化合物光半導体受光素子第章 6 - hamamatsu.com · フォトダイオードのノイズ電流 inは、並列抵抗 Rshで近似できる抵抗体の熱雑音電流 (またはジョンソンノイズ電

化合物光半導体受光素子第　　章6

1-1 特性1-2 使い方

InGaAs/GaAs PINフォトダイオード1

2-1 動作原理2-2 特性2-3 使い方

InGaAs APD2

11-1 高速InGaAs PINフォトダイオード11-2 100 Gbps ROSAモジュール11-3 InAsSb光起電力素子

新たな取り組み11

12-1 光パワーメータ12-2 LDモニタ12-3 放射温度計12-4 距離計測12-5 フレームアイ（炎検出）12-6 水分計12-7 ガス分析計12-8 赤外線撮像装置12-9 リモートセンシング12-10 選別機器12-11 FT-IR

応用例12

3-1 構造3-2 特徴3-3 特性3-4 使用上の注意

ROSAモジュール3

4-1 動作原理4-2 特性4-3 使い方

PbS/PbSe光導電素子4

InSb光導電素子5

6-1 特性6-2 使用上の注意

InAs/InAsSb/InSb光起電力素子6

7-1 特性7-2 使い方

MCT(HgCdTe)光導電素子7

8-1 特性8-2 使い方

MCT(HgCdTe)光起電力素子8

複合素子9

オプション10

169

6章

化合物光半導体

受光素子

6章


受光素子

170

　化合物光半導体受光素子は、主にⅡ～Ⅵ族の複数の元素によって構成された光半導体素子です。構成する元素によって異なった感度波長範囲をもち、紫外～赤外域でさまざまな波長域に感度のある受光素子を作製することができます。　当社は、長年培った化合物光半導体の製造技術を駆使し、さまざまな波長域の検出素子を取りそろえています。特に赤外線領域において幅広いラインアップの検出素子を用意しています。当社の化合物光半導体受光素子の応用分野は、学術研究から情報通信機器、民生機器までの広い範囲に及んでいます。

化合物光半導体受光素子の分光感度特性 (代表例)

KIRDB0259JI

化合物光半導体受光素子

6章


受光素子

171

製品名感度波長範囲 (µm)

特長

InGaAs PINフォトダイオード

●短波長高感度タイプ●0.5 µmから検出が可能

●標準タイプ●高速応答、高感度、低暗電流●各種受光面サイズ、アレイ、パッケージを用意●1.7 µm付近の光計測用●電子冷却型も用意●水分吸収波長帯 (1.9 µm)の光計測用●電子冷却型も用意●NIR分光器用●電子冷却型も用意

InGaAs APD ●高感度、高速応答、低容量、低暗電流●各種受光面サイズを用意

GaAs PINフォトダイオード ●高速応答、高感度、低暗電流●アレイ・各種パッケージを用意

製品名波長伝送帯域（周波数）

形態メタルレセプタクルピグテイル ROSA

InGaAs PINフォトダイオード

1.3/1.55 µm

(2 GHz) ̶ ̶

プリアンプ付InGaAs PINフォトダイオード

2.5 Gbps ̶

10 Gbps ̶ ̶ ̶

製品名感度波長範囲 (µm)

特長

PbS光導電素子●赤外線入射によって抵抗値が減少する光導電素子●常温で使用できるため、放射温度計やフレームモニタなど　幅広い範囲で使用が可能

PbSe光導電素子●5.2 µmまで検出が可能●同じ波長域に感度をもつ他の受光素子に比べ高速応答で、　常温で使用できるため、ガス分析計など幅広い範囲で使用可能

InAs光起電力素子 ●感度波長範囲はPbSに相当。PbSより高速応答を実現

InAsSb光起電力素子 ●5 µm帯で高感度、高信頼性の赤外線検出素子●高速応答

InSb光導電素子 ●電子冷却型のため、高感度で長時間にわたり6.5 µm付近　まで検出が可能

InSb光起電力素子 ●大気の窓の範囲 (3～5 µm)で高感度を実現した高速センサ

MCT (HgCdTe)光導電素子

●HgTeとCdTeの組成比の異なる、さまざまな感度波長範囲　のタイプを用意●赤外線入射によって抵抗値が減少する高感度光導電素子●電子冷却型・デュワ型を用意

MCT (HgCdTe)光起電力素子 ●高速応答、低ノイズ

複合素子

Si + PbS

●広い感度波長範囲をもったセンサ●感度波長範囲の異なる2つの受光素子を同一光軸で上下に　配置

Si + PbSe

Si + InGaAs標準タイプ InGaAs + 長波長タイプ InGaAs

フォトンドラッグ検出素子 ●10 µm帯に感度をもつ高速検出器 (CO2レーザ光検出用)●常温動作で高速応答

浜松ホトニクスの化合物光半導体受光素子

浜松ホトニクスの光通信用受光デバイス

0 1 2 3

0.9

1.7

0.57 0.87

0.95 1.7

0.9 1.9

0.9 2.1

2.6

0.5 1.7

0.9

1 13.5

0 5 10 15 20 25

1 3.2

1 6.7

1 5.5

1 5.8

1 3.8

1 25

0.2 3

0.2 4.85

0.32

10

2.55

0.9 2.55

1 5.2

注) 以下の光通信用デバイスも用意しています。・光量／波長モニタ用フォトダイオード　InGaAs PINフォトダイオード (メタルタイプ、ベアチップタイプ、サブマウントタイプ)　InGaAs PINフォトダイオードアレイ、InGaAsリニアイメージセンサ・光リンク用フォトダイオード／赤外LED／フォトIC・空間光伝送用フォトダイオード／赤外LED、VICS車載用投／受光モジュール

172

6章


受光素子

InGaAs/GaAs PINフォトダイオード

1.

　InGaAs PINフォトダイオード・GaAs PINフォトダイオードは、Siフォトダイオードと同じくPN接合をもった光起電力素子です。

[図1-1] 分光感度特性 (InGaAs/GaAs PINフォトダイオード)

　InGaAsは、Siに比べてバンドギャップエネルギーが小さいため、Siより長い波長領域に感度をもっています。 InGaAsは、InとGaの組成比によってバンドギャップエネルギーの値が変わるため [図1-2]、組成比を変えることによって、さまざまな感度波長範囲の赤外線検出素子を作ることができます。当社は、カットオフ波長が1.7 µmの標準タイプ・短波長高感度タイプと、1.9 µm・2.1 µm・2.6 µmなどの長波長タイプを用意しています。

[図1-2] バンドギャップエネルギー－ InxGa1-xAsの組成比 x

KIRDB0332JE

KIRDB0130JB

1 - 1 特性

電流－電圧特性

　InGaAs/GaAs PINフォトダイオードに暗中で電圧を印加すると、図1-3 (a)のような電流－電圧特性が得られます。フォトダイオードへ光を入射させると、この曲線は図1-3 (b)の②のようになります。さらに光を強くすると③のようになります。ここでフォトダイオードの両端を開放しておくと順方向に開放端電圧 Vocが現れ、両端を短絡しておくと逆方向に短絡電流 Iscが流れます。　光電流によって光量を測定する方法を図1-4に示します。図1-4 (a)は、負荷抵抗を接続しIo × RLの電圧をゲイン Gの増幅器で増幅する方法です。この回路では、直線性の範囲は限定されます [この様子を図1-3 (c)に示します]。　図1-4 (b)は、オペアンプを接続した回路を示します。オペアンプのオープンループゲインをAとすると、負帰還回路の特徴により等価入力抵抗はRfA となり図1-4 (a)の回路の入力抵抗よりも数桁小さくなるため、理想的な短絡電流 (Isc)の測定が可能になります。広範囲の短絡電流を測定する場合は、Rfを必要に応じて切り替えます。

[図1-3] 電流－電圧特性

(a) 暗中

(b) 光照射時

KIRDC0030JA

KPDC0005JA

173

6章


受光素子

(c) 電流－電圧特性と負荷直線

[図1-4] 接続例

(a) 負荷抵抗を接続した場合

(b) オペアンプを接続した場合

等価回路

　InGaAs/GaAs PINフォトダイオードの等価回路を図1-5に示します。短絡電流 (Isc)は、式 (1)で表されます。短絡電流の直線性の限界は、この式の第2項、第3項によって決定されます。

Isc =IL - Is expq (Isc × Rs)

- 1 - Isc × RsRsh

........ (1)

IL : 入射光による発生電流 (光量に比例)Is : フォトダイオードの逆方向飽和電流q : 1電子当たりの電荷量Rs : 直列抵抗k : ボルツマン定数T : 素子の絶対温度Rsh: 並列抵抗

k T

[図1-5] 等価回路 (InGaAs/GaAs PINフォトダイオード)

VD: ダイオード両端の電圧ID : ダイオード電流Ct : 端子間容量

I' : 並列抵抗電流Vo: 出力電圧Io : 出力電流

KPDB0003JB

KPDC0006JD

KPDC0004JB

直線性

　InGaAs/GaAs PINフォトダイオードの直線性は、下限はノイズで決まり、上限はチップの材料構造や組成、受光部の面積、電極構造、入射スポット光サイズなどで決まります。上限を伸ばすために逆電圧を印加することもありますが、直線性だけを考えれば1 V程度を印加すれば十分です。図1-7は逆電圧を印加する場合の接続例です。逆電圧を印加することは、直線性あるいは応答特性の改善に役立ちますが、一方で暗電流を増加させノイズレベルを引き上げることになります。また、過大な逆電圧はフォトダイオードの破損または劣化の原因になるため、絶対最大定格内で使用し、必ずカソードがアノードに対して正電位になるように極性を設定してください。

