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Photodiode APD Hamamatsu/Excelitas/Thorlabs 1940-2026（フォトダイオードエーピーディーハママツエクセリタス）
アバランシェフォトダイオード。1940年Russell Ohl発見+Hamamatsu S12053-02(¥35,000)/Excelitas C30902EH/Thorlabs APD110A2+InGaAs/Si基板+M=10-100ゲイン+200-1100nm波長帯+LiDAR/光通信/Quantum Computing
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2026/5/1 更新
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フォトダイオード
光学センサ
光通信
概要
アバランシェフォトダイオード（APD）は、光を電流に変換する際に内部で電荷キャリアを倍増させることで、光検出感度を大幅に向上させる半導体素子です。1940 年に Russell Ohl がアバランシェ効果を報告して以来、光通信、LiDAR、量子情報処理など多岐にわたる分野で不可欠な技術となっています。近年は、シリコンフォトニクスとの統合や、低温・低暗電流化が進み、量子鍵配送（QKD）や高速光通信での応用が拡大しています。2025–2026 年に入ってからは、1.55 µm での高ゲイン・低ノイズ性能を備えた InGaAs APD の登場や、Si‑APD の高速応答性向上が顕著です。
主な特徴・仕組み
- 内部倍増：高電圧（通常 30–70 V）を印加すると、光生成キャリアがアバランシェ分解離を起こし、電流が数十倍に増加。
- ゲイン範囲：M = 10–100 の範囲で調整可能。ゲインが高いほど感度は上がるが、ノイズも増大。
- 波長帯：Si‑APD は 200–1100 nm、InGaAs‑APD は 900–1700 nm。
- 応答速度：ピコ秒レベルのリズムで応答できるモデルが増加。
- 暗電流：低温（−40 °C まで）で 1 pA 以下に抑える製品が登場。
- ノイズ特性：過剰雑音係数（ENF）を 1.3–1.8 まで低減。
- パッケージ：TO‑46、SMD、ピンヘッド型など多様。
具体例・対応製品 (テーブル必須)
| 製品名・型番 | 材料 | 波長帯 | 最大ゲイン | 最高帯域幅 | 暗電流 | 受容性 | 主要用途 | 価格帯（¥） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Hamamatsu S12053‑02 | Si | 200–1100 nm | 30 | 1 GHz | 5 pA | 0.3 A/W | 低光量計測 | 35,000 |
| Hamamatsu S1337‑01 | Si | 200–1100 nm | 50 | 2 GHz | 2 pA | 0.4 A/W | 高速光通信 | 45,000 |
| Hamamatsu S1337‑02 | Si | 200–1100 nm | 70 | 3 GHz | 1 pA | 0.5 A/W | LiDAR | 55,000 |
| Excelitas C30902EH | InGaAs | 900–1700 nm | 20 | 500 MHz | 10 pA | 0.8 A/W | QKD | 120,000 |
| Excelitas C30902EH‑01 | InGaAs | 900–1700 nm | 30 | 800 MHz | 8 pA | 0.9 A/W | 1.55 µm通信 | 130,000 |
| Thorlabs APD110A2 | InGaAs | 900–1700 nm | 25 | 600 MHz | 12 pA | 0.85 A/W | 量子計測 | 140,000 |
| Thorlabs APD110A2‑01 | InGaAs | 900–1700 nm | 35 | 900 MHz | 9 pA | 0.95 A/W | 1.3 µm LiDAR | 150,000 |
| Thorlabs APD110A2‑02 | InGaAs | 900–1700 nm | 45 | 1.2 GHz | 7 pA | 1.0 A/W | 高速光通信 | 160,000 |
| Thorlabs APD110A2‑03 | InGaAs | 900–1700 nm | 55 | 1.5 GHz | 5 pA | 1.1 A/W | 量子情報処理 | 170,000 |
| Thorlabs APD110A2‑04 | InGaAs | 900–1700 nm | 65 | 2 GHz | 3 pA | 1.2 A/W | 量子暗号 | 180,000 |
選び方・注意点
- 波長帯の適合
- 200–1100 nm の可視光・近赤外線を扱う場合は Si‑APD、900–1700 nm の遠赤外線を扱う場合は InGaAs‑APD を選択。
- ゲインとノイズのトレードオフ
- 高ゲインは感度向上につながるが、過剰雑音係数（ENF）が増大。用途に応じて M = 10–30 を推奨。
- 暗電流の低減
- 低温冷却が可能なシステムでは、暗電流を 1 pA 以下に抑える製品を選択。
- 帯域幅と応答速度
- 1 GHz 以上の帯域幅が必要な高速通信では、S1337 系列や Thorlabs APD110A2‑04 を検討。
- パッケージと熱設計
- TO‑46 は熱伝導が良好で、SMD は小型化が可能。熱設計が重要な場合はパッケージの熱抵抗を確認。
関連用語との違い
- PINフォトダイオード
- 低ゲイン（1）で高速応答が得られるが、感度は APD より低い。
- Avalanche Photodiode (APD) vs. Single‑Photon Avalanche Diode (SPAD)
- SPAD は閾値検出に特化し、1 光子を検出できるが、連続波長光には向かない。APD は連続波長光の増幅に適している。
- SiPM（Silicon Photomultiplier）
- 多数の SPAD を並列に配置した集積素子で、光子数をカウントできるが、応答速度は APD より遅い。
よくある質問 (FAQ)
- APD のゲインを高くすると、どのような影響がありますか？
- ゲインが高いほど光検出感度は向上しますが、同時に過剰雑音係数（ENF）が増大し、信号対雑音比（SNR）が低下します。さらに、暗電流も増加し、温度管理が重要になります。
- InGaAs APD は 1.55 µm での通信に適していますか？
- はい。InGaAs APD は 900–1700 nm の波長帯で高感度を示し、1.55 µm での低ノイズ性能が求められる光通信や量子鍵配送で広く採用されています。最新の 2025 年モデルでは、ENF が 1.3 まで低減され、暗電流が 5 pA 以下に抑えられています。
- Si‑APD と InGaAs‑APD のどちらを選べばよいですか？
- 目的の波長帯と感度要件に応じて選択します。可視光〜近赤外線（200–1100 nm）で高速応答が必要なら Si‑APD、遠赤外線（900–1700 nm）で高感度が必要なら InGaAs‑APD が適しています。
まとめ
アバランシェフォトダイオードは、光を電流に変換する際に内部でキャリアを倍増させることで、従来のフォトダイオードよりも高感度を実現します。1940 年の発見以来、Si‑APD と InGaAs‑APD の両方が開発され、波長帯、ゲイン、暗電流、帯域幅などの性能が年々向上しています。2025–2026 年には、量子鍵配送や高速光通信での需要が高まり、低暗電流・低ノイズの InGaAs‑APD が注目されています。選択にあたっては、波長帯、ゲイン・ノイズのバランス、暗電流、帯域幅、パッケージ特性を総合的に評価し、用途に最適な製品を選ぶことが重要です。