2.6.Teollisuus- ja ympäristöanturi

InGaAs-valodiodeja voidaan käyttää lähi-infrapuna-alueella toimivissa optisissa mittausjärjestelmissä, mukaan lukien NIR TDLAS -kaasun ilmaisu, optinen paikannus ja muut teolliset mittaussovellukset. TDLAS-järjestelmissä valodiodi havaitsee kaasukennon läpi lähetetyn laservalon, kun taas optisen intensiteetin muutokset tavoiteabsorptioaallonpituudella analysoidaan kaasupitoisuuden määrittämiseksi. Ilmaisimen aallonpituusvaste, kohinan suorituskyky ja dynaaminen alue tulee valita tietyn tunnistusarkkitehtuurin mukaan.