[図1-6] 直線性

(a) InGaAs PINフォトダイオード

(b) GaAs PINフォトダイオード

KIRDB0333JB

KGPDB0060JA

1. InGaAs/GaAs PINフォトダイオード

174

6章


受光素子

[図1-7] 接続例 (逆電圧を印加)



ノイズ特性

　InGaAs/GaAs PINフォトダイオードの微弱光に対する検出限界は、一般の受光素子と同様にそのノイズ特性で決まります。フォトダイオードのノイズ電流 inは、並列抵抗 Rshで近似できる抵抗体の熱雑音電流 (またはジョンソンノイズ電流) ij、暗電流に起因するショットノイズ電流 isD、光電流に起因するショットノイズ電流 isLの和で表すことができます。

in = ij2 + isD2 + isL2 [A] ........ (2)

　図1-4のように逆電圧を印加しない場合、ijは式 (3)のようになります。

ij = [A] ........ (3)

k : ボルツマン定数T: 素子の絶対温度B: 雑音帯域幅

4k T BRsh

　図1-7のように逆電圧を印加する場合は、必ず暗電流が存在し、isDは式 (4)のようになります。

isD = 2q ID B [A] ........ (4)

q : 1電子当たりの電荷量ID: 暗電流

　入射光のため光電流 (IL)が存在し、IL>>0.026/Rshまたは IL>>IDの場合、ノイズ電流は光電流に起因するショットノイズ電流が支配的となり、式 (5)で表されます。

in isL = 2q IL B [A] ........ (5)

　これらのノイズの大きさは、測定帯域幅 (B)の平方根に比例するため、単位はBで正規化したA/Hz1/2で示します。　一般にフォトダイオードの最小光検出限界は、式 (3)ま

KPDC0008JB

たは式 (4)のノイズ電流と等しい電流を発生させる入射光量、すなわち雑音等価電力 (NEP)で表します。

[W/Hz1/2] ........ (6)NEP = inS

in: ノイズ電流S : 受光感度

　図1-7 (b)の回路構成の場合、前述したフォトダイオードのノイズに加え、オペアンプおよびRfのノイズなどを考慮する必要があります。さらに高周波数領域では、フォトダイオード容量 (Ct)、フィードバック容量 (Cf)などの容量成分を含めた伝達関数を考慮する必要もあります。さらにアンプの温度ドリフトや低周波数領域のフリッカノイズ、後述するゲインピーキングなどの影響があるため、光検出限界は式 (6)のNEPより大きくなります。　InGaAs PINフォトダイオードの場合、光検出限界を改善するためには冷却型を使用する方法があります。また入射光を何らかの方法で周期的にオン・オフし、その周波数の信号だけを同期検出すれば、不要な帯域のノイズを除去できるため、検出限界をさらにNEPへ近づけることができます [図1-8]。

[図1-8] 同期測定法

分光感度特性

　InGaAs PINフォトダイオードは、感度波長範囲により以下の3種類に大別されます。

① 標準タイプ: 波長範囲 0.9～1.7 µmに感度をもつ

② 短波長高感度タイプ: 標準タイプの短波長側の感度波長範囲を延ばしたタイプ

③ 長波長タイプ: 標準タイプよりも長波長に感度波長範囲をもつ

　フォトダイオードの長波長側のカットオフ波長 (λc)は、そのバンドギャップエネルギー (Eg)により式 (7)で表されます。

[ m] ........ (7)λc = 1.24Eg

Eg: バンドギャップエネルギー [eV]

　標準タイプと短波長高感度タイプのInGaAs光吸収層のバンドギャップエネルギーは0.73 eVです。長波長タイプは、InGaAs光吸収層の組成比を変えることによってバンド

KPDC0007JB

175

6章


受光素子

ギャップエネルギーを小さくしカットオフ波長を長波長側へ延ばしています。　InGaAs PINフォトダイオードは、ノイズの原因となる表面リーク電流を抑制するために、InGaAs光吸収層の上にキャップ層と呼ばれる半導体の層を設けています。キャップ層を構成する半導体のカットオフ波長よりも波長の短い光は、そのほとんどがこのキャップ層で吸収され光吸収層に到達しないため感度に寄与しません。短波長高感度タイプでは、ウエハ構造やプロセス工程の改良により、キャップ層を標準タイプの1/10以下の厚さに薄くし、キャップ層で吸収される光を減少させ、光吸収層に達する光を増大させることで、短波長の感度を向上させています。　InGaAs PINフォトダイオードの感度波長範囲は素子の温度を下げることによりバンドギャップエネルギーが大きくなり短波長側にシフトしますが、ノイズ量が減少するためD*は大きくなります [図1-10]。InGaAs PINフォトダイオードに使用している窓材の透過率を図1-11に示します。

[図1-9] 分光感度特性

(a) InGaAs PINフォトダイオード (標準タイプ)

(b) InGaAs PINフォトダイオード (短波長高感度タイプ)

KIRDB0132JA

KIRDB0395JA

(c) InGaAs PINフォトダイオード [長波長タイプ (～2.6 µm)]

(d) GaAs PINフォトダイオード

[図1-10] D*－波長 (InGaAs PINフォトダイオード)

(a) 標準タイプ

KIRDB0133JC

KGPDB0044JA

KIRDB0134JA


176

6章


受光素子

(b) 長波長タイプ (～2.6 µm)

[図1-11] 窓材の分光透過率 (代表例)

応答特性

　応答特性とは、生成したキャリアをどれだけ速く外部回路へ電流として取り出せるかを示す値で、通常、上昇時間または遮断周波数で表します。　上昇時間 (tr)は、出力信号がピーク値の10%から90%に立ち上がる時間で、式 (8)で表されます。

........ (8)tr = 2.2Ct (RL + Rs)

Ct: 端子間容量RL: 負荷抵抗Rs: 直列抵抗

　通常はRL>>Rsのため、Rsは無視して差し支えありません。上昇時間を小さくするためにはCtとRLを小さくする必要がありますが、RLは外的要因で決められ自由に変更することができません。Ctは、受光面積 (A)に比例し逆電圧 (VR)の平方根に反比例します。

........ (9)Ct ∝A

VR

　受光面積が小さい素子に逆電圧を印加することによっ

KIRDB0135JA

KIRDB0550JA

て、速い応答速度が得られます。　PN接合部以外に吸収された光によって生成した電荷が拡散によって電極に達するまで、数µs以上かかる場合があります。Ct × RL時定数が小さい場合は、この拡散時間によって応答速度が決定されます。高速応答を必要とする場合には、受光部外に光を照射しないように注意してください。　上昇時間 tr (単位: s)と遮断周波数 fc (単位: Hz)との間には、おおよそ式 (10)の関係があります。

0.35fc

........ (10)tr =

　応答特性の詳細については、「2章 Siフォトダイオード／1. Siフォトダイオード／1-8 応答速度」を参照してください。

[図1-12] 端子間容量－逆電圧

(a) InGaAs PINフォトダイオード (標準タイプ)

(b) GaAs PINフォトダイオード

　図1-13に InGaAs PINフォトダイオードを用いた高速光検出回路を示します。これは図1-7 (a)の具体的な接続例で、負荷抵抗は50 Ωになっています。直列抵抗 Rとセラミックコンデンサ Cによって逆電圧電源のノイズを低くするとともにフォトダイオードからみた電源インピーダンスを小さくしています。抵抗 Rはフォトダイオードの保護用としても働いており、最大

KIRDB0331JC

KGPDB0059JA

177

6章


受光素子

光電流による電圧降下が逆電圧より十分小さい範囲になる抵抗を選択します。なお、フォトダイオードとコンデンサのリード、同軸ケーブルの芯線など高速パルスが通る経路は、極力短く配線してください。

[図1-13] 高速光検出回路 (InGaAs PINフォトダイオード)

温度特性

　「1-1 特性／分光感度特性」で述べたように、検出素子の温度が変わることによって分光感度特性は変化します。InGaAs PINフォトダイオードの並列抵抗の温度特性を図1-14に示します。素子温度を下げることによって暗電流が減少し、並列抵抗が大きくなるためS/Nはよくなります。　暗電流は、素子温度が上昇すると指数関数的に上昇します。素子温度 xの暗電流 IDxと素子温度ｙの暗電流 IDｙの関係は式（11）で表されます。暗電流の温度係数 aは検出素子のバンドギャップエネルギーによって異なります。また、検出素子に印加する逆電圧によって変化します。

IDx = IDy × ax-y ......... (11)

　当社は、動作温度を一定に (または冷却)して使用できる1段／2段電子冷却型InGaAs PINフォトダイオードを用意しています。

[図1-14] 並列抵抗－素子温度 [InGaAs PINフォトダイオード (標準タイプ)]

KPDC0009JA

KIRDB0544JA

1 - 2 使い方

オペアンプとの接続

　図1-15にオペアンプとの接続例を示します。図1-15のオペアンプ回路の入力インピーダンスは、帰還抵抗 Rfをオープンループゲインで割った値であるため非常に小さくなります。そのため優れた直線性が得られます。

[図1-15] 接続例

　以下にオペアンプを使用する場合の注意事項を述べます。

(1) 帰還抵抗の選択

　図1-15では、短絡電流 Iscは Isc × Rfの出力電圧 Voに変換されます。Rfがフォトダイオードの並列抵抗 Rshより大きくなると、オペアンプの入力雑音電圧と入力オフセット電圧が (1 + Rf/Rsh)倍されて出力電圧に重畳してきます。また、オペアンプのバイアス電流誤差も大きくなるため、Rfを無制限に大きくすることはできません。　帰還容量 Cfは主に発振防止用で、数pFあれば十分です。　この帰還回路は Cf × Rfの時定数をもちノイズフィルタの働きをしますが、同時に応答速度を制限するため用途に合わせて帰還抵抗の値を選ぶ必要があります。オフセット電圧による誤差は、オペアンプのオフセット調整端子に可変抵抗を接続することにより通常1 mV以下にすることができます。なお応用回路例については、「2章 Siフォトダイオード／1. Siフォトダイオード／1-10 応用回路例」を参照してください。

