Optical characterization of Ge- and InGaAs- semiconductor detectors for high accuracy optical radiant power measurements in the near infrared

López Ordoñez, Mario, Antonio

doi:10.24355/dbbs.084-201702161133-0

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Optical characterization of Ge- and InGaAs- semiconductor detectors for high accuracy optical radiant power measurements in the near infrared

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In this work the optical characterization of Ge- and InGaAs- single and trap detectors for high accuracy optical radiant power measurements in the near infrared (between 1260 nm and 1360 nm and between 1460 nm and 1620 nm) is presented. The characterization involves the measurement of the absolute spectral responsivity, external and internal quantum efficiency, nonlinearity and the spatial non-uniformity. The absolute spectral responsivity of the detectors was determined with the lowest uncertainty currently available by direct calibration against the cryogenic radiometer of the PTB. A relative standard uncertainty of +/- 0.04 % (k = 2) was achieved. Furthermore, the spectral reflectance and responsivity of the single photodiodes at near-normal and oblique incidence (45°) for s- and p-polarized radiation was also investigated. The spectral reflectance was modelled by using the matrix approach developed for thin-film optical assembles, from where the spectral responsivity and internal quantum efficiency were also calculated. Two new setups based on the differential spectral responsivity- (DSR-) method and on the “relative”-method were developed for measuring the nonlinearity of the photodiodes responsivity at high irradiance levels (~ 90 mW/mm^2).

In dieser Arbeit wird die optische Charakterisierung von Ge- und InGaAs-Einzeldioden und Trapempfängern für hochgenaue optische Leistungsmessungen im nahen infrarotem Spektralbereich (von 1260 nm bis 1360 nm and von 1460 nm bis 1620 nm) vorgestellt. Die Charakterisierung besteht aus der Bestimmung der absoluten spektralen Empfindlichkeit, der internen und externen Quanteneffizienz, der Nichtlinearität und der Nichthomogenität. Die absolute spektrale Empfindlichkeit wurde direkt mittels des genauesten derzeit zur Verfügung stehendem Messgeräts, dem Kryoradiometer, bestimmt. Damit wurde eine Messunsicherheit von +/- 0.04 % (k = 2) erreicht. Außerdem wurde auch der spektrale Reflexionsgrad und die spektrale Empfindlichkeit von Einzeldioden bei senkrechter und schiefer (45°) Einfallsrichtung bei s- und p-polarisierter Strahlung untersucht. Der spektrale Reflexionsgrad wurde mittels des Matrixformalismus für Dünnschichtsysteme modelliert, dadurch wurde die spektrale Empfindlichkeit und die interne Quanteneffizienz bestimmt. Es wurden zwei neue Messplätze für die Messung der Nichtlinearität der spektralen Empfindlichkeit bei hohen Bestrahlungsstärken (~ 90 mW/mm^2) verwendet, die auf der differential spectral responsivity- (DSR-) Methode und der „Relativmethode“ basieren.