(2) オペアンプの選択

　実際のオペアンプの入力抵抗は無限大ではなく、入力端子にはいくらかのバイアス電流が流入または流出します。これにより、検出電流の大きさによっては誤差が生じます。　バイアス電流は、FET入力型オペアンプでは0.1 pA以下のものもありますが、バイポーラ型オペアンプは数百pA～数百nA程度です。　FET入力型オペアンプのバイアス電流は、一般に10 ̊Cの温度上昇で2倍になりますが、バイポーラ型オペアンプでは逆に減少します。このため高温仕様の回路を設計する場合、バイポーラ型オペアンプの使用も考慮する必要があります。バイアス電流による誤差電圧は、オフセット電圧と同様にオペアンプのオフセット調整端子に可変抵抗器を接続して微調整することができます。

KIRDC0040JB


178

6章


受光素子

2 - 2 特性

暗電流ー逆電圧特性

　APDの暗電流 IDは、増倍されない暗電流成分 IDs (PN接合と表面保護膜の界面を流れる表面リーク電流など)と増倍される暗電流成分 IDG (半導体内部で発生する再結合電流、トンネル電流、拡散電流など。M=1で規定する。)から成ります。

ID = IDs + M・IDG ........ (1)

　図2-2にInGaAs APDの電流－逆電圧特性の例を示します。InGaAs APDは図2-1の構造をしているため、低逆電圧下で空乏層がInGaAs光吸収層まで広がらない場合は感度がありません。

[図2-2] 暗電流、光電流ー逆電圧 (G8931-04)

　当社のInGaAs APDでは、光が照射されていない状態で、逆方向電流が100 µA流れるときの逆電圧を降伏電圧 (VBR)、逆電圧 VR= 0.9 × VBRのときの逆方向電流を暗電流と定義しています。

増倍率ー逆電圧特性

　InGaAs APDの増倍特性は、InPアバランシェ層にかかる電界強度に依存し、逆電圧を大きくするほど通常は増倍率は高くなります。さらに逆電圧を大きくすると暗電流も大きくなり、素子の直列抵抗成分における電圧降下によって、InPアバランシェ層にかかる電界が減少していきます。これにより逆電圧を大きくしても、増倍率が上がらなくなります。最大増倍率付近で動作させると、直列抵抗成分における電圧降下が大きくなるため、光電流が入射光量に比例しない現象が起こります。

KAPDB0123JA

InGaAs APD2.

　InGaAs APD (Avalanche Photodiode)は内部増倍機能をもつ赤外線検出素子です。適切な逆電圧を印加することにより光電流が増倍され、高感度・高速応答を実現します。　InGaAs APDは1 µm帯の光に対して感度をもっており、この波長帯では光ファイバの損失が低いことから光ファイバ通信で広く利用されます。また1 µm帯の光は目に対する安全性が高い (アイセーフ)ため、空間光伝送や光学式距離測定でも利用が進んでいます。

2 - 1 動作原理

　PN接合に逆電圧を印加すると、空乏層内部で発生した電子－正孔対のうち、電界によって電子はN+側に、正孔はP+側にそれぞれドリフトします。このときのキャリアの走行速度は電界に依存しますが、電界が高くなると結晶格子との散乱頻度が増すため、平均的にある一定の速度に飽和するようになります。さらに逆電圧を上げると、衝突を免れた一部のキャリアは、非常に大きなエネルギーをもつようになります。そして、このキャリアが格子と衝突すると新たな電子－正孔対を発生させる現象 (イオン化)が起こります。さらにこの電子－正孔対が、新たに電子－正孔対を発生させるという連鎖反応が発生します。これが、アバランシェ増倍といわれる現象です。このアバランシェ増倍を利用した内部増倍機能をもったフォトダイオードがAPDです。

[図2-1] 構造と電界プロファイル (InGaAs APD)

　InGaAsはバンドギャップエネルギーが小さいため、大きな逆電圧を印加すると、暗電流が大きくなってしまいます。そこでInGaAs APDでは、光を吸収して電子－正孔対を発生するInGaAs光吸収層と、光によって発生したキャリアをアバランシェ増倍するInPアバランシェ層を分離した構造を採用しています。このように光吸収層とアバランシェ層を分けた構造のAPDをSAM (Separated Absorption and Multiplication) 型と呼びます。当社のInGaAs APDではSAM型を採用しています。

KIRDC0077JA

179

6章


受光素子

2. InGaAs APD

[図2-3] 増倍率の温度特性 (G8931-04)

　図2-3に示すようにInGaAs APDの増倍率は温度によって変化します。特定の逆電圧における増倍率は、温度が上昇すると小さくなります。これは、温度が上昇すると結晶格子の振動が激しくなり、電界により加速されるキャリアがイオン化を起こすエネルギーに達する前に格子と衝突する確率が高くなるためです。一定の出力を得るためには、温度変化に合わせて逆電圧を変化させるか、素子の温度を一定に保つ必要があります。　図2-4は、-40～+80 ̊Cにおける暗電流－逆電圧特性の温度依存性を示したグラフです。

[図2-4] 暗電流の温度特性 (G8931-04)

　降伏電圧の温度特性を図2-5に示します。

KIRDB0396JA

KIRDB0397JA

[図2-5] 降伏電圧ー温度 (G8931-04)

分光感度特性

　半導体のバンドギャップエネルギー以上の光がフォトダイオードに吸収されると電子－正孔対が発生し、信号として検出されます。バンドギャップエネルギー Eg (単位: eV)とカットオフ波長 λc (単位: µm)との間には式 (2)の関係があります。

[ m] ........ (2)λc = 1.24Eg

　InGaAs APDでは光を吸収する材料として、InPに格子整合した組成のInGaAsが使われており、そのバンドギャップエネルギーは室温で0.73 eVです。このため、InGaAs APDのカットオフ波長は約1.7 µmとなります。　InGaAs APDの分光感度特性は、増倍率によって異なります [図2-6]。InPアバランシェ層における短波長の光の吸収によって短波長側の感度が低下します。

[図2-6] 分光感度特性 (G8931-20)

　InGaAs APDの分光感度の温度特性はInGaAsのバンドギャップエネルギーの温度特性の影響を受けます。InGaAsのバンドギャップエネルギーは温度の上昇とともに

KIRDB0398JA

KIRDB0120JB

180

6章


受光素子

小さくなるため、カットオフ波長は長くなります。　なお、InGaAs APDでは、素子の表面における反射により量子効率が悪化することを防ぐために、入射面に反射防止膜を形成しています。

端子間容量ー逆電圧特性

　InGaAs APDの端子間容量－逆電圧特性のグラフはInGaAs PINフォトダイオードとは異なる曲線になります [図2-7]。これはPN接合の位置が異なるためです。

[図2-7] 端子間容量ー逆電圧 (G8931-04)

ノイズ特性

　InGaAs APDのキャリアごとの増倍率には統計的な揺らぎがあります。そのため、増倍過程において過剰雑音と呼ばれる増倍雑音が加わります。InGaAs APDのショットノイズ (In)は、InGaAs PINフォトダイオードのショットノイズよりも大きくなり、式 (3)で表されます。

In2 =2q (IL + IDG) B M2 F + 2q IDs B

q : 1電子当たりの電荷量IL : M=1における光電流IDG : 増倍される暗電流成分IDs : 増倍されない暗電流成分B : 帯域幅M : 増倍率F : 過剰雑音係数

.......... (3)

　1つのキャリアが半導体の単位距離を走行するときに発生する電子－正孔対の数をイオン化率と呼び、電子のイオン化率 α [cm-1]と正孔のイオン化率 [cm-1]が定義されます。このイオン化率は、増倍機構を決定する重要なパラメータです。また、αとの比はイオン化率比 (k)と呼ばれ、InGaAs APDのノイズを示すパラメータです。

k = ............ (4)βα

　イオン化率比は、半導体材料固有の物性定数です。InPでは電子よりも正孔のイオン化率が大きく、k>1となってい

KIRDB0124JB

ます。そのため、InGaAs APDでは、InGaAs層で光を吸収して発生した電子－正孔対のうち正孔を逆電圧によってInPアバランシェ層へドリフトしています。　過剰雑音係数 (F)は、イオン化率比 (k)によって式 (5)で表されます。

F = M k + (2 - ) (1 - k) ............ (5)1M

　過剰雑音係数は、近似的にF=MXと表す場合があります (x: 過剰雑音指数)。図2-8にInGaAs APDの過剰雑音係数と増倍率の関係の一例を示します。この図では、過剰雑音指数が約0.7となっています。

[図2-8] 過剰雑音係数ー増倍率 (G8931-04, 代表例)

　このようにInGaAs APDでは、増倍に伴うノイズが発生し、増倍率を大きくすると過剰雑音が増加します。一方、出力信号も増倍率とともに大きくなるため、ある特定の増倍率でS/Nは最大の値になります。InGaAs APDのS/Nは、式 (6)で表されます。

S/N = IL2 M2

2q (IL + IDG) B M2 F + 2q IDs B + 4k T BRL

...... (6)

2q (IL + IDG) B M2 F: 過剰雑音2q IDS B: ショットノイズk : ボルツマン定数T : 絶対温度RL: 負荷抵抗

　最適な増倍率 (Mopt)は、式 (6)を最大にする条件より求められ、IDsを無視できるとすると式 (7)で表されます。

Mopt = ............ (7)4k T

q (IL + IDG)・x・RL

12 + x

KIRDB0399JA

181

6章


受光素子

[図2-9] 信号電力、雑音電力ー増倍率

応答特性

　APDの応答速度を決める主な要因は、CR時定数、ドリフト時間 (キャリアが空乏層内を走行する時間)、増倍時間です。CR時定数により決まる遮断周波数は、式 (8)で求められます。

fc(CR) = ............ (8)1

2π Ct RL

Ct: 端子間容量RL: 負荷抵抗

　CR時定数により決まる遮断周波数を大きくするためには、端子間容量を小さくする必要があります。そのためには、受光面サイズが小さく空乏層が厚い方が有利です。遮断周波数 (fc)と上昇時間 (tr)との関係は、式 (9)で表されます。

tr = ............ (9)0.35

fc(CR)

　一方、空乏層を厚くした場合、ドリフト時間が無視できなくなります。ドリフト時間 trd、およびドリフト時間により決まる遮断周波数 fc(trd)は以下の式で表されます。

trd = ..................... (10)W

vds

fc(trd) = ............. (11)0.44trd

W : 空乏層の厚さvds: ドリフト速度

　InGaAsにおける正孔のドリフト速度は電界強度が約104 V/cmから飽和し、そのときのドリフト速度は約5 × 106 cm/sです。ドリフト時間により決まる遮断周波数 fc(trd)は空乏層が薄い方が有利であり、CR時定数により決まる遮断周波数 fc(CR)とはトレードオフの関係にあります。　アバランシェ層を通過するキャリアは結晶格子と衝突を繰り返しながら進むため、単位距離を進むのに要する時

KIRDB0400JA

間は、アバランシェ層以外を進む場合よりも長くかかります。キャリアがアバランシェ層を通過する時間 (増倍時間)は増倍率が大きくなるほど長くなります。　一般に、増倍率が5～10の場合は応答速度においてCR時定数とドリフト時間が支配的な要因であり、それ以上の増倍率の場合は増倍時間が支配的な要因です。　増倍率が低い領域で応答速度を悪化させる原因として、空乏層外からのキャリアの拡散電流による時間遅れがあります。この時間遅れは、数µsオーダーとなることがあります。これは、入射光がInGaAs中へ到達する深さに対して、空乏層が十分に広がっていない場合に顕著に現れます。　高速応答を実現するためには、一定以上の逆電圧を印加して、InGaAs光吸収層を十分に空乏化させる必要があります。InGaAs光吸収層が十分に空乏化していないと空乏層外で吸収された光により発生したキャリアが信号のすそ引きの原因となり、応答特性が劣化します。　入射光量が多く光電流が大きい場合、空乏層内の電子と正孔の引力が電界を打ち消す方向に働くため、InGaAs光吸収層のキャリアのドリフト速度が遅くなり、応答の低下をもたらす現象が起こります。これは空間電荷効果と呼ばれる現象で、特に光信号が途切れるときに現れやすくなります。　InGaAs APDの遮断周波数と増倍率の関係を図2-10に示します。

[図2-10] 遮断周波数ー増倍率 (G8931-04)

受光面の感度均一性

　InGaAs APDには大きな逆電圧が印加され高電界がPN接合にかかるため、特に接合周辺で局部的な電界集中が起こり、ブレークダウンが発生しやすくなります。これを防ぐために、当社のInGaAs APDはPN接合周縁にガードリングを形成する構造を採用しています。これによって受光面全体にわたって均一な電界がかかるようになり、感度均一性が確保されます。

KIRDB0401JA

2. InGaAs APD

182

6章


受光素子

[図2-11] 受光面の感度分布 (G8931-20)

2 - 3 使い方

　InGaAs APDは、InGaAs PINフォトダイオードやSi APDとほぼ同様に扱うことができますが、以下について注意する必要があります。

① InGaAs APDの逆電流の最大定格は2 mAです。このためバイアス回路に保護抵抗を付加した上で、電流制限回路を組み込むといった対策が必要です。

② 通常、低ノイズの読み出し回路は、過大電圧に対して初段部の損傷を招く恐れがあります。この対策として、過大電圧の入力を電源電圧に逃がすための保護回路を接続してください。

③ APDの増倍率は、温度によって変化します。広い温度範囲で使用する場合には、温度変化に合わせて逆電圧を制御するか、APDの温度を一定に保つなどの対策が必要です。

④ 微弱な信号光を検出する場合、検出限界はショットノイズで決定されます。背景光がAPDに入射すると、そのショットノイズのためにS/Nが低くなる場合があります。このような場合は、光学フィルタを使用する、レーザの変調度を向上させる、視野角を制御するなど、背景光の影響を低減する必要があります。特にInGaAs APDは、構造上Si APDと比べて過剰雑音指数が大きいため、過剰雑音を含むショットノイズによる影響を考慮する必要があります。

　図2-12に接続例を示します。　なお、InGaAs APDのAPDモジュールについてカスタム対応が可能です。

KIRDC0078JA

[図2-12] 接続例

KIRDC0079JA

183

6章


受光素子

を使用する必要があります。

(2) イーサネット

　イーサネットは、使用するファイバと伝送距離に応じて表3-2の規格に分類されます。　OMA (Optical Modulation Amplitude)は、光送信器の特性を決める測定パラメータです。OMAは式 (1)で表されます。

OMA = 2 × Pave × (1 - ER)/(1 + ER) ...... (1)

Pave: 平均パワーER: 消光比

　長距離伝送用として長波長のシングルモードファイバが用いられる場合には、低い光反射減衰量が求められるため、SONET/SDHの場合と同様にメタルタイプのROSAを用いる必要があります。なお光反射減衰量が大きくても構わない場合はプラスチックタイプのROSAを用います。　一方で、300 m以下の短距離伝送の場合、コア径の大きなマルチモードファイバが用いられ、850 nm付近の短波長帯が使用されます。

3 - 3 特性

周波数特性

　図3-3は、受光モジュールの周波数特性の測定系です。LDは、被測定受光モジュールに比べ十分帯域が広いものを使用するか、周波数特性の分かっているLDを用いて測定系を校正して、測定系の周波数特性の影響が無視できるようにします。

[図3-3] 周波数特性の測定系 (受光モジュール)

　デジタル光通信に使用される受光モジュールは、広いダイナミックレンジを得るために、通常AGC (Automatic Gain Control)アンプまたはリミッティングアンプが内蔵されています。周波数特性の測定の際には、AGCアンプならばAGCがオフとなる光量、リミッティングアンプならば線形領域となる光量にLDの出力を調整します。　10 Gbps PIN ROSAの周波数特性とその温度特性を図3-4に示します。ゲインが低周波の値から3 dB下がったところの周波数を遮断周波数 (fc)としています。

KIRDC0054JA

2. InGaAs APD　3. ROSAモジュール

ROSAモジュール3.

　最近の光通信モジュールの高速化・小型化に対応したInGaAs PINフォトダイオード内蔵 ROSA (Receiver Optical Sub-Assembly)モジュールを紹介します。

3 - 1 構造

　ROSAは、光ファイバコネクタとの嵌合部をもつハウジングにTO-CANタイプのメタルパッケージの受光素子を取り付けた構造です。ハウジングにはメタルとプラスチックのタイプがあります。図3-1に示すメタルタイプは、内部に反射防止構造をもっており光反射減衰量を抑えることができます。一方、図3-2に示すプラスチックタイプは非球面レンズとの一体成形を行い安価になりますが、光反射減衰量が大きく短距離通信に用いられます。

[図3-1] メタルタイプROSAの構造図

[図3-2] プラスチックタイプROSAの構造図

3 - 2 特徴

(1) SONET/SDH

　SONET/SDHは、主に長波長のシングルモードファイバを使った幹線系で使用されます。SONET/SDHの規格は表3-1のように分類されます。　SONET/SDHには高トランスインピーダンスゲイン、高感度とともに低光反射減衰量が求められるため、光反射防止構造をもったメタルタイプのROSAが使われます [図3-1]。　80 kmを超えるような長距離の伝送用には、さらに高感度が要求されるためPINフォトダイオードの代わりにAPD

KIRDC0083JB

KIRDC0084JB

184

6章


受光素子 [図3-4] 周波数特性 (10 Gbps PIN ROSA, 代表例)

KIRDB0416JB

ビットエラーレート

　図3-5にビットエラーレートの測定系を示します。パルスパターンジェネレータからの擬似ランダムパターンでLDを直接強度変調させます。この変調光のパワーレベルを光可変減衰器で変化させ、受光モジュールに入射します。受光モジュールの出力をポストアンプ、CDR (Clock Data Recovery)を通してエラーディテクタに入力し、LD駆動時のパターンと受信パターンを比較することでビットエラーレートを測定します。

[図3-5] ビットエラーレートの測定系

　一定のビットエラーレートを確保するために必要な最小の受光パワーを最小受信感度といいます。また、最大の受光パワーを最大受信感度(オーバーロード)と呼びます。　プラスチックタイプ10 Gbps PIN ROSAのビットエラーレートを図3-6に示します。

KIRDC0055JA

通信規格波長(nm) 分散補償方法最大伝送距離

(km)最大受信感度(dBm)

最小受信感度(dBm)

最大光反射減衰量(dB)

許容最小消光比 (dB)

SR-1 1310 - 7 -1 -11 -14 6

SR-2 1550 - 25 -1 -14 -27 8.2

IR-1 1310 - 20 -1 -11 -14 6

IR-2 1550 - 40 -1 -14 -27 8.2

IR-3 1550 - 40 -1 -13 -27 8.2

LR-1 1310 - 40 -9 -20 -27 6

LR-2 1550 PCH 80 -7 -24 -27 9

LR-2a 1550 PDC 80 -9 -26 -27 10

LR-2b 1550 SPM 80 -3 -14 -27 8.2

LR-2c 1550 PCH 80 -9 -26 -27 10

LR-3 1550 - 80 -3 -13 -27 8.2

VR-2a 1550 PDC 120 -9 -25 -27 10

VR-2b 1550 PDC & SPM 120 -7 -23 -27 8.2

VR-3 1550 - 120 -9 -24 -27 8.2

通信規格ファイバ波長

(nm) 最大伝送距離最大受信感度(dBm)

最小受信感度(dBm)

最小受信感度OMA(dBm)

最大光反射減衰量(dB)

許容最小消光比 (dB)

SR MMF 850 300 m -1 -9.9 -11.1 -12 3

LR SMF 1310 10 km 0.5 -14.4 -12.6 -12 3.5

ER SMF 1550 40 km -1 -15.8 -14.1 -26 3

[表3-1] SONET/SDHの規格 (伝送速度: 9.95328 Gbps)

[表3-2] イーサネットの規格 (伝送速度: 10.3125 Gbps)

185

6章


受光素子

3. ROSAモジュール

[図3-6] ビットエラーレート　　　 (プラスチックタイプ10 Gbps PIN ROSA, 代表例)

(a) 最小受信感度

(b) 最大受信感度

KIRDB0415JB

KIRDB0419JB

3 - 4 使用上の注意

取扱上の注意

　光半導体素子は、静電気、電源や測定器のサージ、はんだごてのリーク電流などで比較的簡単にダメージを受け破壊されるため以下の点に注意する必要があります。

・はんだ付け・組立・測定などの際にはアースバンドを装着し、必要に応じてイオナイザなどを使用して静電気の発生を抑えてください。・デバイス・作業机・治具・はんだごてのこて先・測定器などは同電位になるようにしてください。・電源投入時には電源からのサージに注意して、Vpd、Vccの順に電圧をかけてください (製品によっては電圧をかける順序が異なるものがあります)。・光モジュールのファイバ端面に汚れや傷があると、信号光がフォトダイオードに入射しにくくなり、見かけ上の感度が落ちてしまいます。ファイバ端面の汚れや傷には十分注意して、汚れた場合は清掃を行ってください。

実装時の注意

　高速デバイスの性能を十分に引き出すために実装時には以下の点に注意してください。なお、図3-7に受光モジュールの測定回路例を示します。

・実装の際には、リードはできる限り短くして基板にはんだ付けしてください。・電源ラインには、グランドとの間にバイパスコンデンサとして周波数特性の優れたコンデンサをできるだけ近くに付けてください。

[表3-3] 電気的および光学的特性 (プラスチックタイプ10 Gbps PIN ROSA: G12072-54)

項目記号条件 Min. Typ. Max. 単位

受光感度＊1 R λ=1.31 µm, Pin=-10 dBm 0.7 0.8 - A/W電源電流 Icc 暗状態, RL=∞ - 28 50 mA

遮断周波数 fc λ=1.31 µm, -3 dB, Pin=-18 dBm fref=1 GHz 7 10 - GHz

低域遮断周波数 fc-L λ=1.31 µm, -3 dB, Pin=-18 dBmfref=100 MHz, 消光比=6 dB - 30 100 kHz

トランスインピーダンス＊2 Tz f=1 GHz, Pin=-18 dBm 1.0 2.25 - kΩ

最小受信感度 (平均) Pmin 11.3 Gbps, λ=1.31 µmPRBS=231-1, BER=10-12消光比=14 dB

- -19.5 -17.5dBm

最大受信感度 (平均) Pmax +2 +5 -

出力振幅 Vomax 差動, Pin=-5 dBm 200 280 400 mVp-p

RSSIオフセット電流 IRSSI 暗状態, RL=∞, Vcc=3.3 V 2.5 10 17 µA光反射減衰量＊3 ORL λ=1.31 µm 12 14 - dB＊1: 受光感度＝2 × (RSSI出力電流 - RSSIオフセット電流)／入射光量＊2: シングルエンド (Vout+)にて測定＊3: 反射対策あり (ORL≧27 dB)のメタルタイプにも対応が可能です。

186

6章


受光素子

・リード部は機械的ストレスにより破壊または劣化が起きる場合があるため、実装時には注意してください。なお、回路基板に接続した際のリード部に加わる機械的ストレスを少なくできるフレキシブル基板付きのROSAも用意しています [図3-8]。・ 10 Gbps用のモジュールでは、実装する基板についても注意する必要があります。図3-9に評価基板の例を示します。片側を信号ラインとグランドパターン、その裏側をグランドパターンとし、両面のグランドパターンはスルーホールで接続します。また信号ラインのパターンは、後段回路のインピーダンスに合わせたコプレーナラインあるいはマイクロストリップラインにします。

[図3-7] 受光モジュールの測定回路例

KIRDC0053JA

[図3-8] 外形寸法図 (G12072-54, 単位： mm)

[図3-9] 10 Gbps PIN ROSAの評価基板

注) 負荷抵抗との容量結合が必要なモジュールの場合は、測定機器をAC結合に切り替えるか、測定機器と評価基板の間に結合コンデンサを挿入してください。

　コプレーナラインは、図3-10に示すように伝送線路導体とグランド導体が誘電体基板の片側の同一平面状に配置された構造をしており、基板の誘電率、伝送線路導体の幅、伝送線路導体とグランド導体の間隔で特性インピーダンスが決まります。　マイクロストリップラインは、図3-11に示すように誘電体基板の片側に伝送線路導体、その裏側にグランド導体が配置された構造で、基板の誘電率・厚さ、伝送線路導体

KIRDA0214JA

187

6章


受光素子

の幅で特性インピーダンスが決まります。

[図3-10] コプレーナライン

[図3-11] マイクロストリップライン

KLEDC0024JA

KLEDC0025JA

3. ROSAモジュール　4. PbS/PbSe光導電素子

PbS/PbSe光導電素子4.

　PbS光導電素子・PbSe光導電素子は、赤外線が入射すると抵抗が減少する光導電効果を利用した赤外線検出素子です。同じ波長領域の他の検出素子と比較して、検出能力が高い、室温動作が可能といった優れた面があります。しかし、周囲温度によっては暗抵抗・感度・応答速度が変化するため、注意して使用する必要があります。

4 - 1 動作原理

　PbS/PbSe光導電素子は、赤外線が入射するとキャリアが増加して抵抗が減少します。図4-1のような回路で信号を電圧として取り出すため、受光感度の単位はV/Wです。

[図4-1] 光導電素子の出力信号測定回路

　出力電圧 (Vo)は式 (1)で表されます。

Vo = ・VB ................................. (1)RL

Rd + RL

　光が入射したとき、Rdの変化 (ΔRd)によるVoの変化 (ΔVo)は式 (2)で表されます。

ΔVo = - ・ΔRd ...................... (2)RL VB

(Rd + RL)2

　ΔRdは、式 (3)で表されます。

ΔRd = - Rd .......... (3)

q : 1電子当たりの電荷量 e : 電子の移動度 h : 正孔の移動度σ : 電気伝導度η : 量子効率τ : キャリアの寿命λ : 波長P : 入射光量［W/cm2］A : 受光面積［cm2］h : プランク定数c : 真空中の光速

q ( e + h)σ

・η τ λ P Al w d h c

4 - 2 特性

分光感度特性

　PbS・PbSeのバンドギャップエネルギーの温度特性は負の係数をもっているため、素子を冷却することによって

KIRDC0028JA

188

6章


受光素子

分光感度特性は長波長側にシフトします。


(a) PbS光導電素子 (P9217シリーズ)

(b) PbSe光導電素子 (P9696シリーズ)

応答特性

　PbS/PbSe光導電素子の感度の周波数特性 (チョッパを用いた場合)は、式 (4)から求められます。

R(f ) =R(o)

1 + 4π2 f 2 τ2........ (4)

R(f) : 周波数応答R(o): 零周波数における応答f : チョッピング周波数τ : 時定数

　PbS/PbSe光導電素子のノイズは、典型的な1/fノイズスペクトルをもつため、D*は式 (5)で表されます。

D* (f) =k f

[cm・Hz1/2/W] ........ (5)1 + 4π2 f 2 τ2

　D*(f)は、 f ＝ 12π τ のときに最も大きくなります。

KIRDB0265JD

KIRDB0342JE

　PbS/PbSe光導電素子のS/Nの周波数特性は、図4-3のようになります。　またPbS光導電素子の室温 (+25 ̊C)、電子冷却温度 (-20 ̊C)における感度の周波数特性は、図4-4のようになります。

[図4-3] S/N－チョッピング周波数

(a) PbS光導電素子

(b) PbSe光導電素子

[図4-4] 感度ーチョッピング周波数 (PbS光導電素子)

KIRDB0047JC

KIRDB0441JB

KIRDB0083JC

189

6章


受光素子

直線性

　入射光量と出力の関係を図4-5に示します。直線性の下限は、PbS/PbSe光導電素子のNEPによって決まります。

[図4-5] 直線性



KIRDB0050JA

KIRDB0056JA

温度特性

　PbS/PbSe光導電素子は、素子温度の変化により、受光感度・暗抵抗・上昇時間が変化します [図4-6、図4-7]。

[図4-6] 受光感度－素子温度



光源: 黒体炉 500 K入射光量: 16.7 µW/cm2

印加電圧: 15 Vチョッピング周波数: 600 Hz

[図4-7] 暗抵抗、上昇時間－素子温度

(a) PbS光導電素子 (P9217シリーズ)

KIRDB0048JD

KIRDB0442JC

KIRDB0303JA

4. PbS/PbSe光導電素子

190

6章


受光素子


4 - 3 使い方

　PbS/PbSe光導電素子は、図4-8の回路のように通常チョッパを使い交流で信号を取得します。

[図4-8] 接続例

　図4-8における信号電圧 (Vo)は式 (6)で表されます。

Vo = -is ×Rd (1+RfRi ) ........ (6)

is: 信号電流

温度補正

　PbS/PbSe光導電素子は、感度・暗抵抗が素子温度によってドリフトするため、その対策が必要です。　電子冷却型のPbS/PbSe光導電素子は、サーミスタを内蔵しており素子温度を一定にすることによってドリフトを抑えることができます。ヒータなどで素子を温め、温度を一定にして使う場合もありますが、感度の低下をもたらすだけでなく、素子の劣化を早める原因にもなりますので注意する必要があります。

KIRDB0443JC

KIRDC0012JC

負荷抵抗

　負荷抵抗 (RL)が暗抵抗 (Rd)と同じ値のとき、信号は最も大きくなります。出力信号とRL/Rdの関係を図4-9に示します。

[図4-9] 出力－RL/Rd

チョッピング周波数

「4-2 特性／応答特性」で述べたように、D*は f ＝ 12π τ の

ときに最大になります。またアンプの帯域を狭くすると、ノイズが減少しS/Nがよくなります。特に微弱光測光では、チョッピング周波数、帯域幅に配慮する必要があります。

電圧依存性

　PbS/PbSe光導電素子のノイズは、素子にかかる電圧がある特定の値を超えると急激に大きくなります。信号は電圧に比例して増加しますが、データシートに記載されている最大印加電圧以下のできるだけ低い電圧で使用してください。

受光面サイズ

　小面積のPbS/PbSe光導電素子を用いて光学的に光を絞ることによって単位面積当たりの光量が大きい光を入射させる方が、大面積の素子を使用するよりもS/Nの点から有利です。また、入射光が受光面からずれていたり、信号以外の光が入射することによって、S/Nが低下する場合があるため十分に注意してください。

取扱上の注意 (PbS光導電素子)

　PbS光導電素子を高温または可視光 (室内光)・紫外線などの下で放置した場合、特性変化を起こすことがありますので、必ず冷暗場所で保管してください。また、可視光下などで使用する場合には、遮光対策を行ってください。

KIRDB0137JA

191

6章


受光素子

4. PbS/PbSe光導電素子　5. InSb光導電素子　6. InAs/InAsSb/InSb光起電力素子

InAs/InAsSb/InSb光起電力素子

6.

　InAs/InAsSb/InSb光起電力素子は、InGaAs PINフォトダイオードと同様にPN接合をもった赤外線検出素子です。InAs光起電力素子はPbS光導電素子と同様に3 µｍ付近に感度をもち、InAsSb/InSb光起電力素子はPbSe光導電素子と同様に3～5 µｍ帯に感度をもっています。　InAs/InAsSb/InSb光起電力素子は高速応答・高S/NのためPbS/PbSe光導電素子とは異なる用途に使われます

6 - 1 特性

分光感度特性

　InAs光起電力素子には非冷却型、電子冷却型 (Td= -10 ̊C, -30 ̊C)、液体窒素冷却型 (Td=-196 ̊C)があり、用途に応じて使い分けられます。InAsSb光起電力素子には電子冷却型 (Td=-30 ̊C)、液体窒素冷却型 (Td=-196 ̊C)があります。InSb光起電力素子は液体窒素冷却型です。図6-1にInAs/InAsSb/InSb光起電力素子の分光感度特性を示します。


(a) InAs光起電力素子

KIRDB0356JD

InSb光導電素子5.

　InSb光導電素子は、6.5 µm付近までの検出が可能な赤外線検出素子です。なお、InSb光導電素子は、電子冷却型のため取り扱いが容易です (液体窒素が不要)。


　InSb光導電素子は、バンドギャップエネルギーの温度係数が正のため、冷却するとカットオフ波長は短波長側にシフトします。これは、InSb光起電力素子においても同様です。

[図5-2] D*－素子温度 (P6606-310)

KIRDB0166JD

KIRDB0167JA

192

6章


受光素子

(b) InAsSb光起電力素子

(c) InSb光起電力素子

[図6-2] D*－素子温度

(a) InAs光起電力素子

KIRDB0430JD

KIRDB0063JF

KIRDB0555JA

(b) InAsSb光起電力素子

ノイズ特性

　InAs/InAsSb/InSb光起電力素子のノイズ (i)は、ジョンソンノイズ (ij)、暗電流 (背景光による光電流も含む)によるショットノイズ (iSD)に起因し、それぞれは以下の式で表されます。

i = ij2 + iSD2

i j = 4k T B /Rsh

iSD = 2q ID B

.............. (1)

............ (2)

.............. (3)

k : ボルツマン定数T : 素子の絶対温度B : 雑音帯域幅Rsh : 並列抵抗q : 1電子当たりの電荷量ID : 暗電流

　InSb光起電力素子の感度波長範囲においては、周囲からの背景光の揺らぎ (背景放射ノイズ)が無視できません。ノイズ源が背景放射ノイズだけと考えた場合、InSb光起電力素子の D*は式 (4)で表されます。

[cm . Hz1/2/W]D* =λ η

h c 2Q........ (4)

λ : 波長η : 量子効率h : プランク定数c : 光速Q: 背景放射光量子束 [フォトン数/cm2・s]

　背景放射ノイズを減少させるためには、視野角 (FOV: Field of View)を制限するコールドシールドや不必要な波長をカットするバンドパスフィルタを冷却して使用する必要があります。D*と視野角の関係を図6-4に示します。

KIRDB0556JA

193

6章


受光素子

[図6-3] 視野角 (FOV)

[図6-4] D*－視野角

6 - 2 使用上の注意

動作回路

　InAs/InAsSb/InSb光起電力素子の接続例を図6-5に示します。負荷抵抗またはオペアンプを用い、光電流を電圧として取り出します。

[図6-5] 接続例 (InAs/InAsSb/InSb光起電力素子)



KIRDC0033JB

KIRDB0138JB

KPDC0006JC

6. InAs/InAsSb/InSb光起電力素子

抵抗値の測定

　InAs/InAsSb/InSb光起電力素子の抵抗をテスタで測定すると素子を破壊する恐れがあります。特に室温では破壊されやすいため、必ず冷却した状態で測定してください。この場合、素子にかかるバイアス電圧は絶対最大定格の値以下にしてください。

可視光などの入射 (InSb光起電力素子)

　InSb光起電力素子は、赤外線よりエネルギーの大きい可視光や紫外線が入射すると、表面に電荷が蓄積して暗電流が増加する現象が生じます。暗電流が増加すると、ノイズが増加してS/Nの低下を招きます。使用時は、まず可視光 (室内光)や紫外線などが入らないように入射窓にふたをしてから (黒テープを2重に貼るなど)、液体窒素を注入してください。液体窒素を注入してから可視光などにさらしてしまい暗電流が増加した場合には、液体窒素を抜いて素子の温度を室温まで戻してください。その後、上記操作を行えば、暗電流は元の値に戻ります。

194

6章


受光素子

MCT(HgCdTe)光導電素子

7.

　MCT (HgCdTe)光導電素子は、赤外線が入射すると抵抗値が減少する赤外線検出素子で、主に5 µm・10 µm付近の検出に用いられます。

7 - 1 特性

分光感度特性

　HgCdTeの結晶は、HgTeとCdTeの組成比によってバンドギャップエネルギーの値が変わります。組成比を変えることによって、さまざまな波長に最大感度波長をもった赤外線検出素子を作ることができます。バンドギャップエネルギーとカットオフ波長の間には式 (1)の関係があります。

λc =1.24Eg

........ (1)

λc: カットオフ波長 [µm]Eg: バンドギャップエネルギー [eV]

　バンドギャップエネルギーは、組成比の他、素子温度によっても変わります。

Eg = 1.59x - 0.25 + 5.23 × 10-4 T (1 - 2.08x) + 0.327x3 ...... (2)

x: Hg1-xCdxTeの組成比を表すT: 絶対温度

　素子温度が高くなるとバンドギャップエネルギーは大きくなり、最大感度波長は短波長側にシフトします。　図7-2にMCT光導電素子の分光感度特性を示します。

[図7-1] バンドギャップエネルギー－ Hg1-xCdxTeの組成比 x 1)

KIRDB0087JA

[図7-2] 分光感度特性 (MCT光導電素子)

ノイズ特性

　MCT光導電素子のノイズ成分には、1/fノイズ、電子－正孔の再結合によるg-rノイズ、ジョンソンノイズがあります。数百Hz以下の周波数では1/fノイズが、それ以上ではg-rノイズが支配的になります。MCT光導電素子のノイズ量と周波数の関係を図7-3に示します。3 µm以上に感度をもつMCT光導電素子では、300 K背景光の揺らぎがノイズとして無視できません。このノイズは、視野角を小さくすれば減らすことができます。

[図7-3] ノイズ量－周波数 (P2748/P5274シリーズ)

温度特性

　MCT光導電素子のD*と分光感度特性は、素子温度によって変化します。温度が上がるにつれて、D*は減少し分光感度特性は短波長側にシフトします。その例として3～5 µm帯用MCT光導電素子 P2750のD*およびカットオフ波長の温度特性を図7-4・図7-5で示します。

KIRDB0072JI

KIRDB0074JD

195

6章


受光素子

[図7-4] D*－素子温度 (P2750)

[図7-5] カットオフ波長－素子温度 (P2750)

直線性

[図7-6] 直線性 (P2748-40)

KIRDB0140JD

KIRDB0141JB

KIRDB0471JB

7. MCT(HgCdTe)光導電素子

7 - 2 使い方

動作回路

　MCT光導電素子の接続例を図7-7に示します。電源はノイズ、リップルの少ないものを使用してください。RLに数kΩの抵抗を使用して定電流源とする方法が一般的です。バイアス電流を増やすと信号・ノイズともに増加しますが [図7-8]、特定の値からノイズが急激に増え始めるため、D*が一定になる範囲で使用してください。必要以上にバイアス電流を大きくすると、ジュール熱により素子温度が上がりD*を悪くし、さらには素子を破壊する恐れがありますので避けてください。

[図7-7] 接続例 (MCT光導電素子)

[図7-8] 信号、ノイズ、D*－バイアス電流 (P3257-10, 代表例)

周囲温度

　MCT光導電素子は、周囲温度によって感度が変化します。周囲温度が上昇すると、背景放射ノイズが増加し、素子内のキャリア数が増加します。そのため、信号光によって励起されたキャリアの平均寿命が短くなり感度が小さくなります。

KIRDC0021JA

KIRDB0091JB

196

6章


受光素子

MCT(HgCdTe)光起電力素子

8.

　MCT光起電力素子は、InAs光起電力素子と同様に、赤外線によって光電流を発生する光起電力効果を利用した赤外線検出素子です。主に10 µm付近の検出に使われます。

8 - 1 特性

分光感度特性

[図8-1] 分光感度特性 (MCT光起電力素子)

ノイズ特性

　光起電力素子のノイズ特性については「6. I nAs/InAsSb/InSb光起電力素子／6-1 特性／ノイズ特性」を参照してください。光起電力素子は、光導電素子に比べ l/fノイズが小さく、低い周波数で測定する場合に有利です。

直線性

　MCT光起電力素子の直線性の上限は、MCT光導電素子の数mW/cm2に比べると1桁以上よい特性を示します。

KIRDB0334JB

[図8-2] 直線性 (MCT光起電力素子)

8 - 2 使い方

動作回路

　MCT光起電力素子の接続例は、図6-5と同様です。負荷抵抗またはオペアンプを用い、光電流を電圧として取り出します。

周囲温度

　MCT光起電力素子において、周囲温度により背景放射ノイズが変化すると暗電流も変化します。この現象を防ぐためには、余分な背景光を拾わないようにコールドシールドの形状を工夫するなど、光学系の設計に注意する必要があります。

KIRDB0404JA

197

6章


受光素子

8. MCT(HgCdTe)光起電力素子　9. 複合素子

複合素子9.

　複合素子は、感度波長範囲を広げるために2種類以上の素子を上下に配置した赤外線検出素子です。Siを上に配置して入射面とし、下にPbS、PbSe、InGaAsを同一光路に配置した製品に加えて、標準タイプInGaAsを上に配置し、下に長波長タイプInGaAsを配置した製品も用意しています。その他、InAsとInSb、InSbとMCT (HgCdTe)などの組み合わせにも対応できます。上に配置する検出素子は、赤外線を検出するとともに、下の検出素子の短波長カットフィルタの役目も果たします。

[図9-1] 外形寸法図 [複合素子 (Si + InGaAs)、単位: mm]


(a) 複合素子 (Si + InGaAs)

KIRDA0147JB

KIRDB0405JB

(b) 複合素子 (標準タイプInGaAs + 長波長タイプInGaAs)

KIRDB0479JB

198

6章


受光素子

オプション10.

　当社は、化合物光半導体受光素子用オプションとして、アンプ、温度コントローラ、放熱器、チョッパ、ケーブルなどを用意しています。温度コントローラ・放熱器は電子冷却型用で、温度コントローラは素子温度を一定に制御するために使用され、放熱器は電子冷却素子からの熱を効率よく放出するために使用されます。チョッパは、赤外線検出を行う場合に検出光だけを変調して背景光と区別することで、背景光の影響を低減することができます。その他、赤外線検出素子とプリアンプを一体化したプリアンプ付赤外検出モジュールも用意しています。

[図10-1] 化合物光半導体受光素子用オプションの接続例

KACC0321JB

ケーブル番号ケーブルおよその長さ備考

① 同軸ケーブル (信号用) 2 m放熱器 A3179シリーズに付属しています。ケーブルはできるだけ短くして使用してください。(10 cm程度が望ましい)

② 4芯ケーブル (コネクタ付)A4372-05 3 m 温度コントローラ C1103シリーズに付属しています。

別売もしています。

③ 電源ケーブル (4芯コネクタ付)A4372-02 2 m

赤外線検出素子用アンプ C4159/C5185シリーズ、C3757-02、プリアンプ付赤外検出モジュール (常温型)に付属しています。別売もしています。電源ケーブル (6芯コネクタ付) A4372-03 [プリアンプ付赤外検出モジュール (冷却型)に付属]の別売もしています。

④ BNCコネクタケーブル E2573 1 m 別売品

⑤ 電源ケーブル (温度コントローラ用) 1.9 m 温度コントローラ C1103シリーズに付属しています。

⑥ チョッパ駆動ケーブル (チョッパに接続されている) 2 m チョッパ駆動回路に接続してください。

⑦ 2芯ケーブルまたは同軸ケーブル (チョッパの電源用) 2 m以下ユーザにて用意してください。

＊1: バラ線などを電源に接続してください。＊2: はんだ付けが必要です。アンプ C5185シリーズを使用する場合、BNCコネクタが必要です。(ユーザにて用意してください。例: E2573の一端)＊3: 専用ソケットはありません。はんだ付けが必要です。

199

6章


受光素子

新たな取り組み11.

11 - 1 高速InGaAs PINフォトダイオード

　高速応答の受光素子として、25 Gbpsおよび40 Gbpsのフォトダイオードの製品化が求められています。その際にシステム自体が高価にならないように、低消費電力化やアッセンブリの簡易化が要求されます。また、S/Nを確保するためには、従来品からの感度の減少は許されません。フォトダイオードには、現状の受光感度を維持しつつ、低逆電圧下で高速動作するとともに、小さな受光部にできるだけ多くの光を入射させるための光学技術との融合が必要となります。現在、低逆電圧駆動の高速InGaAs PINフォトダイオードとしては、VR=2 Vで25 Gbpsまでの伝送帯域が確認され製品化されるとともに、さらなる高速化への対応を進めています。

[図11-1] 周波数特性(高速InGaAs PINフォトダイオード)

11 - 2 100 Gbps ROSAモジュール

　光通信の高速化は、今後も続いていくものと思われます。イーサネットでは10 Gbpsの次のバージョンとしてデータセンター用途を想定した40 Gbpsイーサネットとメトロ市場を想定した100 Gbpsイーサネットの規格化が完了しました。ただし、100 Gbpsをそのままシリアルで伝送することはフォトダイオードやトランスインピーダンスアンプなどの技術的な面から現状では非常に難しいため、波長多重による方式となっています。　シングルモードファイバによる10 km、40 kmの伝送方式としては、25 Gbps × 4波の波長多重方式が採用されています。　波長帯は分散の少ない1310 nm帯が採用されており、外部変調または直接変調方式による4つの波長のレーザ光を1本のシングルモードファイバにて多重伝送します。　40 km版では、受信側にSOA (Semiconductor Optical

KIRDB0394JA

Amplifier: 半導体光アンプ)などを使用して、受信する光パワーを上げる方式が採用されています。　25 Gbps × 4波の伝送方式では、これまで以上に高速なデバイスとともに波長多重化技術が必要となります。　当社では、このような高速化に対応するフォトダイオードおよびモジュールの開発を進めています。フォトダイオードに関しては構造などの見直しを行い、1 ch当たり25 Gbpsで使用可能な、プリアンプ付4 chフォトダイオードアレイを開発しました［図11-2］。パッケージ材料にはSiを用い、高信頼性を確保するため気密性を保ち、後段回路との接続が容易となるフレキシブル基板が付いています。パッケージ内部には、高周波に対応するためにインピーダンスが最適化された配線が形成され、フォトダイオードアレイとアンプが実装されています。今後は、波長多重方式における多チャンネル化を実現するため、光分岐機能を統合した100 Gbps ROSAモジュールの開発を目指します。

[図11-2] プリアンプ付4 chフォトダイオードアレイ (100 Gbps)

[図11-3] 断面構造 (プリアンプ付4 chフォトダイオードアレイ)

KACCC0717JA

10. オプション　11. 新たな取り組み

200

6章


受光素子

11 - 3 InAsSb光起電力素子

　赤外域は多くの分野において非常に注目されていますが、扱いやすい検出素子は少数にとどまっています。当社は、均一性に優れて大面積化が可能な半導体材料の検討を行い、III-V族系化合物半導体材料であるInAsSb混晶を選択しました。InAsxSb1-x混晶の組成制御を行うことにより、室温におけるカットオフ波長が3.3 µm (InAs)から12 µm (InAs0.38Sb0.62)までの検出素子が可能となります。現在、2段電子冷却型 (素子温度: -30 ̊C)のカットオフ波長 8 µmのタイプを開発中です。今後、さらなる長波長化と1次元／2次元アレイの開発に取り組みます。

[図11-4] バンドギャップエネルギー、最大感度波長　　　　－InAsxSb1-xの組成比 x

[図11-5] 分光感度特性 (InAsSb光起電力素子, 代表例)

KIRDB0406JA

KIRDB0407JB

応用例12.

12 - 1 光パワーメータ

　光パワーメータは、光の強さを測定するもので、光ファイバ通信・レーザ光検出など幅広い用途があります。光ファイバ通信は近／中距離用と長距離用に分類されますが、長距離用には光ファイバの伝送損失が小さくなる1.3 µmおよび1.55 µmの波長域の赤外線が使われています。この波長域の検出には InGaAs PINフォトダイオードなどが使われ、光ファイバの伝送損失、中継のよしあし、レーザパワーの測定などを行います。光パワーメータに要求される特性は、直線性とユニフォミティです。低いパワーの光も低ノイズで検出できるように、冷却型の検出素子を使用する場合もあります。

[図12-1] 光パワーメータ

12 - 2 LDモニタ

　LD (レーザダイオード)の出力レベルと発光波長は、LD素子の温度によって変化します。LDを安定させるために、APC (Auto Power Control)を行います。APCには、LDからの光パルスの積分量をモニタする方法と、光パルスのピーク値をモニタする方法があります。LDの高出力化に伴い、モニタ用の検出器では、入射光量の多い領域での直線性が重要になってきました。また、光パルスのピーク値をモニタするためには、高速応答も要求されます。　LDモニタに用いられるInGaAs PINフォトダイオードは、LDと同じパッケージ内にマウントする場合と外部に取り付ける場合があります。さらに長い波長のレーザには、InAs/InSb光起電力素子も利用されます。

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201

6章


受光素子

　放射温度計に使用する赤外線検出素子は、対象物の温度や材質に合わせて選ぶ必要があります。たとえばガラス類では5 µm付近、プラスチックフィルムでは3.4 µmや8 µm付近に放射率のピーク波長があります。この波長域に合わせて検出素子を選ぶ必要があります。　また、赤外ファイバと検出器を組み合わせることで、ホットメタルディテクタ (HMD)、回転体、内部の複雑な構造物、真空中・高圧ガス中などの危険な場所にある物体の温度測定が可能になりました。

[図12-3] 黒体放射の法則 (プランクの放射則)

[図12-4] 各種物体の放射率 2)

KIRDB0014JB

KIRDC0036JA

[図12-2] LDモニタ

12 - 3 放射温度計

　物質は、絶対零度以上であれば物質自体の温度に応じて赤外線を放出します。実際には物質から放射される赤外線の量は、温度によって一義的に決まるわけではなく、放射率 (e)を補正しなければなりません。　図12-3は黒体からの放射エネルギーを示します。黒体の場合はe=1です。図12-4にさまざまな物体の放射率を示します。放射率は、温度・波長によって異なります。　温度分解能を表す指標として、雑音等価温度差 (NEΔT)があります。NEΔTは式 (1)のように定義されます。

NEΔT = LNdLdT T=T1

LN: 雑音等価輝度T1: 物体の温度

........ (1)

　LNは、検出器のNEPと式 (2)の関係にあります。

NEP=To LN Ω Ao / γ

To : 光学系の損失Ω : 光学系から被測定エリアを見込む立体角Ao: 光学系の開口面積γ : 回路系の損失

........ (2)

　式 (1)のdLdT T=T1は、温度 T1における物体の放射輝度 (L)の温度係数を表しています。放射輝度は、観測波長域 (λ1～λ2)にわたって分光放射発散度を積分して得られます。

L =λ1

λ2 1π Mλ dλ

Mλ: 分光放射発散度

........ (3)

　他の温度測定法と比べると、放射温度計には以下の特長があります。

・被測定物に直接接触しないで測定が可能・高速応答・パターン計測が容易にできる

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11. 新たな取り組み　12. 応用例

202

6章


受光素子

[図12-5] ガラスの分光透過率、反射率ー波長

12 - 4 距離計測

　対象物にレーザを照射して反射した微弱光を検出することで、対象物までの距離を高速・高精度に測定することができます。InGaAs APDは、逆電圧を印加することによりS/Nの高い信号を得ることができ、微弱光の測定に適しているため、測距センサとして広く用いられています。

[図12-6] 距離計測

12 - 5 フレームアイ（炎検出）

　フレームアイは、炎から放射される光を検出し、燃焼状態を観察するものです。炎からの放射波長は、図12-7のように紫外域から赤外域にわたって広く分布しています。検出方法には、PbS光導電素子を使って赤外線を検出する方法、複合素子 (Si + PbS)を使って紫外域から赤外域まで幅広い波長域を検出する方法、PbSe光導電素子を使って4.3 µmの波長を検出する方法などがあります。

KIRDB0146JA

KIRDC0098JA

[図12-7] 炎からの放射波長

12 - 6 水分計

　近赤外域にある水分の吸収波長 (1.1 µm, 1.4 µm, 1.9 µm, 2.7 µm)の光とリファレンス光を食品などの被測定物に投光し、被測定物からの反射光あるいは透過光の比率を演算することにより水分量を測定します。受光素子としては、InGaAs PINフォトダイオード、InAs光起電力素子、PbS光導電素子が適しています。

12 - 7 ガス分析計

　ガス分析計は、ガスの赤外域における光の吸収を利用して、ガス濃度を測定します。ガス分析計には、光源からの赤外線を分光して波長ごとの吸収量を測定して試料の成分とその量を測る分散方式と、特定波長の吸収量だけに限る非分散方式とがあります。現在は非分散方式が主流です。非分散方式のガス分析計は、自動車の排気ガス測定 (CO, CH, CO2)、呼気の成分測定 (CO2)、燃料排気ガスの管理 (COx, SOx, NOx)、燃料漏洩検知 (CH4, C2H6)などに用いられます。また、炭酸飲料 (ソフトドリンク、ビールなど)のCO2 (4.3 µm)、糖分 (3.9 µm)の成分測定にも用いられます。図12-8にさまざまなガスの吸収スペクトルを示します。　当社では、InGaAs・InAs・InAsSb・InSb・PbS・PbSe・MCTなど、さまざまな波長に合わせたセンサを用意しています。また、ガス分析計用の中赤外半導体レーザとして、量子カスケードレーザ (QCL: Quantum Cascade Laser)も用意しています。中赤外域 (4～10 µm)の特定の波長に発振波長をもつ製品ラインアップがあります。

KIRDB0147JA

203

6章


受光素子

12. 応用例

[図12-8] ガス吸収スペクトル

12 - 8 赤外線撮像装置

　赤外線撮像装置の応用分野は、産業から医学、学術分野まで多方面に及んでいます [表12-1]。赤外線撮像方式の原理は、2つの方式に分けられます。検出素子として1次元アレイを用いる方式では、光学系をZ軸中心に走査させて画像化します。2次元アレイを用いる方式では光学系で走査する必要がありません。　なお、InSb・MCT光導電素子／光起電力素子、QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector: 量子井戸型赤外線センサ)、MEMS技術を利用した熱型検出素子、CMOS回路との異種接合による2次元アレイによって、さらに高品質の画像が得られます。

KIRDB0148JA

12 - 9 リモートセンシング

　物体から放射または反射される光には、図12-9のように波長によって異なる情報を含んでいます。これを波長別に計測することによって、物体についてのさまざまな情報を得ることができます。その中で赤外線を用いたリモートセンシングでは、固体・液体の表面温度や気体の種別・温度などの情報を得ることができます。特に最近では人工衛星や航空機によるリモートセンシングが盛んになり、地上や海面の温度、大気中のガス濃度など、地球規模の巨視的情報が得られるようになりました。これらの情報は、環境測定・気象観測・資源探査などに利用されています。　地上や海面の温度測定にはMTC/InSbアレイが用いられ、大気中のガス濃度検出にはMCTが用いられています。

[図12-9] 資源探査用光学システム 3)

KIRDC0039JB

応用分野応用例

産業鉄鋼・紙などの加工工程の管理、溶接・はんだ加工部の非破壊検査、建造物・構造物の非破壊検査、ウエハ・ICチップの評価試験、送電線・発電機などの保守点検、車軸・圧延ロールなどの発熱の監視、海洋資源の探査、森林分布の監視

公害監視海水・温排水の汚染監視

学術調査地質探査、水資源探査、海流調査、火山調査、気象探査、宇宙・天文探査

医学赤外線画像診断（乳がんの検診など）

保安ボイラなどの温度監視、火災探知

自動車、航空機視界補助用暗視装置、エンジン評価試験

[表12-1] 赤外線撮像装置の応用分野

204

6章


受光素子

12 - 10 選別機器

　有機物特有の吸収波長を利用して、有機物と無機物の判別をすることができます。米・ジャガイモ・トマト・タマネギ・ニンニクなどの農作物と土壌・小石との区別をこの原理で行うために、InGaAs PINフォトダイオードアレイや PbS光導電素子が使われています。これらの赤外線検出素子は、ベルトコンベアで移動する対象物の温度・放射率・透過率の違いを検出することによって、糖度による選別や、PETボトルなどの廃棄物の分別にも利用されています。

[図12-10] 透過光の検出による穀物選別

12 - 11 FT-IR

　FT-IR (Fourier Transform-Infrared spectrometer: フーリエ変換赤外分光光度計)は、2光束干渉計で得た干渉信号をフーリエ変換してスペクトルを得る装置で、以下の特長をもっています。

・非分散方式 (同時に多くのスペクトルエレメントを測定するため高S/N)のため光量が多い。・波長精度が高い。

　FT-IRの心臓部である赤外線検出素子には、以下の仕様が必要とされます。

・広い感度波長範囲・高感度・光学系に合った受光面サイズ・広い周波数帯域・入射光量に対して優れた直線性

　2.5 µmから25 µmの広範囲の領域では、通常、熱型検出素子が使われています。また高感度／高速測定用としてはMCT、InAs、InSbの量子型検出素子が使われています。　InGaAsやInAsの利用によって、近赤外域への波長範囲が拡大しました。またMCTやInSbなどの1次元／2次元アレイによるマッピングや赤外イメージ分光が行われています。

KIRDC0099JA

参考文献

1) 大槻、赤外線技術、8 (1983)、P732) 宮内、センサ技術、15 (1985)10月号、P483) 工藤、奈倉、赤外線技術、11 (1986)、P73

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化合物光半導体 受光素子 第 章 6 - hamamatsu.com · フォトダイオードのノイズ電流 inは、並列抵抗 Rshで 近似できる抵抗体の熱雑音電流 (またはジョンソンノイズ電

化合物光半導体受光素子第章 6 - hamamatsu.com · フォトダイオードのノイズ電流 inは、並列抵抗 Rshで近似できる抵抗体の熱雑音電流 (またはジョンソンノイズ電